反應(yīng)器中的混合對(duì)反應(yīng)的影響

1、反應(yīng)器中的混合對(duì)反應(yīng)的影響第1頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二 概述返混定義理想置換反應(yīng)器（PFR）理想混合反應(yīng)器（CSTR）兩種流體流動(dòng)極限模型反應(yīng)器物料在反應(yīng)器中的混合在空間上的混合在時(shí)間上的混合這種混合過程返混簡(jiǎn)單混合返混第2頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二理想反應(yīng)器的流動(dòng)模式 - 平推流 和 全混流。 間歇釜全混釜u = const平推流 理想的平推流和間歇釜停留時(shí)間均一，無(wú)返混。 全混釜反應(yīng)器的返混無(wú)窮大，出口物料停留時(shí)間分布與釜內(nèi)物料的停留時(shí)間相同。 第3頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二第4頁(yè)，共96頁(yè)，202

2、2年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二實(shí)際反應(yīng)器流動(dòng)形式的復(fù)雜性u(píng)溝流回流存在速度分布 存在死區(qū)和短路現(xiàn)象 存在溝流和回流 偏離理想流動(dòng)模式，反應(yīng)結(jié)果與理想反應(yīng)器的計(jì)算值具有較大的差異。 DeadzoneShortcircuiting第5頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二 實(shí)際流動(dòng)與PF的偏離(軸向返混) 1. 并行流存在速度分布2. 存在分子熱運(yùn)動(dòng)DistributionH2空氣TT0熱反饋QEddy渦流DispersionVLaminar第6頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二 實(shí)際流動(dòng)與CSTR的偏離短路活塞流滯流離子反應(yīng) 非CSTR胃曝氣池 生化

3、反應(yīng)CSTR第7頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二 影響反應(yīng)結(jié)果的三大要素： 停留時(shí)間分布（residence time distribution, RTD）凝集態(tài)（state of aggregation）早混或遲混（earliness and lateness of mixing）RTD對(duì)反應(yīng)的影響 注入檢測(cè)第8頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二平均停留時(shí)間為 實(shí)際停留時(shí)間ti不盡相同，轉(zhuǎn)化率x1, x2, , x5亦不相同。出口轉(zhuǎn)化率應(yīng)為5個(gè)質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)化率的平均值，即 InjectionDetection第9頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3

4、點(diǎn)55分，星期二聚集態(tài)的影響理想反應(yīng)器假定混合為分子尺度，實(shí)際工程難以達(dá)到，如 結(jié)團(tuán)彌散兩種體系的反應(yīng)程度顯然應(yīng)該是不同的。 工程中，盡量改善體系的分散尺度，以達(dá)到最有效的混合，從而改善反應(yīng)效果。 鼓泡氣體液體噴霧第10頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二混合遲早度的影響早混晚混即使兩反應(yīng)體系的空時(shí)相同，由于反應(yīng)混合的遲早不同，反應(yīng)結(jié)果也不相同。 第11頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二第一節(jié) 連續(xù)反應(yīng)器中物料混合狀態(tài)分析一、混合現(xiàn)象的分類按混合對(duì)象的年齡可以把混合分成兩種：（1）同齡混合：相同年齡物料之間的混合（2）返混（back mixing） ：

5、不同年齡物料之間的混合混合尺度的大小混合也可分為兩種類型：宏觀(macro-)混合：設(shè)備尺度上的混合微觀(micro-)混合：物料微團(tuán)尺度上的混合第12頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二混合的機(jī)理總體流動(dòng)：攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)使釜內(nèi)液體產(chǎn)生一定途徑的循環(huán)流動(dòng)設(shè)備尺度上的宏觀均勻高速旋轉(zhuǎn)的旋渦與液體微團(tuán)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)和剪切力更小尺度上的均勻分子擴(kuò)散微團(tuán)最終消失微觀均勻均相第13頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二提高混合效果的措施：消除打旋現(xiàn)象：螺旋漿式渦輪式第14頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二提高混合效果的措施：加設(shè)導(dǎo)流筒螺旋式 渦輪式

