chap非理想流动反应器.pptx

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1、1（一）基本概念（一）基本概念年龄：物料（质点）从进入反应器开始，目前已经在反应器内逗留的时间（仍旧未离开反应器）停留时间：物料（质点）从进入反应器开始，到离开反应器为止，在反应器中总共逗留的时间。这个时间也就是质点的寿命混合、返混（Back mixing）及其区别停留时间分布研究的主要应用 诊断型；设计型第1页/共68页2（二）返混对反应过程的影响（二）返混对反应过程的影响 停留时间分别为t1和t2物料混合的反应速率不等于两者反应速率的平均值，即：第2页/共68页3 流体在反应器内的停留时间分布流体在反应器内的停留时间分布（三）按返混程度对反应器分类 完全不返混反应器（完全不返混反应器（PF

2、RPFR）完全返混反应器（完全返混反应器（CSTRCSTR）部分返混反应器部分返混反应器定量描述定量描述引入概率论的方法引入概率论的方法物料在反应器中的逗留时间（年龄）分布是一个随机过程，可用相应概率分布规律函数定量描述第3页/共68页4定量描述引例：假假设设有有一一个个如如图图所所示示的的连连续续流流动动反反应应器器，考考察察一一个个小小的的流流体体团团A A，流入反应器后如何流出，流入反应器后如何流出第4页/共68页5第5页/共68页6 如果将所有如果将所有tt时间中流出的时间中流出的n nA A全部叠全部叠加，得到的就是加，得到的就是n nA0A0，因此有：因此有：而将截止到而将截止到t

3、 t时刻之前所流出的时刻之前所流出的A A的分率的分率表示为表示为F(t)F(t)，称停留时间分布函数。称停留时间分布函数。反过来说：第6页/共68页73.2.1 停留时间分布的定量描述停留时间分布的定量描述（1）停留时间分布函数（概率函数）（概率函数）物理意义：在在定定态态和和不不发发生生化化学学反反应应时时，流流过过反反应应器器的的物物料料中中，停停留留时时间间小小于于t t的的物物料料占占总总流流出出物物的分率的分率第7页/共68页8（2 2）停留时间分布密度函数停留时间分布密度函数（概率密度函数）物理意义：在定态和不发生化学反应时，流过反应器的物料中，停留时间介于t和t+dt之间的物料

4、占总流出物的分率第8页/共68页9（3）平均停留时间平均停留时间（数学期望）（4 4）离散度）离散度（方差）（方差）物理意义：物理意义：表示随机变量与其平均值之间的偏离程度第9页/共68页103.2.2 以对比时间作自变量的停留时间分布以对比时间作自变量的停留时间分布 以对比时间为自变量表示的停留时间分布规律 对比时间的定义：第10页/共68页11两种停留时间分布规律之间的相互关系两种停留时间分布规律之间的相互关系第11页/共68页123.2.3 停留时间（停留时间（RTD）的实验测定的实验测定输输入入示示踪踪物物为为激激励励输输出出示示踪踪物物为为响响应应回忆：雷诺数与流体流动类型的相互关系

5、（红墨水实验）停留时间实验测定目的：判定反应器内流体的流动状态方法：示踪应答技术（激励响应）对示踪物的要求：与被测流体互溶，且无化学反应；示踪剂不易发生相转移；加入示踪剂不影响流型；易于检测；无害且价廉。第12页/共68页13示踪物加入方法示踪物加入方法 阶跃注入法 脉冲注入法 周期注入法第13页/共68页14（1 1）阶跃示踪法）阶跃示踪法瞬间突然改变示踪剂的浓度并保持下去。瞬间突然改变示踪剂的浓度并保持下去。第14页/共68页15应答（响应）：t时刻流出的物料中的示踪剂为两部分组成，一部分是t=0时刻之前进入的，另一部分是t=0时刻之后进入的第15页/共68页16如果阶跃输入前物料中不含示

6、踪物时，则第16页/共68页17例题例题3-13-1 测定某一反应器停留时间分布规律，采用阶跃示踪法，输入的示踪剂浓度测定某一反应器停留时间分布规律，采用阶跃示踪法，输入的示踪剂浓度c c0 0=7.7kgm=7.7kgm-3-3，在出口处测定响应曲线如表所示。求在此条件下，在出口处测定响应曲线如表所示。求在此条件下F F(t t)，E E(t t)及及 与与 值。值。第17页/共68页18第18页/共68页19第19页/共68页20第20页/共68页21（2 2）脉冲示踪法）脉冲示踪法第21页/共68页22示踪物衡算：示踪物衡算：在t0时间间隔内向流量为V的流体中加入总量为m的示踪物，则第2

7、2页/共68页23例题例题 3-23-2在在稳稳定定操操作作的的连连续续搅搅拌拌式式形形反反应应器器的的进进料料中中脉脉冲冲注注入入染染料料液液(m(m=50g)=50g)，测测出出出出口口液中示踪剂浓度随时间变化关系如表所示。请确定系统的液中示踪剂浓度随时间变化关系如表所示。请确定系统的F(t)F(t)，E(t)E(t)曲线及曲线及 ，值。值。第23页/共68页24解：本实验采用脉冲示踪法，测定的时间间隔相同解：本实验采用脉冲示踪法，测定的时间间隔相同(t=120s)t=120s)，计算式为：，计算式为：第24页/共68页25计算结果：计算结果：第25页/共68页26第26页/共68页273

