流动模型方法及其在化工中的应用

(续上一讲)例2:在例1所示管式反应器中等温进行某一级反应,已知反应速率常数ｋ=021/Ｓ、反应空时τ=10Ｓ、实际反应出口转化率为0784。①若不考虑流体返混(即按平推流模型)计算,其反应出口转化率为多少?②若考虑流体返混,分别按多釜串联、轴向扩散、单平推流循环和等空时双平推循环模型计算,其反应出口转化率各为多少?③若按流体返混达到最大的全混流模型计算,其反应出口转化率又为多少?解:①不考虑流体返混(平推流模型)　Ｘ=1-ｅ-ｋτ=1-ｅ-02×10=0865②考虑流体返混(ａ)多釜串联模型先由流体返混无因次方差σ2求出多釜串联模型参数ＮＮ=1…     

2,4,6-三磺酸基间苯二酚硝化——反应动力学与过程优化

采用管式反应器与间歇反应器串联的方式考察了2,4,6-三磺酸基间苯二酚(TSR)选择性硝化制备2-磺酸基-4,6-二硝基间苯二酚(DNRS)的过程。建立了三步串联硝化反应宏观动力学模型以及等温均相间歇反应器模型(BR),对实验数据进行优化拟合估计动力学参数:将获得的动力学参数应用于一维定态轴向扩散管式反应器模型(LM)中,并与实验值进行对比验证。结果表明,三步串联硝化反应的表观活化能分别为57.66,40.05,130.89 kJ/mol;轴向扩散降低了串联硝化反应中间产物的选择性及收率,目标产物DNRS的最大收率随着管式反应器管径的增加而减小。分析比较了LM模型与BR模型的计算结果,并对管式反应器的放大进行了模拟计算。研究结果可用于TSR硝化反应器的设计和过程的优化。     

管式反应器中苯乙烯连续本体热聚合过程模型化和数值模拟

建立了管式层流反应器中苯乙烯本体热聚合过程的模型。数值模拟了反应介质流速和温度沿反应器的轴向和径向的分布,考察了反应器的几何尺寸、壁温、反应介质入口温度和流量对反应器出口转化率和产物相对分子质量的影响。结果表明,反应器的几何尺寸和反应器壁温及进料质量流量对单体转化率影响较大,而入口温度影响不大。     

拟均相一级等温化学反应一维扩散模型的计算分析

本文以轴向扩散流模型模拟实际流动系统中的一级等温化学反应为例，导出了一维扩散流反应器中进行的相（或拟均相）一级等温化学反应时反应物浓度分布的解析解，并把采用牛顿一高斯数值方法所得的浓度分布的数值解与解析解进行比较，从而得出了牛顿一高斯法计算精确度的一般结论；进而讨论了在特定动力学参数的条件下，返混对反应器中浓度分布的影响，相应微机上的ＱｕｉｃｋＢＡＳＩＣ４．０程序已运行通过。     

泰勒流反应器的流动及反应特性

利用由静态混合器、喷嘴和分气盒组成的新型布气装置在搅拌釜式反应器中诱导生成泰勒流,对反应器流动特性及反应特性进行了实验研究。结果表明,与常规搅拌釜式反应器相比,泰勒流反应器内物料流动更加接近于平推流流型,泰勒流的生成在反应器内构建出局部平推流区域,降低了物料返混程度。反应器反应性能因流动特性改变而得以增强,相同实验条件下,在泰勒流反应器中进行的蔗糖水解反应转化率比在常规搅拌釜式反应器中高出26.7%。在一定操作范围内,局部平推流区域和反应转化率均随搅拌转速或进气量的增加而增大。泰勒流反应器可简化为平推流区和全混流区并联的流动模型,推导出了反应转化率与平推流区域占反应器总体积比率之间的关联关系。     

