第三章化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)1

1、1第三章第三章 化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)2 . 02v 主要參考文獻(xiàn)主要參考文獻(xiàn)Perry,R.H. and Chilton,C.H.: “ Chemical Engineers Handbook ”,5th Edition, New York,McGraw-Hill,1973.Levenspiel,O.: “Chemical Reaction Engineering ”,2th Edition,Joho Wiley and Sons,Inc., New York, London, 1972Wen, C. Y., Fan, L. T.: “ Models for Flow System

2、s and Chemical Reactors ”, Marcel Dekker ,Inc., New York, 19753n給定轉(zhuǎn)化率給定轉(zhuǎn)化率xN和每級(jí)反應(yīng)器體積和每級(jí)反應(yīng)器體積VRi，求給定原料流，求給定原料流速速v0時(shí)所需的反應(yīng)器級(jí)數(shù)時(shí)所需的反應(yīng)器級(jí)數(shù)N。n給定反應(yīng)器級(jí)數(shù)給定反應(yīng)器級(jí)數(shù)N和每級(jí)反應(yīng)器體積和每級(jí)反應(yīng)器體積VRi ，求原料流，求原料流速為速為v0時(shí)所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率時(shí)所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率xN。n給定反應(yīng)器體積給定反應(yīng)器體積VR和反應(yīng)器級(jí)數(shù)和反應(yīng)器級(jí)數(shù)N，求達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)，求達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率化率xN時(shí)，所采用的最適宜的原料流速時(shí)，所采用的最適宜的原料流速 v0。1.給定反應(yīng)器級(jí)數(shù)給定反

3、應(yīng)器級(jí)數(shù)N和原料流速和原料流速v0，求達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率，求達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率xN時(shí)，所采用的每一級(jí)反應(yīng)器的體積時(shí)，所采用的每一級(jí)反應(yīng)器的體積VRi。41液相反應(yīng)液相反應(yīng) A P 在一間歇反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)速度如下表所示：在一間歇反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)速度如下表所示：CA mol/l : 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1.0 1.3 2.0(-rA) mol/lmin: 0.1 0.3 0.5 0.6 0.5 0.25 0.1 0.06 0.05 0.045 0.042(1) 若若 CA0 = 1.3 mol/l，CAf = 0.3 mol/l，則反應(yīng)時(shí)間為多少？，則反應(yīng)

4、時(shí)間為多少？(2) 若在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行，若在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行，CA0 = 1.5 mol/l，F(xiàn)A0 = 1000 mol/hr， 求求 XA = 0.80 時(shí)所需反應(yīng)器大小。時(shí)所需反應(yīng)器大小。(3) 當(dāng)當(dāng) CA0 = 1.2 mol/l，F(xiàn)A0 = 1000 mol/hr，XA = 0.75 時(shí)，求所需的時(shí)，求所需的 理想混合釜式反應(yīng)器大小。理想混合釜式反應(yīng)器大小。 51/rA xAt/CA01/rA CAt00(1)(1)1 0 0 00 .7 56 01 .24 0 0 .6 4 ()0 .1 0 4(10 .7 5 )ARARAARvxVxtVvkxkxVL 6 解解: 先做先做

5、 1/ A CA 曲線曲線:CA mol/l : 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1.0 1.3 2.0(-rA) mol/lmin: 0.1 0.3 0.5 0.6 0.5 0.25 0.1 0.06 0.05 0.045 0.042(-1/rA) lmin/mol: 10 3.33 2 1.67 2 4 10 16.67 20 22.22 23.817 解解: (2) 先寫出先寫出 PFR 反應(yīng)器計(jì)算公式反應(yīng)器計(jì)算公式:8 解解: (3) 先寫出先寫出 CSTR 反應(yīng)器計(jì)算公式反應(yīng)器計(jì)算公式:92在一反應(yīng)器中，己二酸與己二醇以等摩爾比在在一反應(yīng)器中，己二酸與