8、.2.4 3.2.4 理想理想反应器反应器的停留时间分布规律的停留时间分布规律PFRPFR激励与响应过程的物理描述：激励与响应过程的物理描述：第27页/共68页28CSTR激励与响应过程的物理描述：激励与响应过程的物理描述：第28页/共68页29激励过程的数学描述：第29页/共68页30CSTR以阶跃示踪法为例第30页/共68页31PFR和CSTR停留时间分布规律的对比第31页/共68页32第32页/共68页333.3 非理想流动模型非理想流动模型用用来来描描述述介介于于两两种种理理想想状状况况之之间间的的流流型型，并并通通过过对对流流型型的的描描述述，预预计计在在非非理理想想流流动动状态下的

9、反应结果。状态下的反应结果。将流型与化学反应联系起来，预计反应体积、处理量、转化率等之间的关系。将流型与化学反应联系起来，预计反应体积、处理量、转化率等之间的关系。介绍三种模型：凝集流模型、多级串联槽模型和轴向扩散模型。介绍三种模型：凝集流模型、多级串联槽模型和轴向扩散模型。第33页/共68页343.3.1 凝集流模型凝集流模型基础物理模型：间歇反应器间歇反应器基本假定：流流体体以以流流体体团团的的方方式式流流过过反反应应器器，且且彼彼此此之之间不发生混合；间不发生混合；每个流体团相当于一个小反应器；每个流体团相当于一个小反应器；由由于于返返混混的的作作用用，每每个个流流体体团团在在反反应应器

10、器内内的的停停留留时时间间不不同同，达达到到的的转转化化率率因因而而不不同同，在在反反应应器器出出口口处处的的宏宏观观转转化化率率，就就是是各各不不同同停停留时间的流体团达到的转化率的平均值。留时间的流体团达到的转化率的平均值。第34页/共68页353.3.1 凝集流模型凝集流模型实际反应器与B.R.的关联：每每个个流流体体团团都都作作为为一一个个间间歇歇反反应应器器，它它的的反反应应时时间间由由停停留留时时间间分分布布决决定定。而而流流体体团团在在停停留留时时间间内内达达到到的的转转化化率率由由反反应动力学决定。最后，将二者结合起来，在出口处加权平均，得到最终转化率应动力学决定。最后，将二者

11、结合起来，在出口处加权平均，得到最终转化率模型实质：相相当当于于若若干干间间歇歇反反应应器器的的并并联联，将将非非理理想想流流动动对对反反应应的的影影响响明明显化了。显化了。第35页/共68页36 凝集流模型的数学描述凝集流模型的数学描述第36页/共68页37第37页/共68页38第38页/共68页393.3.2 多级串联混合槽模型多级串联混合槽模型基础物理模型：CSTRCSTR基本假定：反反应应器器是是由由若若干干大大小小相相等等的的全全混混流流反反应应器器串串联而成；联而成；各各全全混混流流反反应应器器之之间间不不存存在在返返混混，输输送送管管道道内不发生化学反应；内不发生化学反应；定常态

12、操作。定常态操作。模型实质：以停留时间分布为纽带，通过若干个串联CSTR反应器的行为分析逼近非理想反应器。第39页/共68页40多级串联混合槽多级串联混合槽模型计算：模型计算：V0,c0,V1,c1,V2,c2,Vn,cnVi,ci,第40页/共68页41 各级各级CSTR反应器停留时间分布规律的反应器停留时间分布规律的计算计算1 基础衡算方程：2 以阶跃输入法测定停留时间分布，则在时间t时对第i个反应器的示踪物进行物料衡算可得：3 设每个CSTR的容积均为VRi，则N个CSTR的总容积为NVRi第41页/共68页424 4 对第一级对第一级对第一级对第一级CSTRCSTR5 5 对第二级对第

13、二级CSTRCSTR第42页/共68页436 6 对第三级对第三级CSTRCSTRN N 以此类推，对以此类推，对N N级级CSTRCSTR出口流体中的示踪物浓度为：出口流体中的示踪物浓度为：第43页/共68页44 各级各级CSTR停留时间分布规律的计算停留时间分布规律的计算第44页/共68页45第45页/共68页461 1 N=1N=1，全混流全混流全混流全混流2 2 N=N=，平推流平推流平推流平推流3 3 N N等等等等于于于于某某某某一一一一值值值值，意意意意味味味味着着着着该该该该反反反反应应应应器器器器的的的的返返返返混混混混程程程程度度度度相相相相当当当当于于于于N N个理想混合

