化学反应工程原理反应过程中的混合现象及其对反应的影响省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第六章第六章 非理想反应器和非理想反应器和反应过反应过程中混合现象程中混合现象重点重点：停留时间分布定义、物理意义、测试方法停留时间分布定义、物理意义、测试方法 停留时间分布数字特征及其应用停留时间分布数字特征及其应用 非理想流动模型及其在实际反应器计算中应用非理想流动模型及其在实际反应器计算中应用 停留时间分布应用于连续釜式反应器中固相反应停留时间分布应用于连续釜式反应器中固相反应 微观混合对反应结果影响微观混合对反应结果影响1第1页n理想状态反应器nBR物料含有相同停留时间，无返混nPFR物料含有相同停留时间，无返混nCSTR物料含有停留时间分布，返混最大n非理想反应器工业反应器n 特点：偏离理想状态，存在返混概述概述2第2页n 描述非理想反应器三个要素：n停留时间分布n混合程度n反应器模型n非理想流动反应器研究思绪：n首先考虑反应器流动模型，将其近似为PFR和CSTRn非理想流动，需要考虑宏观混合和微观混合n停留时间分布3第3页nA按混合对象年纪分：n相同年纪物料之间混合同龄混合，如BRn不一样年纪物料之间混合返混，如CSTR n年纪n物料在反应器中已停留时间，针对在反应器中物料而言。6.1 6.1 混合现象分类混合现象分类4第4页n物料混合均匀程度与考查混合尺度相关5第5页nB.按混合尺度大小分：n宏观混合指设备尺度上混合现象n CSTR使物料在设备尺度上到达混合n PFR使物料在设备尺度上无任何混合n微观混合指物料微团尺度上混合现象n微团之间完全均一混合状态均相反应n微团之间完全不混合状态固相反应n介于中间混合状态互不相溶液液反应6第6页6.2.1 停留时间分布表示 物料在反应器内停留时间长短随机 物料在反应器内停留时间分布随机n随机函数表示方式n停留时间分布密度(t)、E(t)n停留时间分布函数F(t)6.2 6.2 停留时间分布及其性质停留时间分布及其性质7第7页n定义：nt=0时瞬间流入反应器物料中，停留时间介于t与t+dt之间物料所占分率为(t)dt。n归一化性质：1.停留时间分布密度(t)8第8页2.停留时间分布函数F(t)n定义nt=0瞬间流入反应器物料中，停留时间小于t物料所占分率。n由定义可知：0.840min9第9页3.(t)和F(t)关系F(t)t(t)曲线上t时值 F(t)曲线上对应点斜率图中阴影面积 F(t)10第10页小结小结n停留时间分布表征了发生在化学反应器内物料混合特征。n f(t)是指出口处物料停留时间分布密度n在分析反应器特征时，f(t)是最有用参数，它描述了反应物流参加化学反应时间长短11第11页6.2.2 停留时间分布试验测定n方法应答技术n用一定方法将示踪物加入反应器进口，然后在反应器出口物料中检测示踪物信号，以取得示踪物在反应器中停留时间分布规律试验数据。n示踪物输入方法n阶跃法；脉冲法。12第12页n示踪物基本要求n示踪物与进料含有相同或非常靠近流动性质和物理性质；n示踪物含有易于检测特殊性质如光学、电学、化学或放射性；n示踪物不能与物料发生化学反应或被吸附；n用于多相系统检测示踪物不发生由一相转移到另一相情况。13第13页1.脉冲法n当反应器中流体到达定态流动后，在某个极短时间内，将示踪物脉冲注入进料中，然后分析出口流体中示踪物浓度随时间改变，以确定停留时间分布。反应器检测器示踪物脉冲输入脉冲输入出口响应出口响应14第14页设：物料流量v 脉冲注入示踪物总量Q 出口处示踪物浓度C（t）当t=时，加入系统中示踪物全部离开15第15页停留时间介于tt+dt之间示踪物量用脉冲法可测得停留时间分布密度函数用脉冲法可测得停留时间分布密度函数(t)(t)16第16页n流体到达定态流动后，自某瞬间起连续加入示踪物流，然后分析出口流体中示踪物浓度随时间改变，以确定停留时间分布。2.阶跃法17第17页 设：混合物流量=v 出口物料中示踪物浓度=C（t）示踪物流出量=vC（t）依据F（t）定义：出口处停留时间100s物料在总进料中所占分率。n解：（1）0100s【例】37第37页（2）90110s 停留时间在90100s间物料所占分率为：F(110)F(90)0.6670.5930.074（3）停留时间在100s物料所占分率为：1F(100)10.6320.36838第38页PFR和CSTR串联反应器停留时间分布（对百分比6-2）nCSTRCSTR在前，在前，PFRPFR在后在后，在CSTR中停留时间为 ，在PFR中停留时间为 。