化学反应工程第四章 停留时间分布与流动模型

化学反应工程ChemicalReactionEngineering王红娟华南理工大学化工学院办公室：16号楼504室电话：87114916E_mail:cehjwang@理想反应器的流动模式----平推流和全混流间歇釜全混釜u=const平推流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最大，出口物料停留时间分布与釜内物料的停留时间分布相同。引言实际反应器流动形式的复杂性u沟流回流存在速度分布存在死区和短路现象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值具有较大的差异。DeadzoneShortcircuiting引言影响反应结果的三大要素：停留时间分布（residencetimedistribution,RTD）凝集态（stateofaggregation）早混或迟混（earlinessandlatenessofmixing）RTD对反应的影响实际停留时间ti不尽相同，转化率x1,x2,…,x5亦不相同。出口转化率应为各个质点转化率的平均值，即InjectionDetection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，如结团弥散两种体系的反应程度显然应该是不同的。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。鼓泡气体液体喷雾混合迟早度的影响早混晚混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。第四章非理想流动反应器4.1停留时间分布及其实验测定4.2理想流动模型4.3非理想流动模型第四章停留时间分布与流动模型4.1停留时间分布及其实验测定4.1.1停留时间分布的定量描述4.1.2停留时间分布的函数表达式1.停留时间分布密度函数2.停留时间分布函数4.1.3停留时间的实验测定1.脉冲示踪法2.阶跃示踪法4.1.4停留时间分布函数的数字特征第四章停留时间分布与流动模型第四章停留时间分布与流动模型•寿命分布:对离开系统的流体微元而言，指的是流体微元从进入系统起到离开系统止，流体微元在系统内经历的时间;•年龄分布:对存留在系统中的流体微元而言，从进入系统算起至考察时刻止，流体微元在系统内停留的时间，流体微元可继续存留在系统内.区别：寿命分布是指系统出口处的流体微元的停留时间；而年龄分布则是对系统内的流体微元而言的停留时间

4.1.1停留时间分布的定量描述借用人口统计学（Population）两个统计参数a)社会人口的年龄分布和b)死亡年龄分布，在反应工程中：停留时间：反应物料从反应器入口到出口所经历的时间在反应器内流体微元：年龄分布在反应器出口流体微元:寿命分布ReactorInjectionDetectionFeedEffluenta)b)各微元保持独立身份(identification),即微元间不能混合c)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间。则定义：4.1.1停留时间分布的定量描述在反应工程中假设：物料在反应应器内的停停留时间是是一个随机机过程，对对随机过程程通常用概概率进行描描述，有两两种表示形形式：对出口流体体而言：F(t)———停留时间分分布函数，也也称概率函数数E(t)———停留时间分分布密度函数数，也称概率率密度函数对反应器内的的流体而言：：y(t)———年龄分布布函数I(t)———年龄分布密密度函数4.1.2停停留时间分布布的函数表达达式第四章停停留时间分分布与流动模模型(1)停留留时间分布函函数F(t)F(t)函数数定义为t=0时刻进入入反应器的流流体微元（示示踪流体质点点），在小于于t时刻离开开反应器的流流体质点数占占t=0时刻刻进入的示踪踪流体质点数数的分率，即即(2)停留留时间分布密密度函数E(t)E(t)dt定义为在在t=0时刻刻进入反应器器的流体微元元，在t至(t+dt)时间段内离离开反应器的的概率（分率率），即式中：———摩摩尔流率，，mol/s——体积流流率，m3/s——总摩尔尔量，mol——t时刻刻的浓度，mol/m3E(t)是一一个量纲量，，单位：[时时间]-1，常取s-1或E(t)与F(t)的关关系因为当时间无无限长时，t=0时时刻加入的流流体质点都会会流出反应器器，即根据定义，E(t)应具具有归一性，即和(3)年龄龄分布密度函函数I(t)，年龄分布布函数y(t)定义与E(t)和F(t)类同，只只是针对反应应器内流体而而言，即有I(t):t=0时时刻进入反应应器的流体微微元，在t时时留在反应器器内的概率y(t):反应器内内年龄小于t的流体质点点数占总示踪踪流体质点数数的分率或因为反应器内内的量加上流流出量应等于于示踪总量，，从而可根据据衡算关系很很容易得到I(t),y(t),E(t)及F(t)之间的关系系。器内量＝总总量－离离开量无因次停留时时间•定义:4.1.2停停留时间分布布的函数表达达式第四章停停留时间分分布与流动模模型E（t）dt=E(θ)dθθ则有：E(θθ)=ττE(t)若某流体微元元的停留时间间介于t～(t+dt)之间，相应应地，其无因因次停留时间间也一定介于于θ～(θ+dθ)之间间，它们所占占的分率也一一定相等，即即：τ为反应器空空时，即：•F(θ)=F(t)•4.1.2停停留时间分布布的函数表达达式•第四章停停留时间分分布与流动模模型•停留时间分布布的测定一般般采用示踪技技术，示踪剂剂选用易检测测其浓度的物物质，根据其其光学、电学学、化学及放放射等特性，，采用比色、、电导、放射射检测等测定定浓度。选择择示踪剂要求求：1)与主流流体物性相近近，互溶，且且与主流体不不发生化学反反应；2)高低浓浓度均易检测测，以减少示示踪剂的用量量；3)示踪剂剂的加入不影影响主流体的的流动形态；；4)示踪剂应选择择无毒、不燃燃、无腐蚀且且价格较低的的物质。停留时间的测测定方法根据据示踪剂的加加入方式分为为脉冲法、阶阶跃法和周期期输入法，前前两者应用较较广。4.1.3停停留时间间分布的实验验测定第四章停停留时间分分布与流动模模型操作：定常态态下，在t=0,加入入示踪剂，同同时在出口处处检测示踪剂剂的浓度。进、出口示踪踪物浓度随时时间的变化V0示踪剂脉冲注入0O