6、己二醇以等摩爾比在700C時(shí)進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂，時(shí)進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂，H2SO4為催化劑。由實(shí)為催化劑。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得其反應(yīng)速度方程式為：驗(yàn)測(cè)得其反應(yīng)速度方程式為：A = kCA CB ；式中：式中： A 己二酸消耗速度，己二酸消耗速度，kmoles /Lmin； 反應(yīng)反應(yīng)速度常數(shù)速度常數(shù) k = 1.97 L / kmolesmin； CA 己二酸的瞬己二酸的瞬時(shí)濃度，時(shí)濃度，kmoles / L，初始濃度，初始濃度CA0 = 0.004 kmoles / L，己二醇己二醇CB0 = 0.005 kmoles / L；若己二酸的處理量；若己二酸的處理量 v0 = 171 L/h，其轉(zhuǎn)

7、化率為，其轉(zhuǎn)化率為 xA = 80 %，試計(jì)算采用理想，試計(jì)算采用理想混合釜式反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器的有效體積混合釜式反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器的有效體積 。 1011NoImage 12 3以醋酸以醋酸(A) 和正丁醇和正丁醇(B)為原料在一間歇反應(yīng)器中生產(chǎn)為原料在一間歇反應(yīng)器中生產(chǎn) 醋酸丁酯，反應(yīng)溫度為醋酸丁酯，反應(yīng)溫度為100 0C, 每批進(jìn)料每批進(jìn)料1 kmol 的的A和和 4.96 kmol 的的B，已知反應(yīng)速率，已知反應(yīng)速率rA=1.045 kmol/(m3h)， 試求醋酸轉(zhuǎn)化率試求醋酸轉(zhuǎn)化率 xA分別為分別為0.5, 0.9, 0.99所需反應(yīng)時(shí)間。所需反應(yīng)時(shí)間。 已知醋酸與正丁醇的密度

8、分別為已知醋酸與正丁醇的密度分別為 960 kg/m3 和和 740 kg/m3 。13 30002000.513.1.79/0.5591()10.5,910.5()0.5351.791.04510.510.9()4.811.791.04510.910.99()52.91.791.04510.99AfAAxAfAAAAAfAfNCkmolmVxdxCkCkCxxhhh解：將分別代入計(jì)算可得醋酸醋酸(A)1 kmol60 kg60/960 = 0.0625 m3正丁醇正丁醇(B)4.96 kmol368 kg368/740 = 0.496 m3該反應(yīng)為液相反應(yīng)，反應(yīng)過程中體積不變，

9、且每次投料體該反應(yīng)為液相反應(yīng)，反應(yīng)過程中體積不變，且每次投料體積積 V = 0.0625+0.496= 0.559 m31415 (The Residence Time Distribution of Continuous Flow Reactors)停留時(shí)間分布的數(shù)學(xué)描述停留時(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)與分幾種流型的停留時(shí)間分布函數(shù)與分布密度函數(shù)布密度函數(shù)停留時(shí)間分布的應(yīng)用停留時(shí)間分布的應(yīng)用16v 問題的提出問題的提出間歇系統(tǒng)：不存在間歇系統(tǒng)：不存在 RTD； 流動(dòng)系統(tǒng)：存在流動(dòng)系統(tǒng)：存在 RTD問題。問題。造成非理想流動(dòng)的原因是什

10、么呢？造成非理想流動(dòng)的原因是什么呢？可能的原因有：可能的原因有： 不均勻的流速（或流速分布）不均勻的流速（或流速分布）; 強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流 ; 非正常流動(dòng)非正常流動(dòng)-死區(qū)、溝流和短路等死區(qū)、溝流和短路等. 17前面介紹了前面介紹了CSTR、PFR 兩種理想兩種理想反應(yīng)器，在反應(yīng)器，在相同相同的操作條件下，兩的操作條件下，兩者的者的反應(yīng)器體積計(jì)算結(jié)果反應(yīng)器體積計(jì)算結(jié)果有有很大的很大的差別差別，究其，究其原因原因是反應(yīng)物料在反應(yīng)是反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)的器內(nèi)的流動(dòng)狀況不同流動(dòng)狀況不同，亦即，亦即停留時(shí)停留時(shí)間不同間不同。實(shí)際反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況總是偏離實(shí)際反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況總是偏離平推流和全混流而介于這

