變溫過程均相反應(yīng)器與非理想流動(dòng).ppt

第四章 變溫過程均相反應(yīng)器,4.1概述 4.2通用圖解設(shè)計(jì) 4.3最佳溫度控制 4.4熱量衡算通式 4.5間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算 4.6平推流反應(yīng)器 4.7全混流反應(yīng)器CSTR的熱穩(wěn)定性分析,熱量衡算通式,4.5間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算,絕熱操作 ，,為常數(shù)，當(dāng),4.6平推流反應(yīng)器,方程組的求解：四階Runge-Kutta法,絕熱操作 ，恒分子流時(shí),式中， 稱作絕熱溫升。 對(duì)于吸熱反應(yīng)，稱作絕熱溫降。,4.7全混流反應(yīng)器CSTR的熱穩(wěn)定性分析,4.7.1熱量衡算方程 時(shí)間基準(zhǔn)：取1h 空間基準(zhǔn)：取反應(yīng)器有效體積V 忽略,CP變化 原料帶入熱量+反應(yīng)放出的熱量=產(chǎn)物帶走的熱量+散熱量,4.7.2 CSTR的熱穩(wěn)定性,1. 放熱反應(yīng) 不可逆反應(yīng) 放熱速率,移熱速率：,QrT為一條直線； 多重定常態(tài)： 穩(wěn)定定常態(tài)： 不穩(wěn)定定常態(tài)：,可逆反應(yīng) QgT出現(xiàn)最大值。 2、 吸熱反應(yīng) 不存在熱穩(wěn)定性問題。,4.7.3定常態(tài)熱穩(wěn)定性的判據(jù),定態(tài)穩(wěn)定操作點(diǎn)的必要條件： 不穩(wěn)定操作的充分條件：,第五章 非理想流動(dòng)（Nonideal Flow）,5.1 概述 5.2停留時(shí)間分布的分布函數(shù) 5.3 停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測定 5.4 兩種理想流動(dòng)模式的停留時(shí)間分布 5.5 非理想流動(dòng)的流動(dòng)模型,5.1 概述,理想流動(dòng)平推流與全混流 平推流：所有流體質(zhì)點(diǎn)（微元）具有相同的停留時(shí)間分布 全混流：各流體微元在反應(yīng)器中停留時(shí)間各不相同，即具有停留時(shí)間分布（Residence Time Distibution ，簡稱為RTD）。,研究停留時(shí)間分布對(duì)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和強(qiáng)化的重要意義： 反應(yīng)深度與反應(yīng)物料在反應(yīng)器中停留時(shí)間長短有關(guān)。 非理想流動(dòng)：所有偏離平推流和全混流的流動(dòng)模式。 原因有：流體在反應(yīng)器中的流速分布不均（層流與湍流），流體的分子擴(kuò)散及對(duì)流擴(kuò)散，攪拌造成的強(qiáng)制對(duì)流，設(shè)備設(shè)計(jì)、安裝不良造成的短路、死區(qū)、溝流等。,5.2停留時(shí)間分布的分布函數(shù),閉式反應(yīng)器系統(tǒng)：假定流體微元一旦進(jìn)入系統(tǒng)就再也不能返回輸入流體的管道中，而由輸出管道流出的微元也再不能返回到反應(yīng)系統(tǒng)，即反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)口處的流體微元只進(jìn)不出而出口處的只出不進(jìn)。對(duì)于大多數(shù)反應(yīng)器其進(jìn)出口的管道相對(duì)于設(shè)備的直徑來說要小得多，這時(shí)進(jìn)出管口處的流體微元呈平推流，符合閉式容器的假設(shè)。,5.2-1 停留時(shí)間分布函數(shù),1. 停留時(shí)間分布密度函數(shù)E(t) 壽命分布密度函數(shù)E(t) E(t)定義：當(dāng)流體以穩(wěn)定的流速進(jìn)入設(shè)備而不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，在時(shí)間t=0時(shí)于瞬間 dt 進(jìn)入設(shè)備的流體微元中，具有停留時(shí)間為t到 （t+dt）之間的流體微元dN占當(dāng)初流入量N的分率為E(t)dt。