热等离子体裂解丙烷制乙炔数学模拟

为了对反应器的停留时间进行合理优化,将旋转弧等离子体反应器视为一维平推流反应器网络模型,结合裂解反应动力学模型与反应器流动模型,采用CHEMKIN-PRO对丙烷的裂解过程进行数值模拟,用于分析热等离子体反应器内丙烷的裂解过程中产物的浓度分布及温度分布情况。反应动力学模型分别采用均相反应动力学模型和非均相反应动力学模型。模拟结果表明,包含结焦模型的非均相反应动力学模型与实验结果表现出更好的一致性,随着反应器长度的增加,乙炔浓度存在最佳点。通过降低反应器的停留时间至1.0 ms以下,能有效提升C_2H_2收率。     

管式反应器中Casson流体层流停留时间分布

本文对管式反应器中Casson流体层流流动的停留时间分布进行了理论分析,导出了停留时间分布密度函数的精确数学模型和简化数学模型。在较宽的参数范围内,简化模型与精确模型吻合程度较好。还得出等温管式反应器中一、二级不可逆反应的转化率计算式,并对转化率作了计算和比较。     

固定床反应器中扩散反应问题的实验测定

为研究反应器尺度上的扩散反应问题，建立了一个可同时在轴向和径向进行温度和浓度测定的二维壁冷却式固定床反应器。选择３种操作条件进行了实验测定，利用所测实验数据对拟均相二维平推流模型进行了参数估计，发现按平推流模型得到的径向温度曲线在壁面附近同实验测定有很大偏差，本文认为是由于在颗粒大小不容忽视的条件下平推流假定过于简单之故。应当加以改进。     

管式固定床反应器多态的研究 Ⅱ.反应动力学对多态的影响

本文通过对具有轴向返混拟均相一维模型参数分析,研究了管式固定床反应器的多态问题。计算结果示出在非等温非绝热管式固定床反应器中在较宽的 Peclet 数范围内存在着3个定态。反应级数 L—H 机理的吸附平衡常数明显地影响反应器操作的多态范围。     

拟均相一级等温化学反应二维扩散模型的计算分析

本文考虑在平推流中只存在径向扩散的情况,据此建立了一级等温反应的拟均相二维模型;采用等距正交配点法和龙格－库塔法,计算了反应器中的浓度分布,并与解析解进行了比较;当配置点数ｐ＝５时,采用等距正交配点法计算的近似解较接近于解析解。相应微机上的Ｑｕｉｃｋ ＢＡＳＩＣ程序已运行通过。     

提升管和下行床在催化裂化过程中的比较

在综合考虑流动、反应、传质的基础上,建立了适用于模拟提升管和下行床反应器中催化裂化过程的二维返混模型,并利用正交配置法进行数值求解,得到了各产物在两种反应器内的不同浓度分布规律。这处结果源于两者流动结构和混合状况的差异。和提升管相比,由于下行床内的气固两相流动更接近平推流,气固速度和颗粒浓度径向分布均匀,气固轴向返混小,因而可得到更高的汽油收率。     

进行复杂一级反应的非等温管式反应器的计算

对于进行均相(或拟均相)复杂一级反应的非等温操作管式反应器的节塞流模型,提出了一种比较准确简捷的数值解法。当温度浓度分布对于参数和初值条件的变化较为灵敏时,这种方法的优点尤为突出。     

多级串联等体积全混流反应器与平推流反应器的等效性研究——以二级不可逆反应为例

在多级串联全混流反应器中针对二级不可逆反应,推导出第N级串级反应器的出口浓度表达式.为与平推流反应器进行比较,引人反应器的相对效率,在平推流反应器中一定的转化率条件下,考察反应速率常数和反应物初始摩尔比大于1的情况下对串联级数的影响.通过实例计算,得出随着相对效率的增大,串联反应器级数随之增大.而当串联级数达到5时,相...     

基于CFD模拟的甲烷裂解太阳能管式反应器结构优化

太阳能裂解甲烷具有产物纯度高且环保的优点。对湍流条件下的甲烷高温裂解太阳能管式反应器进行计算流体力学（CFD）模拟,为提高太阳能甲烷裂解反应器的转化率,通过调节反应器结构对流场进行优化。为了更加准确计算太阳能辐射的加热效应,在湍流反应扩散模型中引入碳颗粒的生成和聚集模型,并采用离散坐标（DO）模型进行辐射模型求解。然后,在太阳能管式反应器中引入射流及挡板进行流场调节,并对挡板高度、射流流速及角度进行优化,达到强化反应过程的目的。优化后的反应器中,甲烷转化率可以提高约8%。以反应转化率和代表强化成本的黏性耗散为指标,筛选出不同离散条件下的Pareto最优解,并用支持向量机回归（SVR）算法对离散的Pareto最优解进行插值,得到操作曲线和与之相对应的最优射流角度及流速。     