11、兩者之間，平推流和全混流而介于這兩者之間，等等，所有這些，就是等等，所有這些，就是本節(jié)要討論的內(nèi)容。本節(jié)要討論的內(nèi)容。 停留時(shí)間分布停留時(shí)間分布問題的提出問題的提出 18 釜式和管式反應(yīng)器中流體的流動(dòng)狀況明顯不同，釜式和管式反應(yīng)器中流體的流動(dòng)狀況明顯不同，通過前面對(duì)釜式和管式反應(yīng)器的學(xué)習(xí)，可以發(fā)現(xiàn)：通過前面對(duì)釜式和管式反應(yīng)器的學(xué)習(xí)，可以發(fā)現(xiàn)： 對(duì)于單一反應(yīng)，反應(yīng)器出口的對(duì)于單一反應(yīng)，反應(yīng)器出口的與器內(nèi)的流動(dòng)與器內(nèi)的流動(dòng)狀況有關(guān)；狀況有關(guān)； 對(duì)于復(fù)合反應(yīng)，反應(yīng)器出口對(duì)于復(fù)合反應(yīng)，反應(yīng)器出口與流與流動(dòng)狀況有關(guān)。動(dòng)狀況有關(guān)。 19指流體從進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)算起，到其離開系統(tǒng)時(shí)為止，在指流體從進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)算起，

12、到其離開系統(tǒng)時(shí)為止，在系統(tǒng)內(nèi)總共經(jīng)歷的時(shí)間。系統(tǒng)內(nèi)總共經(jīng)歷的時(shí)間。同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的流體，是否也同時(shí)離開系統(tǒng)呢？同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的流體，是否也同時(shí)離開系統(tǒng)呢？ 流體分子運(yùn)動(dòng)是無(wú)序的，所有流體分子要沿著相同流體分子運(yùn)動(dòng)是無(wú)序的，所有流體分子要沿著相同途徑相同速度向前移動(dòng)是不可能的，分子運(yùn)動(dòng)完全是途徑相同速度向前移動(dòng)是不可能的，分子運(yùn)動(dòng)完全是一隨機(jī)過程。一隨機(jī)過程。 t20反應(yīng)器內(nèi)返混程度不同反應(yīng)器內(nèi)返混程度不同 停留時(shí)間不同停留時(shí)間不同 濃度分布不同濃度分布不同 反應(yīng)速率不同反應(yīng)速率不同 反應(yīng)結(jié)果不同反應(yīng)結(jié)果不同 生產(chǎn)能力不同；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非理想流動(dòng)反應(yīng)器：介于兩

13、種理想情況之間, ,停留時(shí)間是隨機(jī)變量，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。因此停留時(shí)間分布是一種概率分布。停留時(shí)間分布適用場(chǎng)合：動(dòng)力學(xué)控制的過程停留時(shí)間分布適用場(chǎng)合：動(dòng)力學(xué)控制的過程 反應(yīng)器反應(yīng)器機(jī)械混合機(jī)械混合逆向混合逆向混合返混程度返混程度全混流全混流最大最大最大最大無(wú)窮大無(wú)窮大平推流平推流零零零零零零間歇間歇最大最大零零零零21w停留時(shí)間（壽命）的概念？停留時(shí)間（壽命）的概念？ w例：在連續(xù)操作的反應(yīng)器內(nèi)，如果在某一瞬間（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）極快地向入口物流中加入流中加入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

14、出個(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。的紅色粒子數(shù)，結(jié)果如下表。w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)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。的停留時(shí)間分布。停留時(shí)間范圍停留時(shí)間范圍tt+t0-22-33-44-55-66-77-88-99-1010-1111-1212-14出口流中的出口流中的紅色粒子數(shù)紅色粒子數(shù)02612182217126410分率分率N/N00.020.