6、第15頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二攪拌器的型式高轉(zhuǎn)速攪拌器1、螺旋槳式攪拌器 螺旋槳式攪拌器的總體循環(huán)流動(dòng) 推進(jìn)式 三葉片式第16頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二2、渦輪式攪拌器渦輪式攪拌器的總體循環(huán)流動(dòng) a-直葉圓盤渦輪 b-彎葉圓盤渦輪 c-直葉渦輪 d-折葉渦輪 e-彎葉渦輪第17頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二大葉片低轉(zhuǎn)速攪拌器1、槳式攪拌器2、框式和錨式攪拌器3、螺帶式攪拌器 a-錨式 bc-框式 d-螺帶式第18頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二二、連續(xù)反應(yīng)過程的考察方法 在連續(xù)攪拌反

7、應(yīng)釜或管式反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，如果反應(yīng)物料的微觀混合程度不同，則考察方法即研究方法就不同。微觀混合有兩種極限狀態(tài)，完全混合和完全不混合，研究方法完全不同。第19頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二1、以反應(yīng)容積（或微元）為對(duì)象當(dāng)物料微觀混合為完全混合時(shí)，物料呈分子狀均勻分散，物料不存在微團(tuán)。對(duì)于攪拌反應(yīng)器，物料以反應(yīng)器為邊界，對(duì)于管式反應(yīng)器，物料以dVR為邊界，所以研究的對(duì)象分別為反應(yīng)器容積VR和反應(yīng)器微元容積dVR。第20頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二2、以反應(yīng)物料為對(duì)象當(dāng)物料微觀混合為完全不混合時(shí)，物料呈微團(tuán)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，物料的邊界為微團(tuán)的邊界，所以

8、以微團(tuán)為研究對(duì)象，結(jié)合物料的停留時(shí)間分布函數(shù)和動(dòng)力學(xué)方程方程可以有定量結(jié)果。第21頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二 如果微觀混合處于中間狀態(tài)，則幾個(gè)微團(tuán)可以組成微元，研究對(duì)象為微元，目前只有定性的認(rèn)識(shí)，沒有定量結(jié)果。綜上所述，考察對(duì)象都是物料，不同的是按照微觀混合的程度劃分考察的范圍：完全混合反應(yīng)容積VR或dVR；中間狀態(tài)微元（由微團(tuán)組成）； 完全不混合微團(tuán)第22頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二第二節(jié) 停留時(shí)間分布停留時(shí)間分布的數(shù)學(xué)描述停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)定幾種流型的停留時(shí)間分布函數(shù)與分布密度停留時(shí)間分布的應(yīng)用第23頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月

9、20日，3點(diǎn)55分，星期二 一、流體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間分布返混程度停留時(shí)間分布規(guī)律定量確定停留時(shí)間概率函數(shù)概率密度函數(shù)數(shù)學(xué)期望方差兩個(gè)特征值兩個(gè)函數(shù)描述第24頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二1、停留時(shí)間分布的數(shù)學(xué)描述全混流反應(yīng)器：機(jī)械混合最大 逆向混合最大 返混程度無(wú)窮大平推流反應(yīng)器：機(jī)械混合為零 逆向混合為零 返混程度等于零間歇反應(yīng)器：機(jī)械混全最大 逆向混合為零 返混程度等于零 反應(yīng)器內(nèi)的返混程度不同停留時(shí)間不同濃度分布不同反應(yīng)速率不同反應(yīng)結(jié)果不同生產(chǎn)能力不同非理想流動(dòng)反應(yīng)器：介于兩種理想情況之間停留時(shí)間是隨機(jī)變量，因此停留時(shí)間分布是一種概率分布。第25頁(yè)，共96頁(yè)

