chap-3-非理想流动反应器VIP

1,3非理想流动反应器,3.1概述理想反应器长直流管式反应器PFR，无返混连续搅拌反应器CSTR，完全返混,实际反应器流体元流体流动时独立存在的最小单元流体流动：流速分布；扩散；对流等设备设计：短路；死区；（沟流）停留时间分布：r部分返混,与流体输送有关的基本原理，称为“流体流动”,2,（一）基本概念,年龄：物料（质点）从进入反应器开始，目前已经在反应器内逗留的时间（仍旧未离开反应器）停留时间：物料（质点）从进入反应器开始，到离开反应器为止，在反应器中总共逗留的时间。这个时间也就是质点的寿命混合、返混（Backmixing）及其区别停留时间分布研究的主要应用诊断型；设计型,3,（二）返混对反应过程的影响,停留时间分别为t1和t2物料混合的反应速率不等于两者反应速率的平均值，即：,4,3.2流体在反应器内的停留时间分布,（三）按返混程度对反应器分类完全不返混反应器（PFR）完全返混反应器（CSTR）部分返混反应器,定量描述引入概率论的方法物料在反应器中的逗留时间（年龄）分布是一个随机过程，可用相应概率分布规律函数定量描述,5,定量描述引例：假设有一个如图所示的连续流动反应器，考察一个小的流体团A，流入反应器后如何流出,6,7,如果将所有t时间中流出的nA全部叠加，得到的就是nA0，因此有：,而将截止到t时刻之前所流出的A的分率表示为F(t)，称停留时间分布函数。,反过来说：,8,3.2.1停留时间分布的定量描述,（1）停留时间分布函数（概率函数）物理意义：在定态和不发生化学反应时，流过反应器的物料中，停留时间小于t的物料占总流出物的分率,9,（2）停留时间分布密度函数（概率密度函数）物理意义：在定态和不发生化学反应时，流过反应器的物料中，停留时间介于t和t+dt之间的物料占总流出物的分率,10,（3）平均停留时间（数学期望）,（4）离散度（方差）物理意义：表示随机变量与其平均值之间的偏离程度,11,3.2.2以对比时间作自变量的停留时间分布,以对比时间为自变量表示的停留时间分布规律,对比时间的定义：,12,两种停留时间分布规律之间的相互关系,13,3.2.3停留时间（RTD）的实验测定,输入示踪物为激励输出示踪物为响应,回忆：雷诺数与流体流动类型的相互关系（红墨水实验）停留时间实验测定目的：判定反应器内流体的流动状态方法：示踪应答技术（激励响应）,对示踪物的要求：与被测流体互溶，且无化学反应；示踪剂不易发生相转移；加入示踪剂不影响流型；易于检测；无害且价廉。,14,示踪物加入方法阶跃注入法脉冲注入法周期注入法,15,（1）阶跃示踪法,瞬间突然改变示踪剂的浓度并保持下去。,16,应答（响应）：t时刻流出的物料中的示踪剂为两部分组成，一部分是t=0时刻之前进入的，另一部分是t=0时刻之后进入的,17,如果阶跃输入前物料中不含示踪物时，则,18,例题3-1,测定某一反应器停留时间分布规律，采用阶跃示踪法，输入的示踪剂浓度c0=7.7kgm-3，在出口处测定响应曲线如表所示。求在此条件下F(t)，E(t)及与值。,19,20,21,22,（2）脉冲示踪法,23,示踪物衡算：在t0时间间隔内向流量为V的流体中加入总量为m的示踪物，则,24,例题3-2,在稳定操作的连续搅拌式形反应器的进料中脉冲注入染料液(m=50g)，测出出口液中示踪剂浓度随时间变化关系如表所示。请确定系统的F(t)，E(t)曲线及，值。,25,解：本实验采用脉冲示踪法，测定的时间间隔相同(t=120s)，计算式为：,26,计算结果：,27,28,3.2.4理想反应器的停留时间分布规律,PFR激励与响应过程的物理描述：,29,CSTR激励与响应过程的物理描述：,30,激励过程的数学描述：,31,CSTR以阶跃示踪法为例,32,PFR和CSTR停留时间分布规律的对比,33,34,3.3非理想流动模型,用来描述介于两种理想状况之间的流型，并通过对流型的描述，预计在非理想流动状态下的反应结果。