t=0c0(t)c(t)ttV0

示踪剂检测主流体

系统δ(t)激励曲线响应曲线输入输出脉冲法测定停停留时间分布布4.1.3停停留时间分分布的实验测测定——脉冲示踪法第四章停停留时间分分布与流动模模型3.由响应应曲线计算停停留时间分布布曲线出口处，停留留时间在t～t+dt间的的量：V0c(t)dt入口处，t=0时刻注注入的量：m由E(t)的的定义：4.示踪剂剂加入量m的的计算V0＝const,则：，得：即：第四章停停留时间分分布与流动模模型4.1.3停停留时间分分布的实验测测定——脉冲示示踪法—由脉冲法直接接测得的是停停留时间分布布密度函数E(t)第四章停停留时间分分布与流动模模型4.1.3停停留时间分分布的实验测测定——脉脉冲示踪踪法解:(1)数数据的一一致性检检验第四章停停留时间间分布与与流动模模型4.1.3停停留时间间分布的的实验测测定——脉脉冲示踪踪法(2)E(t)的计算算由E(t)的计计算式：(4)计计算结果果列表第四章停停留时间间分布与与流动模模型(3)F(t)的计算算4.1.3停停留时间间分布的的实验测测定——脉脉冲示踪踪法第四章停停留时间间分布与与流动模模型4.1.3停停留时间间分布的的实验测测定——脉脉冲示踪踪法1.操操作：输输入采用用切换的方法V↓