15、060.040.01022流體粒子在反應(yīng)器中的停留時(shí)間分布，雖然是一隨機(jī)過程，流體粒子在反應(yīng)器中的停留時(shí)間分布，雖然是一隨機(jī)過程，但具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。但具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。RTD函數(shù)函數(shù)F (t)RTD密度函數(shù)密度函數(shù)E (t)定義定義：在同時(shí)進(jìn)入的：在同時(shí)進(jìn)入的N個(gè)流體粒子中，其中停留時(shí)間介于個(gè)流體粒子中，其中停留時(shí)間介于0t 之間的流體粒子所占的分率為之間的流體粒子所占的分率為F (t) 。 在同時(shí)進(jìn)入的在同時(shí)進(jìn)入的N個(gè)流體粒子中，其中停留時(shí)間介于個(gè)流體粒子中，其中停留時(shí)間介于tt+dt 之間的流體粒子所占的分率為之間的流體粒子所占的分率為

16、 E(t)dt 。 100粒子：粒子：0 10min 20個(gè)個(gè) 5 6min 8 個(gè)個(gè) F (t) 是一個(gè)是一個(gè)累積的分率累積的分率，E(t)dt 是一個(gè)是一個(gè)瞬時(shí)的分率瞬時(shí)的分率。 23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。NN24假如示蹤劑改用紅色流體，連續(xù)檢測(cè)出口中紅色流體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。將是一條連續(xù)的停留時(shí)間

17、分布曲線。圖中曲線下微小面積圖中曲線下微小面積E(t)dt表示停留時(shí)間在表示停留時(shí)間在t和和t+dt之間之間的物料占的物料占t=0 時(shí)進(jìn)料的分率。時(shí)進(jìn)料的分率。流體的停留時(shí)間分布圖流體的停留時(shí)間分布圖25: 同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的N個(gè)流體個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)中，停留時(shí)間介于質(zhì)點(diǎn)中，停留時(shí)間介于 t 與與 t+dt 間的質(zhì)點(diǎn)所占分率間的質(zhì)點(diǎn)所占分率dN/N為為E(t)dt。曲線下的全部面積代表不同停留時(shí)間的物料占進(jìn)曲線下的全部面積代表不同停留時(shí)間的物料占進(jìn)料分率的總和。料分率的總和。具有具有歸一化特性歸一化特性: 停留時(shí)間停留時(shí)間 0-t 范圍內(nèi)的物料（停范圍內(nèi)的物料（停留時(shí)間小于留時(shí)間小于t的

18、質(zhì)點(diǎn)）占進(jìn)料的分率。的質(zhì)點(diǎn)）占進(jìn)料的分率。n有：有：nt=0, F(t)=0, nt=, F(t)=1, F(t)是單調(diào)增函數(shù)是單調(diào)增函數(shù)ttFtEd)(d) （26 指從設(shè)備流出的流體中，停留時(shí)間小于指從設(shè)備流出的流體中，停留時(shí)間小于 的的 物料所占的分率。物料所占的分率。 特性特性： F F（t t）值在）值在0 01 1之間，之間，0F0F（t t）11 F F（t t）為單調(diào)函數(shù)。）為單調(diào)函數(shù)。 E E（t t）的）的對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于 的的。 F F（t t）無(wú)因次）無(wú)因次 )()VEtCtQ（F() 10 圖圖3-9 停留時(shí)間分布函數(shù)曲線停留時(shí)間分布函數(shù)曲線F(t)27 F(t) F(t

19、)w停留時(shí)間小于停留時(shí)間小于t t流體粒子所占的分率流體粒子所占的分率w流體粒子停留時(shí)間小于流體粒子停留時(shí)間小于t t的概率的概率()()FFtt ; 15.0_() 0 , 0() 1 ,FF 當(dāng)當(dāng)28 在設(shè)備出口流體中，停留時(shí)間介于 t 與 t+dt 之間的物料所占的分率。E(t) 0t F()圖圖3-10 停留時(shí)間分布函數(shù)密度曲線停留時(shí)間分布函數(shù)密度曲線 E(t)特性特性： 歸一性：歸一性： 常出現(xiàn)最大值常出現(xiàn)最大值 ,t , E(t) 0 E(t) dt無(wú)因次，無(wú)因次，E(t)因次因次:時(shí)間時(shí)間1 121212(), ()/2,2 ,()()2 ;,22,2;11 ,nnA jA kA

