《冶金反应工程》PPT课件.ppt

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1、四、非理想流动反应器实际反应器中混合状态和流动状态与理想反应器有偏差。流动状态用用停留时间分布来描述；混合状态用聚集状态来分析。釜式（槽式）反应设备长径比12,内设有搅拌装置及档板，根据需要安装内外换热器工业上应用广泛的反应器可以用来均相反应,也可用于多相反应管式反应设备定义：长度远大于其直径定义：长度远大于其直径(长径比长径比1010以上以上)的反应器的反应器用途：用于均相反应，也用途：用于均相反应，也可用于多相可用于多相(拟均相拟均相)反应反应多釜串联装置实实际际反反应应器器中中的的非非理理想想流流动动流体在管式反流体在管式反应器中的流器中的流动流体在管内的径向流速分布是不均匀的，中心流体

2、在管内的径向流速分布是不均匀的，中心处的流的流速最大，靠壁速最大，靠壁处最小最小;中心部分的流体在反中心部分的流体在反应器内的留器内的留时间短，靠近管璧短，靠近管璧处的流体停留的流体停留时间则长。停留。停留时间不同，反不同，反应程度自然程度自然就不一就不一样。实际反应器中的非理想流动实际反应器中的非理想流动流向流向rxzyrdrd掌握：掌握：停留时间分布的实验测定方法和数据处理。停留时间分布的实验测定方法和数据处理。理想反应器停留时间分布的数学表达式。理想反应器停留时间分布的数学表达式。返混的概念。返混的概念。非理想流动模型的模型假定与数学模型建立的基本思非理想流动模型的模型假定与数学模型建立

3、的基本思路，模型参数的确定。路，模型参数的确定。利用扩散模型和多釜串联模型的反应器计算。利用扩散模型和多釜串联模型的反应器计算。理解：理解：停留时间分布的概念和数学描述方法。停留时间分布的概念和数学描述方法。停留时间分布的数字特征和物理意义。停留时间分布的数字特征和物理意义。了解：了解：流动反应器中的微观混合与宏观混合及其对反应器性流动反应器中的微观混合与宏观混合及其对反应器性能的影响能的影响停留时间分布规律停留时间分布规律(RTD)其对反应效果的影响其对反应效果的影响描述停留时间分布的函数：描述停留时间分布的函数：停留时间分布密度函数停留时间分布密度函数和和停留时间分布函数停留时间分布函数

4、间歇系统：不存在间歇系统：不存在RTD；流动系统：存在流动系统：存在RTD问题问题停留时间分布的实验测定刺激响应实验技术刺激响应技术应用原则示踪物停留时间分布可认为是研究流体的停留时间分布对示踪物的要求：对示踪物的要求：与原流体有相似的物理性与原流体有相似的物理性质，加入后不改，加入后不改变流流态；不与研究的流体不与研究的流体发生化学反生化学反应；易溶于流体中；易溶于流体中；易于易于检测（微量（微量时）；）；对于多相系于多相系统，示踪，示踪剂不不发生从一个相到另一生从一个相到另一 个相个相的的转移（即不移（即不挥发到另一相或不被另一相吸等）；到另一相或不被另一相吸等）；响响应信号与信号与浓度的

5、关系易于度的关系易于处理理。示踪剂加入方式及其响应类型 示踪剂输入法示踪剂输入法停留时间分布的实验测定稳稳定定流流动动下下反反应应器器中中常常用用的的刺刺激激响响应应技技术术示踪剂脉冲加入后的响应情况示踪剂脉冲加入后的响应情况a管式反应器；管式反应器；b釜式连续反应器；釜式连续反应器；c间歇反应器间歇反应器阶跃法有升跃法和降跃法之分阶跃法有升跃法和降跃法之分阶跃法示意图阶跃法示意图反应器进出口流动边界条件 或：闭式系统具有闭式边界，即进口和出口没有返混。或：闭式系统具有闭式边界，即进口和出口没有返混。反之，则为开式边界。反之，则为开式边界。反应器进出口流动边界条件反应器进出口流动边界条件C曲线