含示踪剂流体V主流体V检测示踪剂系统

c

(∞)t=0t

c0(t)(a)0t

c(∞)c(t)(b)升阶法阶跃法测测定停留留时间分分布第四章停停留时间间分布与与流动模模型4.1.3停停留时间间分布的的实验测测定——阶阶跃示踪踪法2.阶阶跃输入入的数学学描述以以及F(t)的的计算•输入函数数：c0(t)=0t＜0c0(t)=c(∞∞)=常数数t≥0•t时刻，，出料的的示踪剂剂的量：：Vc(t),其停留时时间小于于t0时刻，，加入的的的示踪踪剂的量量：Vc(∞∞)则：第四章停停留时间间分布与与流动模模型——由阶跃法法直接求求得的是是停留时时间分布布函数F(t)4.1.3停停留时间间分布的的实验测测定——阶阶跃示踪踪法因次：[时间]4.1.4停停留时时间分布布函数的的数字特特征第四章停停留时间间分布与与流动模模型其物理意意义：为为E(t)曲曲线的分分布中心心，即E~t曲线线所围面面积的重重心在t坐标轴轴上的投投影；数学上称称：E(t)曲线对于坐标标原点的的一次矩矩(t-0)面积重心不同流型型的停留留时间分分布规律律可用随随机函数数的数字字特征来来表述，，如“数数学期望望”和““方差””。⑴数学期望(平均停留时间)定义：其它计算算方法方差反映停留时间分布的离散程度:，停留时间分布就越宽；，停留时间分布越集中4.1.4停停留时时间分布布函数的的数字特特征第四章停停留时间间分布与与流动模模型因次：[时间]2物理意义义：方差用来表示随机变量的分散程度，是描述停留时间分布的重要参量。在数学上它表示E(t)曲线对于平均停留时间的二次矩：⑵方差由F(t)计算算：4.1.4停停留时时间分布布函数的的数字特特征•若采用无无因次时时间，，则无因次方方差为为：4.1.4停停留时时间分布布函数的的数字特特征无因次方方差和和无因因次时间间θ的关关系:第四章停停留时间间分布与与流动模模型作业业4.1、、4.2、4.3第四章停停留时间间分布与与流动模模型4.2理理想想流动模模型第四章停停留时间间分布与与流动模模型4.2.1活塞流流流动模型型4.2.2全混流流流动模型型活塞流模模型（平平推流模模型）1.基本假设设：①①径向向流速分分布均匀匀；②径向向混合均均匀；；③轴向向上，流流体微元元间不存存在返混；2.特点：所所有流体体微元的的停留时时间相同同，同一一时刻进进入反应应器的流流体微元元必定在在另一时时刻同时时离开。。经历历相同的的温度、、浓度变变化历程程4.2.1活活塞流流流动模模型第四章停停留时间间分布与与流动模模型3.停停留时间间分布特特征：用示踪法法来测定定活塞流流的停留留时间分分布时，，出口响响应曲线线形状与与输入曲曲线完全全一样，，只是时时间延迟迟4.2.1活活塞流模模型第四章停停留时间间分布与与流动模模型脉冲示踪出口响应阶跃示踪延迟阶跃响应3.停停留时间间分布特特征：(1)停停留时间间分布密密度函数数E(t)4.2.1活活塞流模模型第四章停停留时间间分布与与流动模模型无因次：：出口响应(2)停停留时间间分布函函数F(t)1OF(t)t数字特征征值：4.2.1活活塞流模模型活塞流：返返混混为0＝0，第四章停停留时时间分布与与流动模型型1.假定定：新鲜物物料进入反反应器后，，与反应器器内原有物物料能在瞬瞬间达到完完全的混合合。2.特征征：反应器器内任何地地方，流体体的性质都都是均匀一一致的，并并且与出口口流体的性性质相同。。4.2.2全全混流模模型第四章停停留时时间分布与与流动模型型示踪剂的浓浓度为c0，流出流体体中的示踪踪剂浓度为为c，体积积流量为V0示踪剂加入入量流流出量累累积量dt时间内内V0c0dtV0cdtVRdc4.2.2全全混流模模型第四章停停留时时间分布与与流动模型型3.停留时时间分布特特征：示踪响应阶跃示踪阶跃示踪测测定：物料衡算：：输入量量＝输出量量＋累积量量即V0c0dt=V0cdt+VRdc令VR/V0=τ(空空时)，则则初值条件：：t=0，c=0积分