20、 jA kA jA kA jA knnnnnnA jA knnnnrkccncccccccrkccccrkc rkcnrrncc宏微宏微宏微如 果 是 宏 觀 混 合 ：反 應(yīng) 級(jí) 數(shù) ，微 元 體 積如 果 是 微 觀 混 合 ， 則 混 合 后 的 濃 度 : = 而 總 體 積 為現(xiàn) 令則 : 只 有 在時(shí) ，； 才 是 相 等 的 ， 而 當(dāng)則， 即 宏 觀 流 體 的 轉(zhuǎn) 化 率 較121 ,nnncc高則即 微 觀 流 體 的 轉(zhuǎn) 化 率 較 高29E(t)dt流體粒子停留時(shí)間介于流體粒子停留時(shí)間介于tt+dt之間的概率之間的概率在在tt+dt之間離開系統(tǒng)的粒子所占的分率之間離開系

21、統(tǒng)的粒子所占的分率(壽命壽命)在在tt+dt時(shí)間間隔內(nèi)停留時(shí)間為時(shí)間間隔內(nèi)停留時(shí)間為t的粒子所占分率的粒子所占分率在在tt+dt間隔內(nèi)壽命為間隔內(nèi)壽命為1的粒子所占的分率的粒子所占的分率E(t)dt=dF(t)F(t):所有停留時(shí)間為所有停留時(shí)間為 0t 的質(zhì)點(diǎn)所占的分率的質(zhì)點(diǎn)所占的分率F(t+dt):所有停留時(shí)間為所有停留時(shí)間為 0t+dt 的質(zhì)點(diǎn)所占分率的質(zhì)點(diǎn)所占分率dF(t)= F(t+dt) - F(t)dF(t):所有停留時(shí)間為所有停留時(shí)間為 tt+dt 的質(zhì)點(diǎn)所占分率的質(zhì)點(diǎn)所占分率30在某一時(shí)間在某一時(shí)間t時(shí)，時(shí)，E(t)和和F(t)之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為：ttFtEd)(d)

22、 （2220()ttEtdt t1 11 0) ( F1 01 1 0)(E 31研究不同流型的停留時(shí)間分布，通常是比較它們的統(tǒng)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)特征值。常用的特征值有兩個(gè)：計(jì)特征值。常用的特征值有兩個(gè)：平均值平均值離散程度離散程度平均停留時(shí)間平均停留時(shí)間n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。質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間。n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。積與物料體積流量比值相同，平均停留時(shí)間就相同。 32數(shù)學(xué)

23、期望：數(shù)學(xué)期望：所有質(zhì)點(diǎn)停留時(shí)間的所有質(zhì)點(diǎn)停留時(shí)間的“加權(quán)平均值加權(quán)平均值” 平均停留時(shí)間平均停留時(shí)間ttEtttEt)()( 33對(duì)于離散型測(cè)定值，可以用加和代替積分值對(duì)于離散型測(cè)定值，可以用加和代替積分值在等時(shí)間間隔取樣時(shí)：在等時(shí)間間隔取樣時(shí)：tt1t2t3E(t)E(t1) E(t2) E(t3)()(tEttEt 為為 隨機(jī)變量的分布中心隨機(jī)變量的分布中心。E E（t t）曲線下這塊曲線下這塊面積的重心在橫軸上的面積的重心在橫軸上的投影投影。又稱為對(duì)于原點(diǎn)的一次矩。又稱為對(duì)于原點(diǎn)的一次矩。34方差：各個(gè)物料質(zhì)點(diǎn)停留時(shí)間方差：各個(gè)物料質(zhì)點(diǎn)停留時(shí)間 與平均停留時(shí)間與平均停留時(shí)間 差的平方的

