4第四章 反应器中的混合对反应的影响PPT演示课件

第四章反应器中的混合对反应的影响,第一节连续反应器中物料混合状态分析第二节停留时间分布的测定及其性质第三节非理想流动模型第四节混合程度及对反应结果的影响第五节非理想流动反应器的计算,1,第一节连续反应器中物料混合状态分析,按混合对象的年龄可以把混合分成两种：（1）同龄混合：相同年龄物料之间的混合（2）返混：不同年龄物料之间的混合按混合尺度的大小混合也可分为两种类型：宏观混合：设备尺度上的混合微观混合：物料微团尺度上的混合,2,第一节连续反应器中物料混合状态分析,混合的机理总体流动：搅拌器旋转时使釜内液体产生一定途径的循环流动设备尺度上的宏观均匀高速旋转的旋涡与液体微团产生相对运动和剪切力更小尺度上的均匀分子扩散微团最终消失微观均匀,3,第一节连续反应器中物料混合状态分析,提高混合效果的措施：消除打旋现象：,4,第一节连续反应器中物料混合状态分析,提高混合效果的措施：加设导流筒,螺旋式涡轮式,5,第一节连续反应器中物料混合状态分析,搅拌器的型式高转速搅拌器1、螺旋桨式搅拌器,螺旋桨式搅拌器的总体循环流动推进式三叶片式,6,2、涡轮式搅拌器,第一节连续反应器中物料混合状态分析,涡轮式搅拌器的总体循环流动a-直叶圆盘涡轮b-弯叶圆盘涡轮c-直叶涡轮d-折叶涡轮e-弯叶涡轮,7,大叶片低转速搅拌器1、桨式搅拌器2、框式和锚式搅拌器3、螺带式搅拌器,a-锚式bc-框式d-螺带式,8,第一节连续反应器中物料混合状态分析,4-2连续反应过程的考察方法不同的凝聚态，宜采用不同的考察方法一、以反应器为对象的考察方法二、以反应物料为对象的考察方法,9,第二节停留时间分布的测定及其性质,停留时间分布的数学描述停留时间分布的实验测定几种流型的停留时间分布函数与分布密度停留时间分布的应用,10,停留时间分布的数学描述,一、分布密度与分布函数全混流反应器：机械混合最大逆向混合最大返混程度无穷大平推流反应器：机械混合为零逆向混合为零返混程度等于零间歇反应器：机械混全最大逆向混合为零返混程度等于零反应器内的返混程度不同停留时间不同浓度分布不同反应速率不同反应结果不同生产能力不同非理想流动反应器：介于两种理想情况之间停留时间是随机变量，因此停留时间分布是一种概率分布。,11,停留时间分布的数学描述,停留时间（寿命）的概念？例：在连续操作的反应器内，如果在某一瞬间（t=0）极快地向入口物流中加入100个红色粒子，同时在系统的出口处记下不同时间间隔流出的红色粒子数，结果如下表。如果假定红色粒子和主流体之间除了颜色的差别以外，其余所有性质都完全相同，那么就可以认为这100个粒子的停留时间分布就是主流体的停留时间分布。,12,停留时间分布的数学描述,以时间t为横坐标，出口流中红色粒子数为纵坐标，将上表作图：,若以停留时间t为横坐标，为纵坐标作图，则每一个长方形的面积为即表示停留时间为tt+t的物料占总进料的分率。,13,停留时间分布的数学描述,假如示踪剂改用红色流体，连续检测出口中红色流体的浓度，如果将观测的时间间隔缩到非常小，得到的将是一条连续的停留时间分布曲线。,E(t),tt+dtt,图中曲线下微小面积E(t)dt表示停留时间在t和t+dt之间的物料占t=0时进料的分率。,14,15,停留时间分布的数学描述,停留时间分布密度E(t):同时进入反应器的N个流体质点中，停留时间介于t与t+dt间的质点所占分率dN/N为E(t)dt。E(t)曲线下的全部面积代表不同停留时间的物料占进料分率的总和。E(t)归一停留时间分布函数F(t):停留时间0-t范围内的物料（停留时间小于t的质点）占进料的分率。有：t=0,F(t)=0,t=,F(t)=1,F(t)是单调增函数,16,停留时间分布的数学描述,在某一时间t时，E(t)和F(t)之间的关系为：,17,停留时间分布的数学描述,二、停留时间分布的数字特征研究不同流型的停留时间分布，通常是比较它们的统计特征值。