4.2.2全全混流模模型第四章停停留时时间分布与与流动模型型得由F(t)定义：无因次：F(θ)=1－e－θE(θ)=e－θ4.2.2全全混流模模型第四章停停留时时间分布与与流动模型型出口响应全混流反应应器示踪响应脉冲示踪出口响应E(t)由由对示踪物物料衡算得得到:初值:积分得:脉冲示踪测测定：E(t)tt1OtOF（t）0.6321/τt=0,E(0)=1/τ全混流反应应器的E(t)图图全全混流反应应器的F(t)图图4.数字字特征值4.2.2全全混流模模型第四章停停留时时间分布与与流动模型型活塞流全全混混流4.2.2全全混流模模型第四章停停留时时间分布与与流动模型型非理想流动动：例：某全混混流反应器器体积为100L，，物料流率率为1L/s，试求求在反应器器中停留时时间为（1）90～～110s，（2））0～100s，（（3）>100s的的物料占总总进料的比比率。解：出口物料的的份额用F(t)表表示，(1)所求比率：：F(110)－－F(90)=0.074=7.4%，小于平均均停留时间间的物料占占63.2%，大于平均停留时时间的物料占36.8%(2)(3)4.3非非理想流动动模型前面讨论活活塞流反应应器和全混混流反应器器，在这两两类反应器器中，流体体的流动为为理想化的的极端情况况。但实际际反应器内内流体的流流动状况与与上述情况况不完全相相同，介于于两者之间间。凡不符合理理想流动状状况的流动动，都称为为非理想流流动。器内流体处处于非理想想流动状况况的反应器器称为非理理想反应器器。第四章停停留时时间分布与与流动模型型4.3非非理想流流动模型4.3.1非理想流动动现象4.3.2非理想反应应器的计算算4.3.3流体混合态态对化学反反应的影响响第五章停停留时间间分布与流流动模型4.3.1非理想想流动现象象流体偏离理理想流动的的原因：1.滞流流区的存在在2.存在在沟流与短短路3.循环环流4.流体体流速分布布不均匀5.扩散散第五章停停留时间间分布与流流动模型u沟流回流存在速度分分布DeadzoneShortcircuiting存在沟流和和回流存在死区和和短路现象象4.3.1非理想想流动现象象1.滞流流区的存在在定义：滞流流区是指反反应器中流流体流动慢慢至几乎不不流动的区区域，故也也叫死区特征：停留留时间分布布密度函数数E(θ)曲线拖尾尾很长平均停留时时间大大于VR/V0位置：滞流流区主要产产生于设备备的死角中中第五章停停留时间间分布与流流动模型4.3.1非理想想流动现象象1.滞流流区的存在在第五章停停留时间间分布与流流动模型2-1-1.62.00E(θ)θoθE(θ)1-固定床反应应器的实测测E(θ)曲线E(θ)出出现严重拖拖尾理想：有滞流区的的釜式反应应器的E(θ)θ=0时，，E（θ)>1理想：θ=0时，，E（θθ)=1E(θ)=δ(θ-1)4.3.1非理想想流动现象象2.存在在沟流与短短路沟流：固定定床、填料料塔以及滴滴溜床反应应器中，由由于催化化剂颗粒粒或填料装装填不均匀匀，从而造造成一个低低阻阻力力通道，使使得一部分分流体快速速从此通道道流过而而形成短路：流体体在设备内内的停留时时间极短特征：停留留时间分布布密度函数数E(θ)曲线存在在双峰平均停留时时间小小于VR/V0第五章停停留时间间分布与流流动模型4.3.1非理想想流动现象象2.存在在沟流与短短路第五章停停留时间间分布与流流动模型(a)(b)沟流与短路路时的E(θ)曲线线（a）沟流流，（b））短路tE(t)tE(t)4.3.1非理想想流动现象象3.循环环流在实际的釜釜式反应器器、鼓泡塔塔和流化床床反应器中中都都存存在着不同同程度的流流体循环运运动特征：停留留时间分布布密度函数数E(θ)曲线存在在多峰第五章停停留时间间分布与流流动模型tE(t)存在循环流流时的E（（t）曲线线4.3.1非理想想流动现象象4.流体体流速分布布不均匀若流体在反反应器内呈呈层流流动动，其与活活塞流的偏偏离十分明明显。