,因次為：時(shí)間-1 歸一化性質(zhì)：,2.停留時(shí)間分布函數(shù)F(t) 壽命分布函數(shù) 當(dāng)流體以穩(wěn)定的流速進(jìn)入設(shè)備而不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，在時(shí)間0t之間進(jìn)入設(shè)備的流體微元中，具有停留時(shí)間為0到 t之間的流體微元流出量占流入量的分率。,F(t)意義是停留時(shí)間小于t的流體微元所占分率，是一無因次量。 典型的F(t)曲線：,F(0)=0 ， F()=1 1-F(t)為停留時(shí)間大于t的流體質(zhì)點(diǎn)所占的分率。,3.年齡分布密度函數(shù)I(t) 對(duì)設(shè)備內(nèi)流體微元而言。 當(dāng)流體以穩(wěn)定的流速進(jìn)入設(shè)備而不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，在時(shí)間t=0時(shí)于瞬間 dt 進(jìn)入設(shè)備的流體微元中，具有停留時(shí)間為t到 （t+dt）之間的流體微元在設(shè)備的存留量dN占設(shè)備內(nèi)物流量的分率為I(t)dt。,4.年齡分布函數(shù)Y(t) 當(dāng)流體以穩(wěn)定的流速進(jìn)入設(shè)備而不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，在時(shí)間0t進(jìn)入設(shè)備的流體微元中，具有停留時(shí)間為0 t之間的流體微元在設(shè)備的存留量N占設(shè)備內(nèi)物流量的分率為Y(t)。,5.2-2 停留時(shí)間分布函數(shù)的特征值,1.平均停留時(shí)間,平均停留時(shí)間 的意義：E(t)曲線的分布中心，或說E(t)t曲線所圍面積的重心在時(shí)間軸上的投影。在數(shù)學(xué)上 稱為E(t)曲線對(duì)原點(diǎn)的一次矩。 也是F(t)曲線上方與F()=1橫線所圍面積，也是這塊面積的平均寬度。,2.方差 ：停留時(shí)間分布的離散程度。 數(shù)學(xué)上用對(duì)平均停留時(shí)間 的二階中心矩表示。,3.對(duì)比時(shí)間,閉式容器：,以對(duì)比時(shí)間表示的停留時(shí)間分布函數(shù)具有以下特征：,閉式容器：,閉式容器：,5.3 停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測定 物理示蹤法：采用一種易觀測的無化學(xué)反應(yīng)活性的物質(zhì)按一定的輸入方式加入穩(wěn)定的流動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)在出口處觀測該示蹤物質(zhì)濃度隨時(shí)間的變化情況以確定系統(tǒng)物料的停留時(shí)間分布。 示蹤劑的選擇原則： （1）與主流體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且易于與主流體溶于一體，不影響主流體的流動(dòng)狀況。 （2）易于檢測 （3）不發(fā)生相轉(zhuǎn)移 （4）易于轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦盘?hào)，便于實(shí)時(shí)分析。,5.3-1 脈沖示蹤法 加入示蹤劑量：,Q(g),V0 L/min,CA(t) g/L,V0,輸入信號(hào)（激勵(lì)） 輸出信號(hào)（響應(yīng)）,CA(t),t,離散型數(shù)據(jù)：,等時(shí)間間隔，, ,等時(shí)間間隔，,例：用脈沖示蹤法測定反應(yīng)器中物料的停留時(shí)間分布。 F(t)、E(t)、2。,5.3-2階躍示蹤法 直接測定的是F(t)函數(shù)。,5.4 兩種理想流動(dòng)模式的停留時(shí)間分布 5.4-1 平推流的E(t)和F(t) E(t)與F(t)曲線形狀：,E(t),脈沖激勵(lì),p,階躍激勵(lì),p,F(t) 1.0,5.4-2全混流的E(t)和F(t) 階躍示蹤法：,E(t),F(t) 1.0,工業(yè)反應(yīng)器的無因次方差 為01。