chap 3 非理想流动反应器课件

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1（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2（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：3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56◆如果将所有Δt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：73.2.1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8（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10两种停留时间分布规律之间的相互关系12示踪物加入方法阶跃注入法脉冲注入法周期注入法14（1）阶跃示踪法瞬间突然改变示踪剂的浓度并保持下去。15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16如果阶跃输入前物料中不含示踪物时，则17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=7.7kg·m-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。182021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23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。24计算结果：26273.2.4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：28激励过程的数学描述：30CSTR—以阶跃示踪法为例31PFR和CSTR停留时间分布规律的对比32333.3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。343.3.1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。353.3.1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。36凝集流模型的数学描述3738393.3.2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。40多级串联混合槽模型计算：V0,c0,V1,c1,V2,c2,Vn,cnVi,ci,41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NVRi424

对第一级CSTR5

对第二级CSTR436

对第三级CSTRN

以此类推，对N级CSTR出口流体中的示踪物浓度为：44各级CSTR停留时间分布规律的计算45461

N=1，全混流2

N=，平推流3

N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。4

N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。47多级混合槽模型的应用483.3.3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(Fick’slaw)49在有化学反应时对反应物做物料衡算：dlPFR+轴向扩散50整理得：5152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53开开式边界条件下的解545556通过扩散模型求转化率定常态下，由基础方程简化得5758对一级不可逆反应，有解析解59解题步骤：60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3-661按开-开式边值条件：计算β值62计算出口转化率63按闭-闭式边值条件64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：65663.4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67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683.4.4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完全返混实际反应器散度值0<2<1非理想反应器模型：凝聚流、多