第四章 反应器中的混合及对反应的影响ppt课件.ppt

第三章课程总结,两种理想流动模型、两种理想流动反应器的五个方面,1、平推流模型,2、全混流模型,PFR,CSTR,,,基本特征,数学模型,组合方式比较,多重反应分析,CSTR热稳定性分析,问 题,实际工业反应器与理想反应器存在差异,物料的流动状况偏离理想流动模型,1、实际反应器中物料的流动状况问题,2、实际反应器数学模型方程的建立问题,非理想流动模型,3、实际工业反应器的分析与设计计算问题,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,第四章 反应器中的混合对反应的影响,1、按混合对象的年龄分：,（1）同龄混合：相同年龄物料之间的混合,BSTR，PFR,（2）返 混：不同年龄物料之间的混合,CSTR，MCSTR,在实际工业反应器内，两者并存！,第一节 连续反应器中物料混合状态分析,,？,径向混 合均匀,一、混合现象的类型,第一节 连续反应器中物料混合状态分析,,,1、按混合尺度的大小来分,（1）宏观混合：设备尺度上的混合,设备空间内的分散程度,（2）微观混合：物料微团尺度上的混合,物料粒子内的均匀程度分子扩散,宏观空间,物料粒子（流体质点）,,,3、实际工业反应器内物料粒子的混合特点,（1）既存在混合也存在返混；,（2）无轨迹可循；,（4）只具统计规律,（3）停留时间各不相同；,可通过实验测定，得到统计结果。

第一节 连续反应器中物料混合状态分析,二、连续反应过程的考察方法,第一节 连续反应器中物料混合状态分析,1、以反应器为对象的考察方法,如CSTR，因搅拌均匀不能跟踪到物料的变换情况2、以单个分子为对象的考察方法,,,,,,,,只存在两种状态 反应物或产物,,（反应物）,（产物）,不存在选择率问题,,第一节 连续反应器中物料混合状态分析,3、以物料微团为对象的考察方法,,,包含的分子数足以具有统计性质,与单个分子相比是一个很大的分子集团,与宏观颗粒相比是一个微不足道的粒子,,使浓度、转化率、反应速率、选择率等参量具有统计平均意义,如微团内反应速率可表达为：,第二节 停留时间分布,一、停留时间分布的定义,停留时间,物料微团从反应器入口算起，在反 应器内所经历的时间年 龄,物料微团在反应器内所经历的停留时间寿 命,物料微团从反应器进口开始算起到从出口流出 为止，在反应器内所经历的停留时间停留时间分布函数：,某停留时间的粒子数 ni 在总粒子 数N中的分率，用“F(t)”表示，即,（停留时间分布）,2、停留时间分布函数,（无因次）,停留时间分布密度函数,某时间段 内，F(t)的平均值，用“E (t )”表示，即,（时间）,（停留时间分布密度）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,CSTR试验,100颗,100颗,,短时间内 1次性投入,在不同时间间隔内检出流出的粒子数直到全部流出为止,t=0,t=t+t,例如：,,试验数据记录表：,,,,,根据区段内粒子数计算停留时间分布密度,定义式：,计算,,,数据处理及结果：,注意:E(t)值与停留 时间的单位有关。

以t为横坐标，区段内粒子数分率平均值为纵坐标作图,每一个长方形的面积为,各长方形的 面积之和为,,,计算停留时间分布函数值,定义式：,计算,先将区段内的实验数据整理成累积值,,注意:F(t)值与停 留时间单位无关渐近线,,S形曲线,,1、停留时间分布密度函数,停留时间分布函数的数学描述,（1）微分表达式,（2）归一性:,根据停留时间分布密度函数的定义：,,对方程两边同时求和,证明：,对两边同取极限值,某时刻 t 流入反应器内的所有物料在无限长时间后会100%的流出反应器2、停留时间分布函数,（1）0t 范围定义式：,（2）区段t t+t范围定义式：,,（3）F( t )和E( t )的关系式:,几何分关系,二、 停留时间分布的实验测定,,0、测定技术,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,,1、不与主流体反应；,2、物理性质相近；,3、有别于主流体的可测性；,4、多相检测不发生相转移；,5、易于转变为光、电信号1. 阶跃法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,三通,红墨水桶,清水桶,,,,,,,,接水桶,,,,实验现象,（1）切换后接水桶颜 色变成淡红色,（2）随着时间的延长 接水桶颜色不断 加深,（3）最后接水桶和红 墨水桶颜色一致,阶跃法实验装置,VR,V,,C=C0,C=0,示踪剂浓度,,V,,切换前,,,,,,记录仪,,C(t),,切换前的信号,切换后的信号,三通阀,,切换后,45,,,,V,,含示踪剂物料,,阶跃法进出口信号特征曲线,在切换时做到：,出口示踪剂最大浓度：,C(t)= C()= C0,短与快，不留痕迹,输入信息,应答信息,1、当时间 t=0 时，出口C(t)=0的含义是什么？,思考题：,2、当时间 t= t 时，出口C(t) 的含义是什么？,3、当时间 t= 时，出口C()=C0的含义是什么？,出口物料中没有停留时间为0的物料粒子。