,5.5 非理想流動(dòng)的流動(dòng)模型 返混和停留時(shí)間分布之間并不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系 返混將導(dǎo)致反應(yīng)器中流體微元之間的停留時(shí)間分布，但有停留時(shí)間分布的反應(yīng)器未必一定有返混存在（如在管內(nèi)做層流流動(dòng)的管式反應(yīng)器） 建立流動(dòng)模型的步驟 1.通過冷模實(shí)驗(yàn)測定裝置的RTD。 2.提出模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定模型參數(shù)。 3.進(jìn)行動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算預(yù)測反應(yīng)結(jié)果。 4.通過一定規(guī)模的熱模實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。,5.5-1 多級(jí)全混流串聯(lián)模型 模型假設(shè)：（1）每釜體積相等 （2）釜間無返混 1.系統(tǒng)停留時(shí)間分布函數(shù)與模型參數(shù)的推導(dǎo)。,二級(jí)反應(yīng)時(shí)，查圖3.4-4，由N=n線與kCA0=m線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為1-xA=y，從而計(jì)算得到xAf的數(shù)值。,一級(jí)反應(yīng)時(shí)，,5.5-2 軸向擴(kuò)散模型 在平推流的基礎(chǔ)上疊加軸向的反向渦流擴(kuò)散，擴(kuò)散通量符合Fick定律。 適用范圍：反混程度不大的管式、塔式或連續(xù)流動(dòng)設(shè)備。 模型的基本假定： （1）流動(dòng)為定常態(tài)，過程參數(shù)是管長的連續(xù)函數(shù)； （2）徑向組成與流速均勻； （3）擴(kuò)散系數(shù)視為常數(shù)。,1.物料衡算 模型參數(shù)Pe： 2.模型參數(shù)Pe的求取： （1） 返混較小，Pe100 ,方差具有加和性。,(1)返混較大，Pe100 閉式邊界 開閉式邊界 開開式邊界,1. 軸向擴(kuò)散模型的應(yīng)用 一級(jí)反應(yīng)：,式中，,例：脈沖示蹤法測得無反應(yīng)時(shí)的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器出口示蹤劑濃度與時(shí)間的對(duì)應(yīng)值為： 今在同樣流動(dòng)狀態(tài)下于反應(yīng)器中進(jìn)行一級(jí)和二級(jí)不可逆反應(yīng)，一級(jí)反應(yīng)k=2,二級(jí)反應(yīng)kCA0=10，用軸向分散模型和多釜串聯(lián)模型計(jì)算反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率，并且與平推流及全混流反應(yīng)器的結(jié)果比較。,5.5-3 層流模型 5.5-4 組合模型 工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)偏離理想流動(dòng)的原因： （1） 死區(qū) （2） 溝流與短路 （3） 循環(huán)流 組合模型就是在模擬工業(yè)反應(yīng)器的流動(dòng)狀態(tài)過程中將流動(dòng)分為理想模式（PFR或CSTR）與非理想因素的組合。,幾種常見的單參數(shù)模型： （1） 具有死區(qū)的PFR模型： （2） 帶有短路流的PFR模型： （3） 具有死區(qū)的CSTR模型： （4） 帶有短路流的CSTR模型： （5） 平推流和全混流串聯(lián)的組合模型 （6） 平推流和全混流并聯(lián)的組合模型,5.5-5宏觀流反應(yīng)器的計(jì)算 微觀流體：達(dá)到分子水平的均勻混合。 宏觀流體：宏觀上是均勻混合的，但在微觀上卻是由許多互相獨(dú)立的微團(tuán)所組成，微團(tuán)內(nèi)混合均勻，微團(tuán)間沒有質(zhì)量交換。在流動(dòng)和反應(yīng)過程中，每個(gè)微團(tuán)相當(dāng)于一個(gè)微型的間歇釜。轉(zhuǎn)化率取加權(quán)