24、加權(quán)平均值。隨機(jī)變量圍繞數(shù)學(xué)期望的差的平方的加權(quán)平均值。隨機(jī)變量圍繞數(shù)學(xué)期望的分散程度分散程度. 1000 00( )( )( ) ( )( )E dd FE dd d FdE d ttttw方差是停留時(shí)間分布離散程度的量度方差是停留時(shí)間分布離散程度的量度w方差越小，越接近平推流方差越小，越接近平推流w對(duì)平推流，各物料質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間對(duì)平推流，各物料質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間w 相等，故方差為零。相等，故方差為零。35如果是離散型數(shù)據(jù)，將積分改為加和：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)：取樣為等時(shí)間間隔時(shí)：ttt36對(duì)比時(shí)間（無(wú)因次時(shí)間）：對(duì)比時(shí)間（無(wú)因次時(shí)間）：n平均對(duì)比時(shí)間：n停留時(shí)間

25、為 t 時(shí)， ，因此，和 t 一一對(duì)應(yīng)，且有： ，此時(shí)：n歸一性：()( )( )( )( )( /)d Fd F td F tEt t E td d td tt1tt121212,2;11 ,1 ,nnnnnnrk crk cnrrnccncc宏微宏微只有在時(shí)，； 才是相等的，而當(dāng)則，即宏觀流體的轉(zhuǎn)化率較高則即微觀流體的轉(zhuǎn)化率較高22 0, 0220( )()tttE td t mi/37用用表示的方差表示的方差：222222()()()()()()()tttEttEtttEtttEtttEttEt01)( dE38 采用采用刺激刺激響應(yīng)響應(yīng)技術(shù)（技術(shù)（Stimulus response t

26、echnique）用一定的方法將示蹤劑加到反應(yīng)器進(jìn)口，然后在反應(yīng)器出口用一定的方法將示蹤劑加到反應(yīng)器進(jìn)口，然后在反應(yīng)器出口物料中檢驗(yàn)示蹤劑信號(hào)，以獲得示蹤劑在反應(yīng)器中停留時(shí)間物料中檢驗(yàn)示蹤劑信號(hào)，以獲得示蹤劑在反應(yīng)器中停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。刺激刺激注入示蹤劑注入示蹤劑 響應(yīng)響應(yīng)測(cè)定出口處示蹤劑濃度隨測(cè)定出口處示蹤劑濃度隨時(shí)間時(shí)間的變化關(guān)系的變化關(guān)系c（t）t示蹤劑種類：示蹤劑種類：氣、液、固都可以，取決于氣、液、固都可以，取決于主流體的相態(tài)主流體的相態(tài)。 選擇示蹤劑的原則選擇示蹤劑的原則 39 示蹤劑不應(yīng)與主流體發(fā)生反應(yīng)；示蹤劑不應(yīng)與主流體發(fā)生反應(yīng)；除了顯著區(qū)別于主流體的某一

27、可檢測(cè)性質(zhì)外，示蹤劑應(yīng)除了顯著區(qū)別于主流體的某一可檢測(cè)性質(zhì)外，示蹤劑應(yīng)和主流體盡可能具有相同的物理性質(zhì)，且兩者易于溶為和主流體盡可能具有相同的物理性質(zhì)，且兩者易于溶為一體；一體；示蹤劑濃度很低時(shí)也能夠檢測(cè)，示蹤劑濃度很低時(shí)也能夠檢測(cè)， 其濃度與待檢測(cè)的物理其濃度與待檢測(cè)的物理 量成線性關(guān)系；量成線性關(guān)系；用于多相系統(tǒng)檢測(cè)的示蹤劑不發(fā)生相間的轉(zhuǎn)移（即不揮用于多相系統(tǒng)檢測(cè)的示蹤劑不發(fā)生相間的轉(zhuǎn)移（即不揮發(fā)到另一相或不被另一相吸收等）；發(fā)到另一相或不被另一相吸收等）；示蹤劑本身應(yīng)具有或易于轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或光信號(hào)的特點(diǎn)示蹤劑本身應(yīng)具有或易于轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或光信號(hào)的特點(diǎn).40升階法升階法降階法降階法脈沖法脈

