chap-3-非理想流动反应器全解

3非抱负流淌反响器3.1概述抱负反响器 ◆长直流管式反响器→PFR，无返混 ◆连续搅拌反响器→CSTR，完全返混实际反响器 ◆流体元—流体流淌时独立存在的最小单元 ◆流体流淌：流速分布；集中；对流等◆设备设计：短路；死区；〔沟流〕 ◆停留时间分布：↗r↗—↗ ◆局部返混与流体输送有关的根本原理，称为“流体流淌”1〔一〕根本概念年龄：物料〔质点〕从进入反响器开头，目前已经在反响器内逗留的时间〔照旧未离开反响器〕停留时间：物料〔质点〕从进入反响器开头，到离开反响器为止，在反响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〕及其区分停留时间分布争论的主要应用◆诊断型；◆设计型2〔二〕返混对反响过程的影响停留时间分别为t1和t2物料混合的反响速率不等于两者反响速率的平均值，即：33.2流体在反响器内的停留时间分布〔三〕按返混程度对反响器分类◆完全不返混反响器〔PFR〕◆完全返混反响器〔CSTR〕◆局部返混反响器定量描述—引入概率论的方法物料在反响器中的逗留时间〔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4定量描述引例：假设有一个如以下图的连续流淌反响器，考察一个小的流体团A，流入反响器后如何流出56◆假设将全部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响时，流过反响器的物料中，停留时间小于t的物料占总流出物的分率8〔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响时，流过反响器的物料中，停留时间介于t和t+dt之间的物料占总流出物的分率9〔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103.2.2以比照时间作自变量的停留时间分布◆以比照时间为自变量表示的停留时间分布规律◆比照时间的定义：11两种停留时间分布规律之间的相互关系123.2.3停留时间〔RTD〕的试验测定输入示踪物为鼓舞输出示踪物为响应回忆：雷诺数与流体流淌类型的相互关系〔红墨水试验〕停留时间试验测定目的：判定反响器内流体的流淌状态方法：示踪应答技术〔鼓舞－响应〕对示踪物的要求：◆与被测流体互溶，且无化学反响；◆示踪剂不易发生相转移；◆参与示踪剂不影响流型；◆易于检测；◆无害且价廉。13示踪物参与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转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局部组成，一局部是t=0时刻之前进入的，另一局部是t=0时刻之后进入的16假设阶跃输入前物料中不含示踪物时，则17例题3-1测定某一反响器停留时间分布规律，承受阶跃示踪法，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。18192021〔2〕脉冲示踪法22示踪物衡算：在t0时间间隔内向流量为V的流体中参与总量为m的示踪物，则23例题3-2在稳定操作的连续搅拌式形反响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解：本试验承受脉冲示踪法，测定的时间间隔一样(△t=120s)，计算式为：25计算结果：26273.2.4抱负反响器的停留时间分布规律PFR鼓舞与响应过程的物理描述：28CSTR鼓舞与响应过程的物理描述：29鼓舞过程的数学描述：30CSTR—以阶跃示踪法为例31PFR和CSTR停留时间分布规律的比照32333.3非抱负流淌模型用来描述介于两种抱负状况之间的流型，并通过对流型的描述，估量在非抱负流淌状态下的反响结果。将流型与化学反响联系起来，估量反响体积、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集中模型。343.3.1凝集流模型根底物理模型：间歇反响器根本假定：流体以流体团的方式流过反响器，且彼此之间不发生混合；每个流体团相当于一个小反响器；由于返混的作用，每个流体团在反响器内的停留时间不同，到达的转化率因而不同，在反响器出口处的宏观转化率，就是各不同停留时间的流体团到达的转化率的平均值。353.3.1凝集流模型实际反响器与B.R.的关联：每个流体团都作为一个间歇反响器，它的反响时间由停留时间分布准备。而流体团在停留时间内到达的转化率由反响动力学准备。最终，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：相当于假设干间歇反响器的并联，将非抱负流淌对反响的影响明显化了。36

凝集流模型的数学描述3738393.3.2多级串联混合槽模型根底物理模型：CSTR根本假定：反响器是由假设干大小相等的全混流反响器串联而成；各全混流反响器之间不存在返混，输送管道内不发生化学反响；定常态操作。模型实质：以停留时间分布为纽带，通过假设干个串联CSTR反响器的行为分析靠近非抱负反响器。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反响器停留时间分布规律的计算1根底衡算方程：2以阶跃输入法测定停留时间分布，则在时间t时对第i个反响器的示踪物进展物料衡算可得：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对其次级CSTR436

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：44

各级CSTR停留时间分布规律的计算45461N=1，全混流2N=，平推流3N等于某一值，意味着该反响器的返混程度相当于N个抱负混合反响器的串联-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。47多级混合槽模型的应用483.3.3轴向集中模型根底物理模型：PFR根本假定：主体流淌为平推流，但叠加一涡流集中；涡流集中遵循费克集中定律且在整个反响器内集中系数为常数；定常态操作。费克集中定律(Fick’slaw)49在有化学反响时对反响物做物料衡算：dlPFR+轴向集中50整理得：5152开式边条：边界处与反响器内流淌型态没有突变闭式边条：边界处与反响器内流淌型态存在突变开开，开闭，闭开，闭闭。反响器内有返混，如边界处有返混，则为开式边界条件，假设边界处没有返混，则为闭式边界条件53开开式边界条件下的解545556通过集中模型求转化率定常态下，由根底方程简化得5758对一级不行逆反响，有解析解59解题步骤：60试用轴向集中模型中的开-开式边值条件及闭-闭式边值条件计算例3-3中反响器出口物料的转化率。解：此题中: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本例题假设按平推流反响器计算，其出口转化率将是：按全混釜式反响器计算其出口转化率，将是：65663.4均相反响过程的模型法计算小结试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响器模型的建立程序67均相反响过程模型法争论步骤3.4.1小试争论反响规律反响类型、产物分布、化学计量关系、动力学规律等。奠定合理选择反响器类型及反响器设计计算根底3.4.2依据化学反响规律合理选择反响器类型从反响类型〔单一、自催化、可逆、平行和连串反响〕和动力学动身初步确定反响器类型3.4.3大型冷模试验争论传递过程规律均相反响：以停留时间分布规律归纳描述683.4.4反响器设计计算综合反响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完全返混实际反响器散度值