反应器中的混合对反应的影响
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编辑ppt概述概述返混定义返混定义理想置换反应器理想置换反应器（PFR）理想混合反应器理想混合反应器（CSTR）两种流体流动极两种流体流动极限模型反应器限模型反应器物料在反应物料在反应器中的混合器中的混合在空间上的混合在空间上的混合在时间上的混合在时间上的混合这种混合过程这种混合过程简单混合简单混合返混返混2编辑ppt理想反应器的流动模式理想反应器的流动模式 - - 平推流平推流 和和 全混流。全混流。 间间歇歇釜釜全全混混釜釜u=const平推流平推流理想的平推流和间歇釜停留时间均一，无返混。理想的平推流和间歇釜停留时间均一，无返混。 全混釜反应器的返混无穷大，出口物料停留时全混釜反应器的返混无穷大，出口物料停留时间分布与釜内物料的停留时间相同。间分布与釜内物料的停留时间相同。 3编辑ppt4编辑ppt实际反应器流动形式的复杂性实际反应器流动形式的复杂性u沟流沟流回流回流存在速度分布存在速度分布 存在死区和短路现象存在死区和短路现象 存在沟流和回流存在沟流和回流偏离理想流动模式，反应结果与理想反应器的计算偏离理想流动模式，反应结果与理想反应器的计算值具有较大的差异。值具有较大的差异。 DeadzoneShortcircuiting5编辑ppt实际流动与实际流动与PF的偏离的偏离(轴向返混轴向返混)1.并行流存在速度分布并行流存在速度分布2.存在分子热运动存在分子热运动DistributionH2空气TT0热反馈QEddy涡流DispersionVLaminar6编辑ppt实际流动与实际流动与CSTR的偏离的偏离短路短路活塞流活塞流滞流滞流离子反应离子反应 非CSTR胃曝气池曝气池 生化反应生化反应CSTR7编辑ppt影响反应结果的三大要素：影响反应结果的三大要素：a)停留时间分布（停留时间分布（residencetimedistribution,RTD）b)凝集态（凝集态（stateofaggregation）c)早混或迟混（早混或迟混（earlinessandlatenessofmixing）RTD对反应的影响对反应的影响注入注入检测检测8编辑ppt平均停留时间为平均停留时间为实际停留时间实际停留时间ti不尽相同，转化率不尽相同，转化率x1, x2, , x5亦不相同。亦不相同。出口转化率应为出口转化率应为5个质点转化率的平均值，即个质点转化率的平均值，即InjectionDetection9编辑ppt聚集态的影响聚集态的影响理想反应器假定混合为分子尺度，实际工程难以达到，如理想反应器假定混合为分子尺度，实际工程难以达到，如结团结团弥散弥散两种体系的反应程度显然应该是不两种体系的反应程度显然应该是不同的。同的。工程中，尽量改善体系的分散尺度，以达到最有效工程中，尽量改善体系的分散尺度，以达到最有效的混合，从而改善反应效果。的混合，从而改善反应效果。鼓泡鼓泡气体气体液体液体喷喷雾雾10编辑ppt混合迟早度的影响混合迟早度的影响早混早混晚混晚混即使两反应体系的空时相同，由于反应混合的迟即使两反应体系的空时相同，由于反应混合的迟早不同，反应结果也不相同。早不同，反应结果也不相同。11编辑ppt第一节第一节 连续反应器中物料混合状态分析连续反应器中物料混合状态分析一、混合现象的分类一、混合现象的分类按混合对象的年龄可以把混合分成两种：按混合对象的年龄可以把混合分成两种：（1 1）同龄混合：相同年龄物料之间的混合）同龄混合：相同年龄物料之间的混合（2 2）返混（）返混（back mixingback mixing） ：不同年龄物料之间的混：不同年龄物料之间的混合合混合尺度的大小混合也可分为两种类型：混合尺度的大小混合也可分为两种类型：宏观宏观( (macro-)macro-)混合：设备尺度上的混合混合：设备尺度上的混合微观微观( (micro-)micro-)混合：物料微团尺度上的混合混合：物料微团尺度上的混合12编辑ppt混合的机理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更小尺度上的均匀分子扩散分子扩散微团最终消失微团最终消失微观均匀微观均匀均相均相13编辑ppt提高混合效果的措施：提高混合效果的措施：消除打旋现象：消除打旋现象：螺旋浆式螺旋浆式涡轮式涡轮式14编辑ppt提高混合效果的措施：提高混合效果的措施：q加设导流筒加设导流筒螺旋式 涡轮式15编辑ppt搅拌器的型式搅拌器的型式高转速搅拌器高转速搅拌器1 1、螺旋桨式搅拌器、螺旋桨式搅拌器 螺旋桨式搅拌器的总体循环流动螺旋桨式搅拌器的总体循环流动推进式推进式三叶片式三叶片式16编辑ppt2、涡轮式搅拌器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17编辑ppt大叶片低转速搅拌器大叶片低转速搅拌器1、桨式搅拌器、桨式搅拌器2、框式和锚式搅拌器、框式和锚式搅拌器3、螺带式搅拌器、螺带式搅拌器 a-锚式锚式bc-框式框式d-螺带式螺带式18编辑ppt二、连续反应过程的考察方法二、连续反应过程的考察方法 在在连连续续搅搅拌拌反反应应釜釜或或管管式式反反应应器器中中进进行行反反应应，如如果果反反应应物物料料的的微微观观混混合合程程度度不不同同，则则考考察察方方法法即即研研究究方方法法就就不不同同。微微观观混混合合有有两两种种极极限限状状态态，完完全全混混合合和和完完全全不不混混合合，研研究方法完全不同。究方法完全不同。19编辑ppt1 1、以反应容积（或微元）为对象、以反应容积（或微元）为对象当物料微观混合为当物料微观混合为完全混合完全混合时，物料呈分子状时，物料呈分子状均匀分散，物料不存在微团。对于搅拌反应器，均匀分散，物料不存在微团。