层流流流速分布布呈抛物线线状，可由由径向抛物物线分布导导出层流反反应器的停停留时间分分布密度函函数特征：E（θ）=0，θ<0.5E（θ）=1/（2θ2）,θ≥0.5第五章停停留时间间分布与流流动模型0.81.01.21.4OE(θ)θ层流反应器的停留时间分布4.3.1非理想想流动现象象5.扩散散由于分子扩扩散及涡流流扩散的存存在而造成成了流体微微元间的混混合，使停停留时间分分布偏离理理想流动状状况第五章停停留时间间分布与流流动模型利用RTD诊断反应应器内流动动状况4.3.2非理想想反应器的的计算非理想反应应器内流体体的流动情情况比较复复杂，仅用理想化化的平推流流或全混流流进行计算算是不够的的，非常必必要对实际际的流型进进行逼近模模拟。对非理想流流动的定量量关系只能能借助于模模型。目前前非理想流流动模型很很多，本章章仅介绍其其中三个：：离析流模型型（凝集流流模型）多釜串联模模型（多级级混合槽模模型）轴向扩散模模型第五章停停留时间间分布与流流动模型4.3.2非理想想反应器的的计算完全离析：：若流体微元元全部以分分子团或分分子束的形形式存在，，混合时只只进行空间间位置的交交换，微元元间不发生生任何物质质交换，这这种状态称称为完全离离析。即各个微元元都是孤立立的，互不不相干，微微元内具有有均匀的组组成和相同同的停留时时间，但不不同的微元元其组成和和停留时间间则可能不不同。这种流体称为为宏观流体。。宏观流体之间间的混合称为为宏观混合第五章停停留时间分布布与流动模型型4.3.2非非理想反应应器的计算微观流体：以分子大小的的尺度进行混混合的流体微观混合：若流体微元以以分子大小的的尺度进行混混合。介于宏观混合合与微观混合合之间的混合合则称为部分分离析或部分分微观混合，，相应的流体体称为部分离离析式流体第五章停停留时间分布布与流动模型型4.3.2非非理想反应应器的计算离析流模型对象：宏观流流体多釜串联模型型对象：微观流流体轴向扩散模型型对象：偏离活活塞流的管式式反应器理想反应器修修正及组合模模型第五章停停留时间分布布与流动模型型离析流流模型假定：反应器器内流体微元元间不发生任任何形式的物物质交换，或或者说它们之之间不发生微微观混合第五章停停留时间分布布与流动模型型特点：实际反应器中中诸微元具有有独立身份，，每个流体微元可以以想象为一个个小的间歇反反应器,也可以想象为实实际反应器由由不同长度管管式反应器并并联组成入口出口应为各并联反反应器转化率率的积分平均均。出口转化率＝＝Σ停留留时间为ti的转化率××ti的流量分量即或无论何种反应应器，只要已已知停留时间间分布函数，，即可接上式式计算出口此即离析流模模型方程，也也称为停留时时间分布模型型离析流流模型EX1：对全全混流对2级动力学学则：EX2：对平平推流离析流流模型t(s)255075100125150175200225250C(g/m3)2.0试求反应器出出口的平均转转化率？解：本征动力力学方程停留时间分布布函数：离析流流模型例：在某一实际流动反应器内进行等容一级反应AP，k＝0.35s-1，现测得脉冲示踪时出口的浓度相应为：平均转化率为为：t255075100…..2500.52760.77690.89460.9502….0.99940.00190.00730.00880.0078…..0.00050.02560.14140.19760.1845….0.01离析流流模型多釜串串联模型第五章停停留时间分布布与流动模型型第三章的研究究知道：多个个全混流反应应器串联时的的反应结果介介于单个全混混流反应器和和活塞流反应应器之间，串串联釜数越多多，越接近与与活塞流，当当釜数无限多多时，其结果果与活塞流反反应器一样。。因此，可用N个全混釜串串联来模拟一一个实际的反反应器。串联联的釜数N为为模型参数。。显然，N=1时即为全混混流反应器，，N=∞时即即为活塞流反反应器。N的的取值不同就就反映了实际际反应器的不不同返混程度度多釜串串联模型第五章停停留时间分布布与流动模型型设N个反应体体积为VR的全混釜串联联操作，V0为流体的流量量，c表示示示踪剂浓度，，假定各釜温温度相同。对对第P釜做示示踪剂的物料料衡算得：C0CPVrV0