10、，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二 1）、停留時(shí)間分布的定量描述 借用人口統(tǒng)計(jì)學(xué)（Population）兩個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù) a) 社會(huì)人口的年齡分布和 b) 死亡年齡分布，在反應(yīng)工程中假設(shè)： 在反應(yīng)器出口流體微元的停留時(shí)間分布：E(t), F(t)反應(yīng)器注入檢測(cè)原料出料a)b) 各微元保持 獨(dú)立身份(identification), 即微元間不能混合c) 不研究微元在反應(yīng)器內(nèi)的歷程, 只研究它在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間, 即壽命。則定義：第26頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二停留時(shí)間（壽命）的概念？ 例：在連續(xù)操作的反應(yīng)器內(nèi)，如果在某一瞬間（t=0）極快地向入口物流中加入

11、100個(gè)紅色粒子，同時(shí)在系統(tǒng)的出口處記下不同時(shí)間間隔流出的紅色粒子數(shù)，結(jié)果如下表。如果假定紅色粒子和主流體之間除了顏色的差別以外，其余所有性質(zhì)都完全相同，那么就可以認(rèn)為這100個(gè)粒子的停留時(shí)間分布就是主流體的停留時(shí)間分布。停留時(shí)間范圍tt+t0-22-33-44-55-66-77-88-99-1010-1111-1212-14出口流中的紅色粒子數(shù)02612182217126410分率N/N00.020.060.120.180.220.170.120.060.040.010第27頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，出口流中紅色粒子數(shù)為縱坐標(biāo)，將上表作圖：若以

12、停留時(shí)間t為橫坐標(biāo)， 為縱坐標(biāo)作圖，則每一個(gè)長(zhǎng)方形的面積為即表示停留時(shí)間為tt+t的物料占總進(jìn)料的分率。第28頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二假如示蹤劑改用紅色流體，連續(xù)檢測(cè)出口中紅色流體的濃度，如果將觀測(cè)的時(shí)間間隔縮到非常小，得到的將是一條連續(xù)的停留時(shí)間分布曲線。E(t)t t+dt t圖中曲線下微小面積E(t)dt表示停留時(shí)間在t和t+dt之間的物料占t=0時(shí)進(jìn)料的分率。第29頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二(1) 分布密度函數(shù) E(t) E(t)定義為在t=0時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的流體微元，在t時(shí)離開反應(yīng)器的概率根據(jù)定義，E(t)應(yīng)具有歸一性，即

13、因?yàn)楫?dāng)時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，t = 0時(shí)刻加入的流體質(zhì)點(diǎn)都會(huì)流出反應(yīng)器第30頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二(2) 分布函數(shù)F(t) F(t)函數(shù)定義為在t時(shí)刻離開反應(yīng)器流體質(zhì)點(diǎn)數(shù)占總示蹤流體質(zhì)點(diǎn)數(shù)的分率 E(t)與F(t)的關(guān)系： 第31頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二 二、停留時(shí)間分布規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測(cè)定入口處加“激勵(lì)” 出口處研究“響應(yīng)”示蹤法停留時(shí)間分布規(guī)律確定研究階躍示蹤法脈沖示蹤法從原物料到示蹤劑的階躍變化用示蹤劑代替原物料的瞬間變化第32頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二停留時(shí)間分布的測(cè)定一般采用示蹤技術(shù)，示蹤劑選用易檢測(cè)其

14、濃度的物質(zhì)，根據(jù)其光學(xué)、電學(xué)、化學(xué)及放射等特性，采用比色、電導(dǎo)、放射檢測(cè)等測(cè)定濃度。選擇示蹤劑要求： 1) 與主流體物性相近；2) 高低濃度均易檢測(cè)，以減少示蹤劑的用量；3) 不產(chǎn)生相變或相轉(zhuǎn)移；4) 示蹤劑濃度易轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)或電信號(hào)，以便于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理。停留時(shí)間的測(cè)定方法根據(jù)示蹤劑的加入方式分為脈沖法、階躍法和周期輸入法，前兩者應(yīng)用較廣。第33頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二1、階躍示蹤法從某一時(shí)刻起，將原物料全部切換為示蹤物，示蹤物濃度階躍突變。01.0(a)“激勵(lì)”曲線01.0(b)“響應(yīng)”曲線圖4-3 階躍法測(cè)定停留時(shí)間分布函數(shù)第34頁(yè)，共96頁(yè)，202