将流型与化学反应联系起来，预计反应体积、处理量、转化率等之间的关系。介绍三种模型：凝集流模型、多级串联槽模型和轴向扩散模型。,35,3.3.1凝集流模型,基础物理模型：间歇反应器基本假定：流体以流体团的方式流过反应器，且彼此之间不发生混合；每个流体团相当于一个小反应器；由于返混的作用，每个流体团在反应器内的停留时间不同，达到的转化率因而不同，在反应器出口处的宏观转化率，就是各不同停留时间的流体团达到的转化率的平均值。,36,3.3.1凝集流模型,实际反应器与B.R.的关联：每个流体团都作为一个间歇反应器，它的反应时间由停留时间分布决定。而流体团在停留时间内达到的转化率由反应动力学决定。最后，将二者结合起来，在出口处加权平均，得到最终转化率模型实质：相当于若干间歇反应器的并联，将非理想流动对反应的影响明显化了。,37,凝集流模型的数学描述,38,39,40,3.3.2多级串联混合槽模型,基础物理模型：CSTR基本假定：反应器是由若干大小相等的全混流反应器串联而成；各全混流反应器之间不存在返混，输送管道内不发生化学反应；定常态操作。模型实质：以停留时间分布为纽带，通过若干个串联CSTR反应器的行为分析逼近非理想反应器。,41,多级串联混合槽模型计算：,42,各级CSTR反应器停留时间分布规律的计算,1基础衡算方程：2以阶跃输入法测定停留时间分布，则在时间t时对第i个反应器的示踪物进行物料衡算可得：,3设每个CSTR的容积均为VRi，则N个CSTR的总容积为NVRi,43,4对第一级CSTR,5对第二级CSTR,44,6对第三级CSTR,N以此类推，对N级CSTR出口流体中的示踪物浓度为：,45,各级CSTR停留时间分布规律的计算,46,47,1N=1，全混流2N=，平推流3N等于某一值，意味着该反应器的返混程度相当于N个理想混合反应器的串联-等效关联。4N只是一个虚拟值，因此，N可以是整数也可以是小数。5停留时间分布密度函数的散度为槽数的倒数。,48,多级混合槽模型的应用,49,3.3.3轴向扩散模型,基础物理模型：PFR基本假定：主体流动为平推流，但叠加一涡流扩散；涡流扩散遵循费克扩散定律且在整个反应器内扩散系数为常数；定常态操作。费克扩散定律(Fickslaw),50,在有化学反应时对反应物做物料衡算：,PFR+轴向扩散,51,整理得：,52,53,开式边条：边界处与反应器内流动型态没有突变闭式边条：边界处与反应器内流动型态存在突变,开开，开闭，闭开，闭闭。反应器内有返混，如边界处有返混，则为开式边界条件，若边界处没有返混，则为闭式边界条件,54,开开式边界条件下的解,55,56,57,通过扩散模型求转化率,定常态下，由基础方程,简化得,58,59,对一级不可逆反应，有解析解,60,解题步骤：,61,试用轴向扩散模型中的开-开式边值条件及闭-闭式边值条件计算例3-3中反应器出口物料的转化率。解：本题中:,例3-6,62,按开-开式边值条件：计算值,63,计算出口转化率,64,按闭-闭式边值条件,65,本例题若按平推流反应器计算，其出口转化率将是：按全混釜式反应器计算其出口转化率，将是：,66,67,3.4均相反应过程的模型法计算小结,实验室试验,小型试验,中间试验,化学模型,物理模型,工厂设计,化学反应器模型的建立程序,68,均相反应过程模型法研究步骤,3.4.1小试研究反应规律反应类型、产物分布、化学计量关系、动力学规律等。奠定合理选择反应器类型及反应器设计计算基础3.4.2根据化学反应规律合理选择反应器类型从反应类型（单一、自催化、可逆、平行和连串反应）和动力学出发初步确定反应器类型3.4.3大型冷模试验研究传递过程规律均相反应：以停留时间分布规律归纳描述,69,3.4.4反应器设计计算综合反应规律和传递规律定量计算BRorPFR散度值为零2=0不存在返混CSTR散度值为12=1完全返混实际反