反应器 混合反应

第四章

反应器中的混合及对反应的影响

连续反应器中混合状态的分析停留时间分布

非理想流动模型非理想流动反应器的计算2/12/2024化学反应是不同物质分子间的化学作用，反应进行的必要条件是反应物质之间先要达到接触（混合）；对CSTR或间歇搅拌反应器，搅拌的目的就是将釜内的物料混合均匀。混合？2/12/2024物料的年龄是指物料在反应器中已停留的时间；物料的寿命是物料粒子从入到出反应器所停留的时间；“混合”只是一种总称，按其性质分类可有多种不同的情况。寿命与年龄2/12/2024同龄混合

相同年龄物料之间的混合

如间歇反应返混不同年龄物料之间的混合如CSTR按混合对象的年龄分类2/12/2024宏观混合

指设备尺度上的混合现象

PFR与CSTR是两种极端的流动状态微观混合

它是一种物料微团尺度上的混合

所谓微团是指固体颗粒、液滴或气泡等尺度物料的聚集体。

按混合发生的尺度大小分类2/12/2024在发生混合作用时，各个微团之间可以达到完全相混，也可能完全不混或是介于两者之间均相反应过程是微团之间可以达到完全相混固相加工反应是微团之间完全不发生相混2/12/2024湍流混合反应物经由机械搅拌或高速流体的射流所造成湍流流动被撕裂，破碎成物料微团而分散于另一流体中。分子扩散被湍流所破碎的物料微团，通过与其周围流体之间的分子扩散作用而达到分子尺度的均匀，即达到均相状态。

？预混合是如何影响快、慢速反应过程的混合过程的步骤2/12/20242/12/20242/12/2024

在反应器内任取一尺度远小于反应器的微元（但仍含有大量分子），在微元内不存在组成和温度的差异，即已达到分子尺度的均匀。在均相反应器内不存在微元尺度的质量传递和热量传递。均相反应器的特征2/12/2024

一种是反应器的进料只有一股物料，在进入反应器前已达到分子尺度的均匀，进入反应器后由于条件的改变而发生反应;

另一种是反应器有两股（或多股）组成不同的进料，进入反应器后由于机械搅拌或高速流体造成的射流，流体被湍流脉动破碎成微团而相互混合，再借助分子扩散，达到分子尺度的均匀。达到分子尺度的均匀的两种途径2/12/2024均相反应和非均相反应的区别只具有相对的意义：1.有时难以清晰区分，例如在以酶为催化剂制备蛋白质的生物反应过程中，因为酶本身是组成复杂的蛋白质大分子，胶体尺寸为10-100nm，含酶的溶液代表了均相和非均相体系之间的一个灰色区域。2.同一反应过程在不同条件下，应视为均相反应或非均相反应可能发生转化。

2/12/2024按操作方式，可分为间歇反应器、连续反应器和半间歇（或半连续）反应器。按反应物料的宏观混合状态，可分为集中参数系统和分布参数系统；对连续流动反应器还可按反应器中是否存在停留时间不同的物料之间的混合，即返混进行分类。理想反应器指实际反应器流型的几种极限情况(1)理想间歇反应器；(2)活塞流反应器——返混为零的连续流动反应器；(3)全混流反应器——返混为无穷大的连续流动反应器。2/12/2024注意：PFR与Batch均无返混C=f(t)――BatchPFR的τ相当于Batch的tC=f(l)――PFRCSTR有强烈返混，推动力↓。偏离理想状态径向流速不均匀

PFR沟流涡流搅拌不均匀

CSTR死角短路2/12/2024偏离理想状态2/12/2024停留时间分布如何观测与度量返混如何描述非理想流动1.

停留时间分布测试

易控制，易测实验－安示踪物与原物料性质相近不改变流动特征2/12/2024实验测定方法与响应特征用脉冲或阶跃法注入示踪剂，跟踪实验看信号的响应来观察停留时间分布。2/12/2024脉冲法2/12/2024脉冲法2/12/2024阶跃法2/12/2024阶跃法测停留时间分布2/12/2024(2)

停留时间分布密度与停留时间分布函数：R.T在t与(t+dt)间的物料质点的分率归一化：，F(t)：的物料质点的分率脉冲实验，测的是阶跃实验，测的是2/12/2024(3)PFR与CSTR的、PFR：：：2/12/2024CSTR:某一时刻，进口示踪物加入量－出口示踪物流出量＝器内示踪物积累量时，C＝0

2/12/2024(4)停留时间分布测定的作用①计算物料的R.T.D.②定性分析流型③定量判别流型(得到非理想反应器的模型参数)2/12/20242.停留时间分布的数学特征②

③平均停留时间

停留时间的数学期望④离散度t对的偏离情况，又叫方差①2/12/2024⑤对比时间PFR:CSTR:

2/12/2024组合模型2/12/2024组合模型2/12/2024对理想流动模型修正(1)层流模型在PFR基础上修正假定反应器同平面流速分布为

则

非理想流动模型2/12/20242/12/2024(2)扩散模型在PFR基础上修正假定主流体向前流动，少量流体反向扩散引入Peclet准数，Pe＝uL/DlDl很小，Pe很大；当Pe大于200时，忽略返混,PFR:1/pe=0Dl很大，Pe很小；当Pe小于.005时，返混很大,CSTR:1/pe=∞由R.T.D曲线→计算方差→计算方差→当返混不太大时，Pe＝2/→计算Dl→代入扩散模型求解。求出Pe后，可从有关图表上直接查出实际反应器的转化率。2/12/20242/12/2024(3)多个CSTR串联模型在CSTR基础上修正假定被考察的反应器有m个CSTR串联由R.T.D曲线→计算方差→模型参数m＝1/m=1：CSTRm→∞：PFR2/12/2024

例：2/12/2024例：在上述反应器中进行等温一级不可逆反应，求反应器出口转化率。(1)若反应器近似为PFR，(2)若反应器近似为CSTR，x=1-1/(1+kt)=0.822(