15、2年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二由圖可知，在t=0時(shí)，C=0；t ， C C0 時(shí)間為t時(shí)，出口物料中示蹤劑濃度為C(t)，物料流量為V，所以示蹤劑流出量為V C(t)，又因?yàn)樵跁r(shí)間為t時(shí)流出的示蹤劑，也就是反應(yīng)器中停留時(shí)間小于t的示蹤劑，按定義，物料中停留時(shí)間小于t的粒子所占的分率為F(t)，因此，當(dāng)示蹤劑入口流量為VC0時(shí)，出口流量VC0 F(t)，所以有：因此，用此法可直接方便地測(cè)定實(shí)際反應(yīng)器的留時(shí)間分布函數(shù)。第35頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二2、脈沖示蹤法在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，用示蹤物瞬間代替不含示蹤物的物料，然后又立刻恢復(fù)為原來的物料。即給物料一個(gè)脈沖訊

16、號(hào)，與之同時(shí)測(cè)定出口流的響應(yīng)曲線圖4-4 脈沖法測(cè)定停留時(shí)間分布密度函數(shù)01.0(b)“響應(yīng)”曲線0(a)“激勵(lì)”曲線第36頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二設(shè)t0時(shí)間內(nèi)注入示蹤劑的總量為M（mol），出口處濃度隨時(shí)間變化為C(t)，在示蹤劑注入后t t+dt時(shí)間間隔內(nèi)，出口處流出的示蹤劑量占總示蹤劑量的分率：若在注入示蹤劑的同時(shí)，流入反應(yīng)器的物料量為N，在注入示蹤劑后的t t+dt時(shí)間間隔內(nèi)，流出物料量為dN，則在此時(shí)間間隔內(nèi)，流出的物料占進(jìn)料的分率為：第37頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二示蹤劑的停留時(shí)間分布就是物料質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間分布，即：因此

17、：有：只要測(cè)得V，M和C（t），即可得物料質(zhì)點(diǎn)的分布密度。第38頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二由于M=VC0 t0， C0 及t0難以準(zhǔn)確測(cè)量，故示蹤劑的總量可用出口所有物料的加和表示：因此，利用脈沖法可以很方便的測(cè)出停留時(shí)間分布密度。第39頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二脈沖法和階躍法的比較脈沖法階躍法示蹤劑注入方法在原有的流股中加入示蹤劑，不改變?cè)鞴闪髁繉⒃辛鞴蓳Q成流量與其相同的示蹤劑流股E(t)可直接測(cè)得F(t)可直接測(cè)得第40頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二研究不同流型的停留時(shí)間分布，通常是比較它們的統(tǒng)計(jì)特征

18、值。常用的特征值有兩個(gè)：數(shù)學(xué)期望平均值方差離散程度平均停留時(shí)間它是指整個(gè)物料在設(shè)備內(nèi)的停留時(shí)間，而不是個(gè)別質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間。不管設(shè)備型式和個(gè)別質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間，只要反應(yīng)體積與物料體積流量比值相同，平均停留時(shí)間就相同。三、停留時(shí)間分布的數(shù)字特征第41頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二E(t)dt=dF(t)F(t)：所有停留時(shí)間為0-t的質(zhì)點(diǎn)所占的分率F(t+dt)：所有停留時(shí)間為0-t+dt的質(zhì)點(diǎn)所占的分率dF(t)= F(t+dt)- F(t)dF(t)：所有停留時(shí)間為t-t+dt的質(zhì)點(diǎn)所占的分率數(shù)學(xué)期望：所有質(zhì)點(diǎn)停留時(shí)間的“加權(quán)平均值”（4-17）,（4-18）第42頁(yè)，