常用的特征值有两个：数学期望平均值方差离散程度平均停留时间它是指整个物料在设备内的停留时间，而不是个别质点的停留时间。不管设备型式和个别质点的停留时间，只要反应体积与物料体积流量比值相同，平均停留时间就相同。,18,停留时间分布的数学描述,数学期望：所有质点停留时间的“加权平均值”E(t)dt=dF(t)F(t)：所有停留时间为0t的质点所占的分率F(t+dt)：所有停留时间为0t+dt的质点所占的分率dF(t)=F(t+dt)-F(t)dF(t)：所有停留时间为tt+dt的质点所占的分率,19,停留时间分布的数学描述,对于离散型测定值，可以用加和代替积分值在等时间间隔取样时：,20,停留时间分布的数学描述,方差：各个物料质点停留时间t与平均停时间差的平方的加权平均值。方差是停留时间分布离散程度的量度方差越小，越接近平推流对平推流，各物料质点的停留时间相等，故方差为零。,21,停留时间分布的数学描述,如果是离散型数据，将积分改为加和：取样为等时间间隔时：,22,停留时间分布的数学描述,对比时间（无因次时间）：平均对比时间：停留时间为t时，因此，和t一一对应，且有：F（）=F（t），此时：归一性：,23,停留时间分布的数学描述,用表示的方差：,24,停留时间分布的实验测定,描述停留时间分布的两个函数：,应答技术：用一定的方法将示踪剂加到反应器进口，然后在反应器出口物料中检验示踪剂信号，以获得示踪剂在反应器中停留时间分布的实验数据。,选择示踪剂的原则,测定常用方法：脉冲法阶跃法,25,脉冲法,方法概述使物料以稳定的流量V通过体积为VR的反应器，然后在某个瞬间t=0时，用极短的时间间隔t0向物料中注入浓度为C0的示踪剂，并保持混合物的流量仍为V，同时在出口处测定示踪剂浓度C随时间t的变化。,26,脉冲法,C0t0C0Ct=0t0t脉冲注入出口应答,数学表达式p,27,脉冲法,设t0时间内注入示踪剂的总量为M（mol），出口处浓度随时间变化为C(t)，在示踪剂注入后tt+dt时间间隔内，出口处流出的示踪剂量占总示踪剂量的分率：若在注入示踪剂的同时，流入反应器的物料量为N，在注入示踪剂后的tt+dt时间间隔内，流出物料量为dN，则在此时间间隔内，流出的物料占进料的分率为：,28,脉冲法,示踪剂的停留时间分布就是物料质点的停留时间分布，即：因此：有：只要测得V，M和C（t），即可得物料质点的分布密度。,29,30,脉冲法,由于M=VC0t0，C0及t0难以准确测量，故示踪剂的总量可用出口所有物料的加和表示：因此，利用脉冲法可以很方便的测出停留时间分布密度。（t）？P（）,31,阶跃法,方法概述使物料以稳定的流量V通过体积为VR的反应器，自某个瞬间（t=0时）起连续不断地加入某种浓度为C0的示踪剂，并保持流量不变，同时开始测定出口处示踪剂浓度随时间的变化。停留时间分布,32,阶跃法,C(t)C(t)C0C00t0t阶跃注入出口应答,33,阶跃法,由图可知，在t=0时，C=0；t，CC0时间为t时，出口物料中示踪剂浓度为C(t)，物料流量为V，所以示踪剂流出量为VC(t)，又因为在时间为t时流出的示踪剂，也就是反应器中停留时间小于t的示踪剂，按定义，物料中停留时间小于t的粒子所占的分率为F(t)，因此，当示踪剂入口流量为VC0时，出口流量VC0F(t)，所以有：因此，用此法可直接方便地测定实际反应器的留时间分布函数。