吸附反应器动态特性的研究

针对反应速率方程为γ_A=k_1c_A~m-k_2c_B~n的非瞬时可逆均相反应A(?)vB、液相反应或浓度很稀的气相反应和反应物A或产物B瞬时非线性Langmuir吸附的情况,研究了反应和吸附相结合的吸附反应器之动态特性.建立了平推流固定床吸附反应器的动态模型,通过数值解法获得了反应物阶跃和方波输入时,吸附反应器出口的动态响应曲线.研究结果表明,吸附反应器无需附加净化步骤就能获得高纯度的产物;吸附反应物时,反应转化率降低,吸附产物时,反应转化率提高.并讨论了吸附平衡常数和反应速率常数对吸附反应器性能的影响.     

填料塔液相混合的研究(Ⅱ)二维扩散模型

在对示踪剂采取连续点源稳态注入条件下,本文对同时考虑液相轴向和径向混合的二维扩散模型进行了求解.模型参数用非线性规划的最优化方法根据在1米直径填料塔中得到的二维停留时间分布的数据进行估计,得到了分别计算液相轴向和径向Peclet准数的无因次回归方程.     

管式填料床反应器内的湍流微观混合研究

采用碘化物-碘酸盐平行竞争反应体系研究了管式填料床反应器内的湍流微观混合.通过沿程取样分析来考察离集指数(Xs)沿反应器轴向位置的分布.实验结果表明,反应物在管式填料床反应器内的离集主要发生在反应物开始相遇的区域且随着流速的增加离集状况得到明显改善.在实验基础上,采用团聚(Incorporation)模型计算得到管式填料床反应器的微观混合时间tm在1×10-3s到4×10-3s之间,明显小于搅拌槽反应器内的微观混合时间.相对于搅拌槽反应器,管式填料床反应器更适合于快速反应.同时研究表明,丝网填料的加入能提高微观混合效率.     

稀土异戊橡胶的连续溶液聚合

<正>中国石化北京化工研究院近期开发出一种稀土异戊橡胶的连续溶液聚合方法。在溶剂存在和溶液聚合反应条件下,将异戊二烯单体与稀土催化剂在至少2个串联的反应器内进行接触反应,其中第1反应器为全混釜反应器,其他为平推流反应器。使用该方法所制备稀土异戊橡胶具有更高的顺式-1,4-结构含量、更高的数均分子量以及更低的分子量分布指数,同时由于所用平推流反     

用非等温固定床反应器研究多相催化反应宏观动力学

以工业银催化剂上乙烯环氧化反应为模型反应,探讨了用非等温固定床反应器研究多相催化反应宏观动力学的方法。根据不同条件下测得的床层轴向温度分布及反应器出口转化率和收率,用广义高斯—牛顿法对常微分方程组中的动力学参数进行估值,得到了较满意的结果。     

芳烃催化加氢交叉流反应器模型

提出了一种抗硫中毒的芳烃加氢催化反应器模型,称之为交叉流反应器模型,把反应物料分为两股,其中含有噻吩的乙苯物料采用轴向连续流动方式由反应器进口进入催化剂床层,而氢气由铅直导管直接进入催化剂床层中,然后与乙苯物料混合。在氢气导管出口处形成含硫乙苯浓度低而氢气浓度高的特殊区域,因而硫对催化剂的中毒效应大幅度降低,整体上提高了乙苯加氢饱和反应效率。与传统轴向混合流反应器进行比较,在相同条件下交叉流反应器具有更好的整体加氢反应性能。分别建立了交叉流反应器与传统轴向混合流反应器模型,提出了两种反应器的催化反应转化率方程;利用此转化率方程,对实验数据进行处理,得到动力学参数,模型的计算结果与实验数据相吻合,也验证了在交叉流反应器中,硫的中毒效应明显减弱。