19、共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二在等時(shí)間間隔取樣時(shí)：tt1t2t3.E(t)E(t1)E(t2)E(t3)對(duì)于離散型測(cè)定值，可以用加和代替積分值（4-19）第43頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二方差是停留時(shí)間分布離散程度的量度方差越小，越接近平推流對(duì)平推流，各物料質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間相等，故 方差為零。方差：各個(gè)物料質(zhì)點(diǎn)停留時(shí)間t與平均停時(shí)間 差的平方的加權(quán)平均值。（4-20）第44頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二如果是離散型數(shù)據(jù)，將積分改為加和：取樣為等時(shí)間間隔時(shí)：（4-20）第45頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分

20、，星期二平均對(duì)比時(shí)間：停留時(shí)間為t時(shí)， ，因此，和t一一對(duì)應(yīng)，且有：F（ ）=F（t），此時(shí)：歸一性：對(duì)比時(shí)間（無(wú)因次時(shí)間）：（4-22）第46頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二用表示的方差：（4-24）第47頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二描述停留時(shí)間分布的兩個(gè)函數(shù)：（4-24）第48頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二四、理想流型反應(yīng)器停留時(shí)間分布平推流模型全混流模型第49頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二1、平推流：“激勵(lì)”曲線“響應(yīng)”曲線圖4-5 理想置換反應(yīng)器“激勵(lì)”與“響應(yīng)”曲線兩條曲線完全一樣

21、，只是“響應(yīng)”曲線比“激勵(lì)”曲線平移了一段 時(shí)間 。第50頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二所有物料質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間都相同，且等于整個(gè)物料的平均停留時(shí)間tm，停留時(shí)間分布函數(shù)與分布密度為：由方差定義，第51頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二設(shè)進(jìn)行階躍注入實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)器的容積為VR，物料的體積流量為V，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，從t=0開始，將進(jìn)料切換為含示蹤劑濃度為C0的物料，在切換后某dt時(shí)間內(nèi)，對(duì)全釜作物料衡算：進(jìn)入的示蹤劑量=流出的示蹤劑量+示蹤劑的積累量全混流第52頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二給全混流反應(yīng)器一個(gè)階越“激勵(lì)”“激勵(lì)”曲

22、線“響應(yīng)”曲線 全混流反應(yīng)器“激勵(lì)”與“響應(yīng)”曲線第53頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二 對(duì)反應(yīng)器做示蹤物的物料衡算：第54頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二例：現(xiàn)有一個(gè)停留時(shí)間相同的全混釜和平推流反應(yīng)器當(dāng)二者以不同的方式進(jìn)行串聯(lián)時(shí)，其各自的最終轉(zhuǎn)化率為多少？已知：停留時(shí)間為1min，反應(yīng)速率常數(shù)為1.0m3/kmol.min,液相反應(yīng)物濃度為1kmol/m解：全混釜在前，平推流在后全混釜停留1min后反應(yīng)物的濃度：第55頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二反應(yīng)物濃度為cA1后進(jìn)入平推流在平推流停留1min后反應(yīng)物的濃度：平推流

23、在前停留1min后反應(yīng)物的濃度：第56頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二在全混釜中再停留1min后反應(yīng)物的濃度：第57頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二 五、利用RTD診斷反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)狀況第58頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二第59頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二實(shí)際反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況總是偏離理想流動(dòng)很難建立其真實(shí)方程可以先建立一種非理想流動(dòng)模型，用它來描述實(shí)際反應(yīng)器中的流動(dòng)情況再通過對(duì)模型參數(shù)估值來確定偏離理想流動(dòng)的具體程度 常用模型有：層流模型；軸向擴(kuò)散模型； 多級(jí)串聯(lián)全混流模型；組合模型非理想流動(dòng)

24、是指物料在反應(yīng)器內(nèi)有部分返混發(fā)生，目前對(duì)非理想流動(dòng)一般借助于模型加以描述。第三節(jié) 非理想流動(dòng)模型第60頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二 CSTR(0維) PFR(一維) PD模型(一維) 徑向擴(kuò)散PFR(準(zhǔn)二維)CoCC0CC0CC0CC1徑向射流(圓柱形三維)四角射流(異形三維)渦流V(x,y,z)C(x,y,z)T(x,y,z)圓柱座標(biāo)直角座標(biāo)1、反應(yīng)器流動(dòng)模式 第61頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二2、停留時(shí)間分布的應(yīng)用確定模型參數(shù)m或Pe用多級(jí)串聯(lián)全混流模型或軸向擴(kuò)散模型模擬實(shí)際反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況，關(guān)鍵是確定串聯(lián)的級(jí)數(shù)m或Pe， m或Pe