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VR1N2CN

VRCN－1

VRC2PCP－1多釜串联模型型示意图或：多釜串串联模型第五章停停留时间分布布与流动模型型若浓度为c0的示踪剂以阶阶跃输入，则则初始条件为为：t=0，cP(0)=0,P=1,2,…,N当P=1时，，则有：其解为：多釜串串联模型第五章停停留时间分布布与流动模型型对于第二釜，，即P=2：：把C1(t)代入则则有：解一阶线性微微分方程得：：多釜串串联模型第五章停停留时间分布布与流动模型型依次对各釜求求解，由数学学归纳法可得得第N釜的结结果为：则系统的总平平均停留时间间τt=Nτ,上式式可化为：写成无因次形形式：多釜串串联模型第五章停停留时间分布布与流动模型型1N=12520N=1112251020出口最大浓度度的计算：则有多釜串串联模型多釜串串联模型第五章停停留时间分布布与流动模型型由E(θ)，即可得得多釜串联模模型的平均停停留时间：将E(θ)代入方差计计算式，即得得多釜串联模模型的无因次次方差：当N=1时,，与全混流模型一致当N∞时，，与活塞流模型一致例题：有一釜釜列，每釜体体积为2m3，加料速率为为0.5m3/min，采采用脉冲示踪踪，在8min时，出口口示踪物浓度度为最大，求求全混釜列的的级数？解：多釜串联联即又多釜串串联模型对全混釜串联联反应器停留留时间的讨论论表明，随着着釜数的增加加，停留时间间分布函数的的特性将从单单釜向平推流流过渡。即N等于1时，，为理想全混混釜，N趋于于无穷时，即即为平推流分分布特性。N取中间值则则可模拟介于于全混流和平平推流之间的的真实流动情情况。建模思想是把把一真实反应应器分解成N个等容积的的全混釜区：：如多釜串串联模型用总平均停留留时间或空时时作作代代换：以上F和E为为模型参数N的函数，其其定量关系如如后图所示。。多釜串串联模型N=11122510201N=12520方差：或如果实际反应应器与模型具具有相同的停停留时间分布布方差，则可可由示踪实验验确定理论串串联级数：多釜串串联模型应用多釜串联联模型进行反反应器计算，，首先应确定定模型数N。。根据前面讲讲过的N与停停留时间分布布函数的特征征值的的关系系计算出N。代代入理想全混混釜串联反应应器的设计方方程，计算得得到平均转化化率。如上例例（凝集流模模型）：已知：及一级反应设计计方程与前面用凝集集流计算的结结果基本一样样。多釜串串联模型轴向扩扩散模型第五章停停留时间分布布与流动模型型模型假定：（1）流体以以恒定流速u流过系统（2）在垂直直于流体流动动方向的横截截面上，径向向浓度分布布均一，，即径向上的的混合达到最最大（3）由于分分子扩散、涡涡流扩散以及及流速分布不不均匀等传传递机理理而产生的扩扩散，只发生生在流动方向向即轴向向上,轴向向扩散的有效效扩散系数用用Dea表示，扩散通通量可可用费克扩散散定律来描述述适用对象：偏偏离活塞流的的管式反应器器如果反应器内内存在返混，，则加入反应应器内的脉冲冲示踪信号在在流动过程中中会逐渐分散散开，基于这这种考虑，人人为在物料的的流动通量上上再叠加一个个扩散通量以以模拟过程的的返混，并假假定此扩散通通量满足Fick定律：：轴向扩扩散模型轴向扩扩散模型第五章停停留时间分布布与流动模型型图4.10轴向扩散模型示意图取微元体积dVR做控制体积dVR=ARdZ,做物料料衡算输入量包括两两项：一项是对流；；另一项是扩扩散则输入项为：：则输出项也应应包括两项，即即：反应项为：累积项为：轴向扩扩散模型第五章停停留时间分布布与流动模型型根据衡算式：：输入量+反应应量=输出量量+累积量，，代入各项可可得：此即轴向扩散散模型方程（4.51））理想反应器修修正及组合模模型将理想反应器器模型进行一一些修正或将将其适当地排排列组合起来来，用以模拟拟逼近真实反反应器，也是是反应工程中中常用的方法法。一、死区的模模拟(1-f)V死区定义：有效容容积率为死区分率。。二、短路流的的模拟面积＝β面积＝1-β定义：非短路路流分率理想反应器修修正及组合模模型三、管釜串联联fVfV定义：管容积积比率理想反应器修修正及组合模模型xAfCA1CA2(CA1+CA2)/2为什么前面的的例子中不同同模型得到的的出口转化率率几乎相同？？流体的凝集态态怎样影响反反应结果？