用脉冲法在CSTR入口注入示踪剂，则在CSTR出口处浓度随时间改变关系为：则整个反应器体系f(t)为：0ttPFRPFR在前，在在前，在CSTRCSTR后情况后情况39第39页6.3 非理想流动模型.q 停留时间分布与返混不是一一对应关系，经过模型方法停留时间分布与返混不是一一对应关系，经过模型方法处理工业反应器中返混影响处理工业反应器中返混影响q 工业反应器计算：工业反应器计算：依据实际流动情况选择合理简化流动模型，并用数学方依据实际流动情况选择合理简化流动模型，并用数学方法关联返混与停留时间分布定量关系，然后经过试验测定法关联返混与停留时间分布定量关系，然后经过试验测定停留时间分布来检验选择模型正确程度，确定模型参数，停留时间分布来检验选择模型正确程度，确定模型参数，最终结合反应动力学来预计反应结果最终结合反应动力学来预计反应结果q 模型法：经过对复杂过程分析，进行合理简化，用一定模型法：经过对复杂过程分析，进行合理简化，用一定数学方法给予描述，使其符合实际过程规律性，然后加以数学方法给予描述，使其符合实际过程规律性，然后加以求解求解 40第40页n数学模型方法基本精神n简化，简化到能作简单数学描述；n等效性，简化模型等效于考查对象；n模型参数愈少愈有效。n理想反应器模型nPFR；CSTR。n实际反应器模型n扩散模型；多釜串联模型。41第41页 6.3.1 扩散模型n基本假定（De为模型参数）n与流动方向垂直每一个截面上含有均匀径向浓度；n在每一个截面上流体速度和扩散系数均为一恒定值；n物料浓度是流体流动距离连续函数。返混较小42第42页n取dl微元段作物料衡算（无反应）：微元内累积量：进入微元量：离开微元量：43第43页整理后得：写成无因次形式：扩散模型扩散模型无因次扩散模型无因次扩散模型44第44页式中：彼克列（Peclet）准数Pe意义：n轴向对流流动与轴向扩散流动相对大小。nPe，轴向返混程度。45第45页扩散模型停留时间分布密度曲线扩散模型停留时间分布密度曲线46第46页.较小时（较小时（0.01），可解得：），可解得：模型模型 求解：求解：在一定边界条件下，可解得方差与在一定边界条件下，可解得方差与PePe关系：关系：当试验取得当试验取得f(t)f(t)，即可计算出即可计算出 ，从而求出，从而求出PePe和模型参和模型参数数DeDe 47第47页6.3.2 多级全混流模型n用N个等体积全混流反应器串联来模拟实际反应器，N为模型参数n特点：nN个CSTR总体积实际反应器体积nN个CSTR总平均停留时间实际反应器停留时间n每一级平均停留时间为：48第48页 依据对示踪物物料衡算，可推导得到多级全混流模型(t)为：49第49页方差：经过停留时间分布曲线经过停留时间分布曲线f(t)f(t)可求方差，从而可求取模型可求方差，从而可求取模型参数参数NN50第50页6.4 非理想流动反应器计算n实际流动反应器计算方法：n确定模型试验测得(t)求取模型参数计算反应结果51第51页6.4.1 多级全混流模型反应器计算确定模型(t)N 多级全混流模型：多级CSTR串联：(n1，等VRi，等T)52第52页6.4.2 6.4.2 轴向扩散模型反应器计算轴向扩散模型反应器计算n对微元作物料衡算得：无因次参数表示53第53页边界条件：54第54页一级反应可得显式解其中：55第55页扩散模型一级反应 扩散模型二级反应 计算线图 计算线图56第56页.例例 脉脉冲冲法法试试验验测测得得某某反反应应器器出出口口流流中中示示踪踪剂剂浓浓度度改改变以下：变以下：t(min)0 5 10 15 20 25 30 35 t(min)0 5 10 15 20 25 30 35 C(t)(g/l)0 3 5 5 4 2 1 0C(t)(g/l)0 3 5 5 4 2 1 0求：求：平均停留时间；平均停留时间；若若用用多多级级釜釜模模型型描描述述此此反反应应器器内内流流体体，在在其其中中进进行行液液相相反反应应AA产产物物，(-(-r rA A)=kC)=kCA A ,k=0.1 k=0.1 min min,转转化化率率为多少为多少?若把此反应器看作若把此反应器看作PFRPFR，在其中进行一样反应在其中进行一样反应,求求 x xAf Af=?=?57第57页t/min05101520253035CA/g.L-1 0 3 5 5 4 2 1 0=5/3C(0)+4C(1)+2C(2)+4C(3)+2 C(4)+4C(5)+2 C(6)+C(7)=5/30+4(3+5+2)+2(5+4+1)=100 g.min/L0 1 2 3 4 5 6 7f(t)00.030.050.050.040.020.010 F(t)00.0750.2750.5250.7500.9000.9751.0F(5)=5/2f(0)+f(1)=5/20+0.03=0.075F(10)=5 f(0)+f(2)/2+f(1)=5 0+0.05/2+0.03=0.27558第58页.解：解：，t/min05101520253035C（t）0355421020E（t）/min-100.030.050.050.040.020.0100.2t.E（t）00.150.50.750.80.50.30359第59页.n2）60第60页.t 0 5 10 15 20 25 30 35 C（t）0 3 5 5 4 2 1 0 20E（t)0 0.03 0.05 0.05 0.04 0.02 0.01 0 0.2t.E（t）0 0.15 0.5 0.75 0.8 0.5 0.3 0 3t2.E(t)0 0.75 5 11.25 16.0 12.5 9.0 0 54.5 61第61页.液相反应液相反应：62第62页.3）PFR中，中，63第63页作作 业业 P165 6-1、6-7 P166 6-9 64第64页