25、又與方差有關(guān)，因此，可以通過實(shí)驗(yàn)確定停留時(shí)間分布，進(jìn)而計(jì)算方差， m或Pe，然后求得轉(zhuǎn)化率。定性分析流動(dòng)狀況活塞流全混流定量分析流動(dòng)狀況實(shí)際反應(yīng)器中可能存在短路與死角，使實(shí)際的平均停留時(shí)間不等于VR/V，因此可以得用停留時(shí)間分布來定量估算死角與短路的程度。第62頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二例：某全混流反應(yīng)器體積為100L，物料流率為1L/s，試求在反應(yīng)器中停留時(shí)間為（1）90110s，（2）0100s，（3）100s的物料占總進(jìn)料的比率。 解：出口物料的份額用F(t)表示， 所求比率90110s ：F(110) F(90) = 0.074 = 7.4% 小于平均停留

26、時(shí)間的物料占63.2% 大于 的物料占總物料的36.8% 第63頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二 實(shí)際反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)是很復(fù)雜的，僅用理想化的平推流或全混流進(jìn)行計(jì)算是不夠的，非常必要對(duì)實(shí)際的流型進(jìn)行逼近模擬。常用的方法有如下幾種。 第64頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二填料塔層流模型可對(duì)平推流模型進(jìn)行修正，但比較粗糙。主要模型假設(shè)為：1) 反應(yīng)混合物在管內(nèi)作層流流動(dòng)。2) 反應(yīng)混合物在軸徑向均不存在返混。 u第65頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二軸向混合模型在平推流模型的基礎(chǔ)上再迭加一個(gè)軸向混合軸向擴(kuò)散模型的基本假設(shè)：第66

27、頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二 流體沿軸向有參數(shù)變化，徑向參數(shù)均一； 流體流動(dòng)主流為平推流但疊加一逆向渦流擴(kuò)散； 逆向渦流擴(kuò)散遵循菲克定理，但整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)為一常數(shù)。第67頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二軸向擴(kuò)散模型仿照分子擴(kuò)散中用擴(kuò)散系數(shù)分子運(yùn)動(dòng)表征有效擴(kuò)散系數(shù)表征一維返混用平推流反應(yīng)器+渦流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)非理想流動(dòng)的管式反應(yīng)器主要用于湍流流動(dòng)的管式反應(yīng)器、固定床反應(yīng)器、塔式反應(yīng)器。第68頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二軸向混合模型對(duì)實(shí)際反應(yīng)器，處理時(shí)在平推流的基礎(chǔ)上迭加一個(gè)軸向混合來進(jìn)行校正。適合于不存在死角、短路和

28、循環(huán)流、返混程度較小的非理想流動(dòng)模型。 模型參數(shù)是軸向混合彌散系數(shù)EZ，停留時(shí)間分布可表示為EZ的函數(shù)。Peclet準(zhǔn)數(shù)：當(dāng)返混程度相當(dāng)小時(shí)；數(shù)學(xué)期望=1 方差對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率可表示為：第69頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二第70頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二0 0.5 1.0 1.5 2.00.51.01.52.00.050.10.5110第71頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二0 0.5 1.0 1.5 2.00.20.40.60.81.00.0010.0120.0250. 25第72頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，