对于搅拌反应器，物料以反应器为边界，对于管式反应器，物料物料以反应器为边界，对于管式反应器，物料以以dVdVR R为边界，所以研究的对象分别为为边界，所以研究的对象分别为反应器容反应器容积积V VR R和反应器微元容积和反应器微元容积dVdVR R。20编辑ppt2 2、以反应物料为对象、以反应物料为对象当物料微观混合为当物料微观混合为完全不混合完全不混合时，物料呈微团时，物料呈微团独立运动，物料的边界为微团的边界，所以以独立运动，物料的边界为微团的边界，所以以微团为研究对象，微团为研究对象，结合物料的停留时间分布函结合物料的停留时间分布函数和动力学方程方程数和动力学方程方程可以有定量结果。可以有定量结果。21编辑ppt 如如果果微微观观混混合合处处于于中中间间状状态态，则则几几个个微微团团可可以以组组成成微微元元，研研究究对对象象为为微微元元，目目前前只只有定性的认识，没有定量结果。有定性的认识，没有定量结果。综综上上所所述述，考考察察对对象象都都是是物物料料，不不同同的的是是按按照微观混合的程度划分考察的范围：照微观混合的程度划分考察的范围：完全混合完全混合反应容积反应容积V VR R或或dVdVR R；中间状态中间状态微元（由微团组成）；微元（由微团组成）； 完全不混合完全不混合微团微团22编辑ppt第二节第二节 停留时间分布停留时间分布停留时间分布的数学描述停留时间分布的数学描述停留时间分布的实验测定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停留时间分布的应用23编辑ppt一、流体在反应器内的停留时间分布一、流体在反应器内的停留时间分布停留时间停留时间分布规律分布规律定量确定定量确定概概 率率 函函 数数概概率率密密度度函函数数数数 学学 期期 望望方方差差两个特征值两个特征值两个函数两个函数描述描述24编辑ppt1、停留时间分布的数学描述停留时间分布的数学描述全混流反应器：机械混合最大全混流反应器：机械混合最大逆向混合最大逆向混合最大返混程度无穷大返混程度无穷大平推流反应器：机械混合为零平推流反应器：机械混合为零逆向混合为零逆向混合为零返混程度等于零返混程度等于零间歇反应器：机械混全最大间歇反应器：机械混全最大逆向混合为零逆向混合为零返混程度等于零返混程度等于零反应器内的返混程度不同反应器内的返混程度不同停留时间不同停留时间不同浓度分布不同浓度分布不同反应反应速率不同速率不同反应结果不同反应结果不同生产能力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。停留时间是随机变量，因此停留时间分布是一种概率分布。25编辑ppt1）、停留时间分布的定量描述）、停留时间分布的定量描述借用人口统计学（借用人口统计学（Population）两个统计参数两个统计参数a)社会人口的年龄分布和社会人口的年龄分布和b)死亡年龄分布，在反应工程中假设：死亡年龄分布，在反应工程中假设：在反应器出口流体微元的停留时间分布：在反应器出口流体微元的停留时间分布：E(t),F(t)反应器反应器注入注入检测检测原料原料出料出料a)b) 各微元保持各微元保持独立身份独立身份(identification),即微元间不能混合即微元间不能混合c)不研究微元在反应器内的历程不研究微元在反应器内的历程,只研究它在反应器内的停留时只研究它在反应器内的停留时间间,即寿命。即寿命。则定义：则定义：26编辑ppt停留时间（寿命）的概念？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（例：在连续操作的反应器内，如果在某一瞬间（t=0）极快地向极快地向入口物流中加入入口物流中加入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。时间间隔流出的红色粒子数，结果如下表。如果假定如果假定红色粒子红色粒子和主流体之间除了颜色的差别以外，其余所有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，那么就可以认为这性质都完全相同，那么就可以认为这100个粒子个粒子的停留时间分布的停留时间分布就是主流体的停留时间分布就是主流体的停留时间分布。停留时间范围停留时间范围tt+t0-22-33-44-55-66-77-88-99-1010-1111-1212-14出口流中的出口流中的红色粒子数红色粒子数02612182217126410分率分率N/N00.020.060.120.180.220.170.120.060.040.01027编辑ppt以时间以时间t为横坐标，出口流中红色粒子数为纵坐标，将上为横坐标，出口流中红色粒子数为纵坐标，将上表作图表作图：若以停留时间若以停留时间t为横坐标，为横坐标，为纵为纵坐标作图，则每一个长方形的面积为坐标作图，则每一个长方形的面积为即表示停留时间为即表示停留时间为tt+t的物料占总的物料占总进料的分率。进料的分率。28编辑ppt假如示踪剂改用假如示踪剂改用红色流体，连续红色流体，连续检测出口中红色检测出口中红色流体的浓度，如流体的浓度，如果将观测的时间果将观测的时间间隔缩到非常小，间隔缩到非常小，得到的将是一条得到的将是一条连续的停留时间连续的停留时间分布曲线。分布曲线。E(t)t t+dt t图中曲线下微小面积图中曲线下微小面积E(t)dt表示停留时间在表示停留时间在t和和t+dt之间的物料占之间的物料占t=0时进料的分率。时进料的分率。29编辑ppt(1)分布密度函数分布密度函数E(t)E(t)定义为在定义为在t=0时刻进入反应器的流体微元，在时刻进入反应器的流体微元，在t时离时离开反应器的概率开反应器的概率根据定义，根据定义，E(t)应具有归一性，即应