6、和E曲线（脉冲法）对恒密度系统：对恒密度系统：离散数据点停留时间E分布曲线E(t)反映了停留时间沿时间轴的分布密度，称停反映了停留时间沿时间轴的分布密度，称停留时间分布密度函数。留时间分布密度函数。特征：？特征：？F曲线（阶跃示踪法）可见：可见：E(t)为点分布函数；为点分布函数；F(t)为累计分布函数。为累计分布函数。阶跃输入时典型的输出F曲线1非理想流动；2活塞流；3全混流停留时间分布函数E(t)停留时间分布密度特性：和实为累计停留时间分布函数！实为累计停留时间分布函数！特征值分析及其物理意义特征值分析及其物理意义响应曲线函数类型响应曲线函数类型响应曲线类型响应曲线类型C曲线曲线响应曲线类

7、型响应曲线类型F曲线曲线闭式反应器中不同流动特征变化的。化的。使用阶跃法建立全混流的流动模型，如果所示，将全釜作为控制体，对示踪剂作物料衡算，有：全混流模型全混流模型流入的摩尔流率=流出的摩尔流率+积累的摩尔流率积分上式，得：由F(t)定义知：用无因次表示为：边界条件：全混流的E(t)和F(t)图示 图图 5.9 全混反应器全混反应器的的 E(t)、F(t)图图 活塞流模型活塞流模型活塞流反应器的活塞流反应器的E(t)图图 tt面积1宽度0E(t)ttF(t)1活塞流反应器的活塞流反应器的F(t)图图 活塞流的停留时间分布密度为：分布函数为：均值和方差分别为：无因次特征值无因次特征值停留时间分

8、布信息的应用试求例3-1中分布函数E的方差一般是停留时间分布愈窄，设备的性能愈好一般是停留时间分布愈窄，设备的性能愈好按流体混合的细节，讨论两种极端情况：非理想流动反应器数学模型扩 散 模 型Pe的求法CA2222槽 列 模 型模型参数的估算可以使用矩法，多釜串联的均值和方差分别为：模型参数的估算可以使用矩法，多釜串联的均值和方差分别为：所以，参数模型所以，参数模型两种特例：两种特例：实际反应器的方差介于上述两个极端情况之间，即实际反应器的方差介于上述两个极端情况之间，即(全混流全混流)(活塞流活塞流)-1具有死区的全混流模型具有死区的全混流模型观测值小于理论值观测值小于理论值（釜式反应器）（

9、釜式反应器）组合组合 模模 型型具有死区的平推流模型具有死区的平推流模型早出峰早出峰观测值小于理论值观测值小于理论值（管式反应器）（管式反应器）具有短路流的平推流模型具有短路流的平推流模型出现双峰，且时间很短时出尖锐峰出现双峰，且时间很短时出尖锐峰（管式反应器）（管式反应器）具有短路流的全混流模型具有短路流的全混流模型时间很短时出尖锐峰时间很短时出尖锐峰（釜式反应器）（釜式反应器）全混流与平推流串联模型全混流与平推流串联模型晚出峰（釜式反应器）晚出峰（釜式反应器）全混流与平推流、短路流并联模型全混流与平推流、短路流并联模型（釜式反应器）（釜式反应器）出现双峰，且时间很短时出尖锐峰出现双峰，且时

10、间很短时出尖锐峰例例 题题 在一闭式容器中进行停留时间分布的脉冲实验，测得数据如下：在一闭式容器中进行停留时间分布的脉冲实验，测得数据如下：求：（求：（1）E(t)、，并判断该反应器中流体的流动更接近于那，并判断该反应器中流体的流动更接近于那种理想反应器；种理想反应器；（2）在该容器内进行一级不可逆反应（）在该容器内进行一级不可逆反应（-rA）=kCA-1，用多釜串联，用多釜串联模型求出口转化率；模型求出口转化率；（3）试用离析流模型求出口转化率；）试用离析流模型求出口转化率；（4）若采用全混流与平推流模型，则出口转化率是多少？）若采用全混流与平推流模型，则出口转化率是多少？t(min)024

11、6810121416CA(kg/m3)06.512.512.51052.51.00解：(1)t(min)024681012141600.0650.1250.1250.10.050.0250.010tE(t)00.130.50.750.80.50.30.140t2E(t)00.2624.56.453.61.960XA(t)00.260.450.590.700.780.840.880.91XA(t)E(t)00.0170.0560.0740.0700.0390.0210.0090=6.24min 其中其中由动力学方程式得出。由动力学方程式得出。（2）2 或按计算也可：(3)=0.572=57.2%(4)对恒容系统来说，平推流模型：全混流模型：卷 积 分卷积分推导示意图卷积分推导示意图