聚合反應(yīng)工程課件-6

第六節(jié)流動模型通過對復(fù)雜的實際過程的分析，進(jìn)行合理的簡化，然后用一定的數(shù)學(xué)方法予以描述，使其符合實際過程的規(guī)律性，這種方法稱為模型法。

為了研究反應(yīng)器內(nèi)流體的實際流動形態(tài)，在不改變其性質(zhì)的前提下，對其加以適當(dāng)?shù)睦硐牖?，這種適當(dāng)理想化的流動模型，稱為流動模型，是設(shè)計和放大反應(yīng)器的基礎(chǔ)。

目前，流動模型可以分為理想流動模型和非理性流動模型兩大類。平推流模型和理想混合流動模型屬于理想流動模型。1、平推流模型流體以平推流流動時，全部物料的停留時間都為V/v0，故平推流模型的E(t)和F(t)曲線的形狀如下圖所示：平推流模型的E(t)和F(t)曲線平推流流動時，系統(tǒng)不存在返混。對于管徑小、流速大的管式反應(yīng)器，可以選用平推流模型。2、理想混合流模型理想混合反應(yīng)器內(nèi)的物料的返混程度最大。理想混合反應(yīng)器示蹤實驗示意圖對于理想混合反應(yīng)器，當(dāng)t=0時，以階躍示蹤法輸入示蹤劑的濃度為C(0)；當(dāng)t=t

時，示蹤劑在出口流體中的濃度為C1；在t+dt時，出口流體中，示蹤劑濃度變化為dt。故：整理得：積分得：對示蹤劑在dt時間內(nèi)作物料衡算：流入量=流出量+累積量，即：對上式微分，得：理想混合流反應(yīng)器的E(t)和F(t)圖無因次方差：當(dāng)時：當(dāng)時：理想混合反應(yīng)器中物料在不同時間的F(t)和E(t)

理想混合反應(yīng)器物料停留時間分布最寬，返混最大。連續(xù)攪拌的釜式反應(yīng)器可以選用理想混合反應(yīng)模型。4、停留時間分布曲線的應(yīng)用可針對所存在的問題，設(shè)法加以改進(jìn)。如欲使反應(yīng)器接近于平推流，可采取增加反應(yīng)管的長徑比，加入橫向擋板以增加流程、提高管式反應(yīng)器中流體的流速，使成為湍流，以消除徑向和軸向擴(kuò)散所造成的停留時間分布不均勻的現(xiàn)象、在管式反應(yīng)器中裝入填料或?qū)⑵涓难b為多釜串聯(lián)。反之，設(shè)法加強(qiáng)返流，使反應(yīng)器接近理想混合流。曲線的峰型和位置與預(yù)期的相符合；曲線表示出峰太早，說明反應(yīng)器內(nèi)可能有短路或溝流存在；曲線為出現(xiàn)幾個遞降的峰型，表示反應(yīng)器內(nèi)可能有循環(huán)流動；表示出峰太晚，可能是計量上的誤差，或者為示蹤劑在反應(yīng)器內(nèi)被吸附于器壁而減少所致；曲線表明反應(yīng)器內(nèi)有兩股平行的流體存在。偏離平推流的E(t)曲線曲線的峰型和位置與預(yù)期的相符合；曲線表示出峰太早，說明反應(yīng)器內(nèi)可能有短路或溝流存在；曲線為出現(xiàn)幾個遞降的峰型，表示反應(yīng)器內(nèi)可能有循環(huán)流動；表示出峰太晚，可能是計量上的誤差，或者為示蹤劑在反應(yīng)器內(nèi)被吸附于器壁而減少所致；曲線是由于儀表滯后而造成時間的推延等。接近理想混合流的E(t)曲線形狀第七節(jié)停留時間分布與化學(xué)反應(yīng)通過停留時間分布的測定，可以定量的看出同類反應(yīng)器中的返混程度，在化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計、放大中，還需要與化學(xué)反應(yīng)結(jié)合起來，達(dá)到預(yù)計反應(yīng)結(jié)果的目的。1、反應(yīng)器內(nèi)流體的混合狀態(tài)

宏觀混合：由于攪拌作用，流體先分散成束，繼而分散成微元，并均勻的分布于整個容器中。這種微元尺度上的均勻化，稱為宏觀混合；這種流體，稱為宏觀流體。宏觀混合時，各微元中的分子始終保持在一起，不與其他微元進(jìn)行質(zhì)量交換；每一微元可以看作是一個獨立的間歇反應(yīng)器，反應(yīng)物在微元中的反應(yīng)程度取決于微元的停留時間，出口的流體組成則是各微元組成的平均值。

懸浮聚合是一典型的宏觀混合的例子。微觀混合：宏觀流體可通過渦流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散可達(dá)到分子尺度上的均勻。這種以分子尺度混合的狀態(tài)稱為微觀混合；這樣的流體，稱為微觀流體。

微觀混合時，各分子在反應(yīng)器中可以自由流動，分子間可以相互混合與作用，出口流體的組成與反應(yīng)器內(nèi)的組成一致。

工業(yè)上常見的一些均相反應(yīng)，當(dāng)其反應(yīng)速率遠(yuǎn)比渦流擴(kuò)散及分子擴(kuò)散慢的多時，可以認(rèn)為在微元混合的條件下進(jìn)行。

宏觀混合和微觀混合，是混合狀態(tài)的兩種極端形式。2、微觀混合反應(yīng)器的計算例2-12：某管式反應(yīng)器的直徑為0.0285m，長度為3.74m，流體的流速w為0.36m/s,按脈沖示蹤法測得如下數(shù)據(jù)a、多級理想混合模型如在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行一級反應(yīng)，k=0.41min-1，若此反應(yīng)器能以多級理想混合模型來描述，試計算反應(yīng)器出口處未轉(zhuǎn)化部分的分率。計算表明：出口物料中尚有93%的反應(yīng)物還未轉(zhuǎn)化。為提高轉(zhuǎn)化率，常采用以下三種方法：（1）降低流速，增加物料在反應(yīng)器中的停留時間；（2）增加反應(yīng)器長度，以使τ

增加；（3）在反應(yīng)器內(nèi)增設(shè)擋板或填料，這樣可以減少返混，提高模型參數(shù)N，增加轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)器出口流體平均濃度：轉(zhuǎn)化率形式：3、宏觀混合反應(yīng)器的計算宏觀混合時，反應(yīng)是在微元中進(jìn)行，每一微元可以看作是一獨立的間歇式反應(yīng)器，微元中的反應(yīng)程度取決于微元在反應(yīng)器中的停留時間，所以出口流體的平均組成是各微元組成的平均值。微觀混合反應(yīng)