,34,脉冲法和阶跃法的比较,35,几种流型的停留时间分布函数与分布密度,活塞流模型全混流模型,36,几种流型的停留时间分布函数与分布密度,活塞流所有物料质点的停留时间都相同，且等于整个物料的平均停留时间tm，停留时间分布函数与分布密度为：由方差定义，,37,38,39,40,几种流型的停留时间分布函数与分布密度,全混流设进行阶跃注入实验，反应器的容积为VR，物料的体积流量为V，达到稳态后，从t=0开始，将进料切换为含示踪剂浓度为C0的物料，在切换后某dt时间内，对全釜作物料衡算：进入的示踪剂量=流出的示踪剂量+示踪剂的积累量,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,几种流型的停留时间分布函数与分布密度,非理想流动模型层流模型轴向扩散模型多级串联全混流模型组合模型,51,停留时间分布的应用,确定模型参数m或Pe用多级串联全混流模型或轴向扩散模型模拟实际反应器中的流动状况，关键是确定串联的级数m或Pe，m或Pe又与方差有关，因此，可以通过实验确定停留时间分布，进而计算方差，m或Pe，然后求得转化率。定性分析流动状况活塞流全混流定量分析流动状况实际反应器中可能存在短路与死角，使实际的平均停留时间不等于VR/V，因此可以得用停留时间分布来定量估算死角与短路的程度。,52,停留时间分布密度与停留时间分布函数,停留时间分布密度E(t)：同时进入反应器的N个流体质点中，停留时间介于t与t+dt间的质点所占分率dN/N为E(t)dt。这里的E(t)就是停留时间分布密度停留时间分布函数F(t)：停留时间0-t范围内的物料（停留时间小于t的质点）占进料的分率。,53,示踪剂的选取原则,示踪剂不应与主流体发生反应除了显著区别于主流体的某一可检测性质外，示踪剂应和主流体应尽可能具有相同的物理性质，且两者易于溶为一体。示踪剂浓度很低时也能够检测用于多相系统检测的示踪剂不发生相间的转移示踪剂本身应具有或易于转变为电信号或光信号的特点,54,第三节非理想流动模型,实际反应器中的流动状况总是偏离理想流动很难建立其真实方程可以先建立一种非理想流动模型，用它来描述实际反应器中的流动情况再通过对模型参数估值来确定偏离理想流动的具体程度常用的模型主要有：,55,轴向混合模型,对实际反应器，处理时在平推流的基础上迭加一个轴向混合来进行校正。适合于不存在死角、短路和循环流、返混程度较小的非理想流动模型。模型参数是轴向混合弥散系数EZ，停留时间分布可表示为EZ的函数。Peclet准数：数学期望=1方差对一级不可逆反应，转化率可表示为：,56,多釜串联模型,用几个等体积的全混流反应器串联来模拟实际反应器中的流动状况。假设实际反应器中的返混程度与m个等体积的全混流反应器串联时相同，m是虚拟釜数，不一定是整数。每一级的停留时间ti=tm/m。模型参数为串联级数m。方差m=1时，即为全混流模型m=时，即为平推流模型对一级不可逆反应，转化率可表示为：,57,58,三、多级串连全混流模型,假定每级内为全混流模型，级间无返混，每级的容积为VR。,每级反应器内停留时间分布函数,可由物料衡算求取。,以二级串连全混流为例,对第二级反应器作物料衡算：,进入量流出量+累积量,初始条件：(1)当t=0，C0(0)=1(2)当t=0，C2(0)=0,作业,59,由于,其中：,单个反应器的平均停留时间,解此一阶线性微分方程：,作业,60,用同样方法求出其它反应器的停留时间分布函数。,以无因次时间表示的停留时间分布密度函数为,其中：,作业,61,即,其中：m为模型参数，求出模型参数后，即可求转化率。,作业,62,图4-9多级串联全混流反应器停留时间分布函数与分布密度,作业,组合模型,适用于上述两种模型不能很好表达的情况将实际反应器的流动情况设想为平推流、全混流、死区、短路、循环流等部分组成组合模型的几种典型例子：,63,第五节非理想流动反应器的计算,例1、某反应器的体积为12L，物料以0.8L/min的流量流过反应器，在反应器中进行液相分解反应，动力学方程为rA=kcA，k=0.307min-1，=15min，停留时间分布的方差为0.211，试用轴向混合模型和多釜串联模型计算出口转化率。解：（1）用轴向混合模型,64,第五节非理想流动反应器的计算,（2）用多釜串联模型,65,第五节非理想流动反应器的计算,例2、某全混流反应器VR=1m3，流