停留时间小于 t 的物料粒子已全部流出只要停留时间无限长，切换前存于反应器内的 初始物料粒子将全部被含示踪剂的物料所置换课前复习,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,返混不同停留时间的物料微团间的混合第二节 停留时间分布,一、停留时间分布的定义,,分布函数,分布密度,两者关系,密度函数的归一性：,分布函数两种区别：,注意,,,二、 停留时间分布的实验测定,,阶跃法,脉冲法,课前复习,对进出口示踪剂进行物料衡算,阶跃法中示踪剂的输入量不随时间变化：,假设：其中停留时间小于 t 的物料粒子有：,又因为当t= t时，停留时间小于 t 的物料粒子将全部 从反应器的出口流出：,,停留时间小于 t 的物料粒子占总 粒子数中的分率,,,阶跃法测定原理,（1）用于直接测定停留时间分布函数 F(t)；,（2）经无限长时间后，,意义和特点：,76,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 ，在出口 处测定响应曲线如下表所示,,,,时间(s),出口示 踪剂浓 度(g/L),,0，15，25，35，45，55，65，75，85，95,0 0.5 1.0 2.0 4.0 5.5 6.5 7.0 7.7 7.7,求在此条件下 F( t ) 和 E( t ) 的值。

例如,根据,,解：,（4-6）,（4-5）,,？,,2. 脉冲法,使物料以稳定的流量V通过反应器，然后在某个时刻 （t=0时），注意入一定量的示踪剂，并保持混合物 的流量不变，同时在出口流中测定示踪剂浓度C(t)随 时间t的变化情况示踪剂不宜多 以免引起原体 积流量的变化,,注射器,,,,V,,,,,,,,,,,,V,,脉冲法实验装置,脉冲法进出口信号特征曲线,,,,,,,,脉冲注入,出口应答,注射的时间 越短越好,,对示踪剂作物料衡算,设：注入示踪剂的总量为：,出口处浓度随时间变化为C(t),则：在示踪剂注入后 时间间隔内，流出的 示踪剂量为：VC(t)dt，,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 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：,对物料进行衡算,两者的停留时间分布相等,只要测得V， M和C（t）， 即可得物料 质点的分布 密度由于M=VC0 t0， 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。

例4-1】在稳定操作的连续搅拌式反应器的进料中注入染料液 （M=50g）测出出口液中示踪剂浓度随时间变化关系如下表,,,,t(s),C(t) (g/m3),0，120，240，360，480，600，720，840，860，1080,0，6.5，12.5，12.5，10，5.0，2.5，1.0，0.0，0.0,请确定系统的F(t) 和 E(t) 1）根据,因为实验数据是离散型的，所以用求和方式计算M,（有效时间间隔）,由实验数据求得：,根据F(t) 和 E(t) 关系求F(t) ：,,,其中：,由脉冲法实验 数据，计算停 留时间分布函 数值t(s),0，120，240，360，480，600，720，840，860，1080,F(t),,,0，6.5 12.5 12.5，10，5.0，2.5，1.0，0.0， 0.0,C(t) (g/m3),0，6.5 19.5 31.5 41.5 46.5 49.0 50.0 50.0 50.0,0，0.13 0.38 0.63 0.83 0.93 0.98 1.00 1.00 1.00,求 F(t) 的另一种方法:,,两种实验方法的比较,三、停留时间分布的数字特征,1、数学期望,2、方差,统计特征值,,所有微团停留时间的“加权平均值”,统计平均值,离散度,各个物料微团停留时间与平均停时间的差的平方的加权平均值。

整体符 号不参 与运算,讨论1、数学期望与平均停留时间的联系与区别,（1） 两者在意义上不同：,整个物料在设备内的平均停留时间各个物料微团的平均停留时间考察对象的范围不同,（总体平均值）,（统计平均值）,（2） 两者在数值上相等，即,因为流型只改变物料粒子的停留时间分布， 不改变平均停留时间：,不管设备内流型怎样，也不管个别粒子的停留 时间如何，只要物料体积流量V和反应器体积 VR的比值相同讨论2、数学期望的运算,可以用分布函数F(t)运算,可以用分布密度函数E(t)的归一性化简,,,,对于离散型测定值，可以用加和代替积分值,（4-18）,若时间区段划分均匀，则,,讨论3、方差的运算,,可以用分布密度函数E(t)的归一性化简,,,,（4-19）,如果是离散型数据，将积分改为加和：,（4-20）,（区段划分均匀）,,,,讨论4、对比时间,（1）对比时间的定义：,（2）对比时间的意义：,结果受到局限，若用无因次时间表达， 可消除这种局限性的存在3）无因次分布函数的表达,（因分布函数与时间单位无关）,,用表示的方差的推演,例4-1P120,达到定态操作的反应器进口物料中，用脉冲法注入有 色染料，于出口用比色法测定有色示踪物浓度随时间 的变化，见下表。

设过程中物料密度不变，试确定物 料的平均停留时间与停留时间分布函数，并计算方差.,解：（1）求平均停留时间,,例4-1P120,（2）求分布函数（前面已计算）,（3）求方差,例4-1P120,例4-1P120,作业：P136，T4-1，T4-3,课前复习,1、停留时间分布实验测定的两种方法,,阶跃法直接测定分布函数,脉冲法直接测定分布密度,2、停留时间分布的数字特征,,数学期望平均停留时间,方 差停留时间离散程度,课前复习,3、用对比时间表示的停留时间分布,,对比时间,分布函数,分布密度,方 差,四、 理想流型的停留时间分布,活塞流模型,全混流模型,,,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，,活塞流,,全混流,进入的示踪剂量=流出的示踪剂量+示踪剂的积累量,（4-35）,（4-36）,（4-37）,（4-38）,积分式：,,多级串联全混流模型：,轴向扩散模型：,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因为 m 或 Pe 仅与方 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， 确定 m 或 Pe，然后求得转化率。

确定模型参数 m 或 Pe,多级全混流模。