29、5月20日，3點(diǎn)55分，星期二基本假設(shè)： 由m個(gè)體積相等的CSTR串聯(lián)組成；從一個(gè)CSTR到下一個(gè)CSTR之間的管道內(nèi)物料不發(fā)生反應(yīng)。多級(jí)全混流串聯(lián)模型多釜串聯(lián)模型:用幾個(gè)等體積的全混流反應(yīng)器串聯(lián)來模擬實(shí)際反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況。第73頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二0 0.5 1.0 1.5 0.51.0m=1m=2m=5m=10m0 0.5 1.0 1.5 0.51.0m=1m=2m=5m=10m圖4-11 不同m值時(shí)的E(), F()曲線第74頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二每一級(jí)的停留時(shí)間ti=tm/m。模型參數(shù)為串聯(lián)級(jí)數(shù)m。方差m=1時(shí)，

30、即為全混流模型m=時(shí)， 即為平推流模型對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率可表示為：假設(shè)實(shí)際反應(yīng)器中的返混程度與m個(gè)等體積的全混流反應(yīng)器串聯(lián)時(shí)相同，m是虛擬釜數(shù)，不一定是整數(shù)。第75頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二 當(dāng)m=1時(shí)，多級(jí)混合釜模型的停留時(shí)間分布函數(shù)與CSTR相同。當(dāng)m時(shí)，多級(jí)混合釜模型的停留時(shí)間分布函數(shù)與PFR相同。當(dāng)1m 時(shí)，多級(jí)混合釜模型的停留時(shí)間分布函數(shù)屬于非理想流動(dòng)反應(yīng)器。第76頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二多級(jí)混合釜模型的應(yīng)用1、多個(gè)CSTR串聯(lián)操作時(shí)，當(dāng)釜數(shù)由一增加到無(wú)限多個(gè)，其停留時(shí)間分布規(guī)律將按CSTR 到非理想流動(dòng)反應(yīng)器到PF

31、R的分布規(guī)律變化。2、如果釜數(shù)選擇恰當(dāng)，該模型的停留時(shí)間分布規(guī)律可以與任何一個(gè)非理想流動(dòng)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布規(guī)律相同（即兩者的返混程度相同）。3、可以用多級(jí)全混流模型計(jì)算任何一種非理想流動(dòng)反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)釜個(gè)數(shù)為：第77頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二組合模型適用于上述兩種模型不能很好表達(dá)的情況將實(shí)際反應(yīng)器的流動(dòng)情況設(shè)想為平推流、全混流、死區(qū)、短路、循環(huán)流等部分組成組合模型的幾種典型例子：第78頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二第五節(jié) 非理想流動(dòng)反應(yīng)器的計(jì)算準(zhǔn)確地計(jì)算實(shí)際反應(yīng)器的生產(chǎn)能力和轉(zhuǎn)化率，需已知兩個(gè)前提條件： 1) 本征動(dòng)力學(xué)方程 2)

32、 反應(yīng)器停留時(shí)間分布函數(shù)如實(shí)際反應(yīng)器中諸微元具有獨(dú)立身份，則可以想象為實(shí)際反應(yīng)器由不同長(zhǎng)度管式反應(yīng)器并聯(lián)組成： 入口出口為各并聯(lián)反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率的積分平均。第79頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二出口轉(zhuǎn)化率 停留時(shí)間為ti的轉(zhuǎn)化率 ti的流量分量 即或無(wú)論何種反應(yīng)器，只要已知停留時(shí)間分布函數(shù)，即可接上式計(jì)算 出口第80頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二對(duì)全混流對(duì)2級(jí)動(dòng)力學(xué)第81頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二對(duì)平推流對(duì)2級(jí)動(dòng)力學(xué)第82頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)55分，星期二例：應(yīng)用脈沖示蹤法測(cè)定一容積為12L的反應(yīng)裝置，進(jìn)入反應(yīng)器的流體速度0.8L/min，在定常態(tài)下脈沖地輸入80g示蹤劑A，并同時(shí)在反應(yīng)器出口處記錄cA隨時(shí)間的變化，其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)列于下表: t(min)05101520253035 cA(g/L)03554210若用其進(jìn)行某一級(jí)液相不可逆反應(yīng)(-rA)=k cA,k=0.307min-1,當(dāng)平均停留時(shí)間為15min時(shí)，試求：（1）采用多級(jí)全混流模型時(shí)，其最終轉(zhuǎn)化率為多