14、反应器的串联个理想混合反应器的串联个理想混合反应器的串联个理想混合反应器的串联-等效关联。等效关联。等效关联。等效关联。4 4 N N只只只只是是是是一一一一个个个个虚虚虚虚拟拟拟拟值值值值，因因因因此此此此，N N可可可可以以以以是是是是整整整整数数数数也也也也可可可可以以以以是是是是小数。小数。小数。小数。5 5 停留时间分布密度函数的散度为槽数的倒数。停留时间分布密度函数的散度为槽数的倒数。停留时间分布密度函数的散度为槽数的倒数。停留时间分布密度函数的散度为槽数的倒数。第46页/共68页47 多级混合槽模型的应用多级混合槽模型的应用第47页/共68页483.3.3 轴向扩散模型轴向扩散模

15、型基础物理模型：PFRPFR基本假定：主体流动为平推流，但叠加一涡流扩散；主体流动为平推流，但叠加一涡流扩散；涡流扩散遵循费克扩散定律且在整个反应器涡流扩散遵循费克扩散定律且在整个反应器内扩散系数为常数；内扩散系数为常数；定常态操作。定常态操作。费克扩散定律(Ficks law)(Ficks law)第48页/共68页49在有化学反应时对反应物做物料衡算：在有化学反应时对反应物做物料衡算：在有化学反应时对反应物做物料衡算：在有化学反应时对反应物做物料衡算：dlPFR+轴向扩散第49页/共68页50整理得：整理得：整理得：整理得：第50页/共68页51第51页/共68页52开式边条开式边条：边界

16、处与反应器内流动型态没有突变边界处与反应器内流动型态没有突变闭式边条：闭式边条：边界处与反应器内流动型态存在突变边界处与反应器内流动型态存在突变 开开，开闭，闭开，闭闭。反应器内有返混，如边界处有返混，则为开式边界条件，若边界处没有返混，则为闭式边界条件第52页/共68页53开开式边界条件下的解开开式边界条件下的解闭闭式边界条件下的解闭闭式边界条件下的解第53页/共68页54第54页/共68页55通过扩散模型求转化率通过扩散模型求转化率通过扩散模型求转化率通过扩散模型求转化率定常态下，由基础方程定常态下，由基础方程简化得简化得第55页/共68页56 对一级不可逆反应，有解析解对一级不可逆反应，

17、有解析解第56页/共68页57 解题步骤：解题步骤：第57页/共68页58 试用轴向扩散模型中的开-开式边值条件及闭-闭式边值条件计算例3-3中反应器出口物料的转化率。解：本题中:例例3-63-6第58页/共68页59 按开按开-开式边值条件：开式边值条件：计算计算 值值第59页/共68页60 计算出口转化率计算出口转化率第60页/共68页61 按闭按闭-闭式边值条件闭式边值条件第61页/共68页62 本例题若按平推流反应器计算，其出口转化率将是：本例题若按平推流反应器计算，其出口转化率将是：按全混釜式反应器计算其出口转化率，将是：按全混釜式反应器计算其出口转化率，将是：第62页/共68页63

18、第63页/共68页643.4 均相反应过程的模型法计算小结均相反应过程的模型法计算小结 实验室试验实验室试验小型试验小型试验中间试验中间试验化学模型化学模型物理模型物理模型工厂设计化学反应器模型的建立程序第64页/共68页65均相反应过程模型法研究步骤均相反应过程模型法研究步骤 3.4.1 3.4.1 小试研究反应规律小试研究反应规律 反应类型、产物分布、化学计量关系、动力学规律等。奠定合理选择反应器类型及反应器设计计算基础3.4.2 3.4.2 根据化学反应规律合理选择反应器类型根据化学反应规律合理选择反应器类型 从反应类型（单一、自催化、可逆、平行和连串反应）和动力学出发初步确定反应器类型

19、3.4.3 3.4.3 大型冷模试验研究传递过程规律大型冷模试验研究传递过程规律均相反应：以停留时间分布规律归纳描述均相反应：以停留时间分布规律归纳描述第65页/共68页663.4.4 3.4.4 反应器设计计算反应器设计计算综合反应规律和传递规律定量计算综合反应规律和传递规律定量计算 BR or PFR 散度值为零散度值为零 2=0不存在返混不存在返混 CSTR 散度值为散度值为1 2=1完全返混完全返混 实实际际反反应应器器散散度度值值 0 21非非理理想想反反应应器器模型：凝聚流、多级混合槽和轴向返混模型：凝聚流、多级混合槽和轴向返混3.4.5 3.4.5 热模试验验证模型的等效性热模试验验证模型的等效性模模型型法法属属于于近近似似解解，需需试试验验验验证证。以以实实际际工工况况校校验验/验证模型结果（步骤验证模型结果（步骤4结果）结果）第66页/共68页67 停留时间分布函数及其特征值停留时间分布函数及其特征值 停留时间分布函数的实验测定停留时间分布函数的实验测定 阶跃法，脉冲法原理及其应用。阶跃法，脉冲法原理及其应用。非理想流动模型非理想流动模型 凝集流模型，多级串联槽模型，扩散模型及其彼此之间的关系。凝集流模型，多级串联槽模型，扩散模型及其彼此之间的关系。Chap 3 Chap 3 小结小结小结小结第67页/共68页68感谢您的观看！第68页/共68页