n级不可逆反反应宏观混合微观混合只有1级反应应，宏观混合合和微观混合合具有相同的的结果4.3.3流流体混合态态对化学反应应的影响4.3.3流流体混合态态对化学反应应的影响第五章停停留时间分布布与流动模型型比较上两式即即可看出不同同混合态对化化学反应速率率的影响α=1时，α＞1时，α＜1时，ABDEFGα=1α<1α>1CA1CA2(CA1+CA2)/2-rA-rA=kCAα或对于宏观混合合流体，无论论何种反应器器，只要已知知停留时间分分布函数，即即可接上式计计算对于PFR按反应动力学学方程计算的的x对于PFR，，宏观流体和和微观流体具具有相同的反反应结果4.3.3流流体混合态态对化学反应应的影响非线性动力学学宏观流体微观流体n＝0n＝0.5n＝20级不可逆反反应，CSTRn>1,宏观观流体x高n<1,微观观流体x高4.3.3流体混混合态对化化学反应的的影响迟混、早混混与非线性性动力学：如果反应动动力学为非非线性，则则仅根据停停留时间分分布函数计计算实际反反应器的生生产能力将将产生较大大的偏差。。这里用一一个经典例例子说明这这一问题。。将一平推推流反应器器与一全混混流反应器器串联，分分两种情况况：a)平推推流在前，，b)全全混流在前前。V1V24.3.3流体混混合态对化化学反应的的影响两种情况的的停留时间间分布函数数是相同的的（V1=V2）：当反应为一一级反应，，线性动力力学，a)和b)的的转化率是是相同的；；其中：而当反应为为二级时，，即为非线线性动力学学，过程的的转化率与与混合后的的顺序有关关，定量地地，，则有：forcasea)forcaseb)4.3.3流体混混合态对化化学反应的的影响例如：DaI2510a)xA=0.6340.8070.892b)xA=0.6180.7850.872可见n=2时，，a)方方式的转化化率大于b)方式式。一般而言，，n>1时，方方式a)优优于方式式b)。。n<1时，则相相反。4.3.3流体混混合态对化化学反应的的影响4.3.3流体混混合态对化化学反应的的影响第五章停停留时间间分布与流流动模型间歇反应器器：不影响响活塞流反应应器：不影影响全混流反应应器：影响响其它反应器器：影响，，返混程度度越严重，，混合态的的影响越大大连续流动反反应器内，，反应区的的物料浓度度不仅与反反应经历的的时间即停停留时间分分布有关，，也可能与与流体的混混合态及混混合的早晚晚有关，从从而影响化化学反应的的速率，使使得反应器器的出口转转化率及反反应选择性性有所不同同2.混合态态对反应器器出口转化化率的影响响：4.3非非理想流流动总结第五章停停留时间间分布与流流动模型1.流体的混合合态：有宏宏观混合（（完全离析析）、微观观混合以及及介于于两两者之间的的部分离析析部分微观观混合。2.不管什么级级数的反应应，混合态态对BR和和PFR的的反应结果果没有影响响；不管管什么反应应器（理想想或非理想想反应器）），混合态态对一一级反应的的反应结果果无影响。。3.非理想反应应器和CSTR中进进行非一级级反应，反反应结果的的计算：（1）若流流体完全离离析，用离离析流模型型计算反应应器出口处处的平均均浓度度，进而求求转化率，，也可直接接求转化率率。（2）对于于完全微观观混合的流流体，反应应结果用物物料衡算模模型计算，即理想想流动用理理想反应器器模型（BR或CSTR），，非理想流动用多多釜串联模模型或轴向向扩散模型型进行计算算。（3）处于于完全离析析和完全混混合间的流流体，混合合态对反应应的影响只只能作作定性分析析。作业4.4、4.5第四章停停留时时间分布与与流动模型型9、静夜四无无邻，荒居居旧业贫。。。1月-231月-23Friday,January6,202310、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。21:14:3721:14:3721:141/6/20239:14:37PM11、以我独沈沈久，愧君君相见频。。。1月-2321:14:3721:14Jan-2306-Jan-2312、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。21:14:3721:14:3721:14Friday,January6,202313、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。1月-231月-2321:14:3721:14:37January6,202314、他乡生白白发，旧国国见青山。。。06一月月20239:14:37下下午21:14:371月-2315、比不了