28、沖法：簡(jiǎn)單、示蹤劑用量少，可直接測(cè)出停留時(shí)間分布密度函數(shù)；要求輸入理想脈沖。階躍法：階躍法：操作容易；示蹤劑用量大，直接測(cè)出的是停留時(shí)間分布函數(shù)。脈沖法脈沖法階躍法階躍法周期輸入法周期輸入法 41示蹤劑輸入法示蹤劑輸入法描述停留時(shí)間分布的兩個(gè)函數(shù)：描述停留時(shí)間分布的兩個(gè)函數(shù)： 42 脈沖注入脈沖注入 出口應(yīng)答出口應(yīng)答 t=0tt0C0C0C0t 使物料以穩(wěn)定的流量使物料以穩(wěn)定的流量V通過體積為通過體積為VR的反應(yīng)器，然后在某個(gè)的反應(yīng)器，然后在某個(gè)瞬間瞬間t=0時(shí)，用極短的時(shí)間間隔時(shí)，用極短的時(shí)間間隔t0向物料中注入濃度為向物料中注入濃度為C0的的示蹤劑，并保持混合物的流量仍為示蹤劑，并保持混合

29、物的流量仍為V，同時(shí)在出口處測(cè)定示，同時(shí)在出口處測(cè)定示蹤劑濃度蹤劑濃度C隨時(shí)間隨時(shí)間t的變化。的變化。43n設(shè)t0時(shí)間內(nèi)注入示蹤劑的總量為Q（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：n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：tttEtF0d)(（物料示蹤劑NdNNdN 44n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，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：即：n因此：因此：n有：有：n只

30、要測(cè)得只要測(cè)得V，Q和和C（t）， 即可得物料質(zhì)點(diǎn)的分布密度即可得物料質(zhì)點(diǎn)的分布密度。dttEMdttVC)(（000( ) d( ) d( )( )( )( )dQVC ttVC ttVC tE tC tQC tt 45n由于Q = 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：n因此，利用脈沖法可以很方便因此，利用脈沖法可以很方便 的測(cè)出停留時(shí)間分布密度函數(shù)。的測(cè)出停留時(shí)間分布密度函數(shù)。 4600/ ) () () () (CtCtFtVCtFVCw使物料以穩(wěn)定的流量V通過體積為VR的反應(yīng)器，然后在某個(gè)瞬間t=0時(shí)，將其切換為濃度為C0的示蹤劑，并保持

31、流量不變，同時(shí)開始測(cè)定出口處示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化。47將在系統(tǒng)中作定常態(tài)流動(dòng)的流體切換成流量相將在系統(tǒng)中作定常態(tài)流動(dòng)的流體切換成流量相同的含有示蹤劑的流體，或者相反。同的含有示蹤劑的流體，或者相反。 前一種做法前一種做法升階法（正階躍法）升階法（正階躍法） 后一種做法后一種做法降階法（負(fù)階躍法）降階法（負(fù)階躍法）48d( )dNVC ttNQ示蹤劑停留時(shí)間分布密度函數(shù)停留時(shí)間分布函數(shù)由降躍法，也可以得到由降躍法，也可以得到停留時(shí)間分布函數(shù)，但停留時(shí)間分布函數(shù)，但由升躍法，可以得到停留由升躍法，可以得到停留時(shí)間分布函數(shù)，即時(shí)間分布函數(shù)，即 49主流體主流體QQ系系 統(tǒng)統(tǒng)檢測(cè)器含示蹤劑的流含示蹤

32、劑的流體（體（C(0)）0c(0)c0(t)tt=0輸入曲線輸入曲線0c(0)c(t)t響應(yīng)曲線響應(yīng)曲線 50 C(t) C(t) C0 C0 t 0 t 0 階躍注入階躍注入 出口應(yīng)答出口應(yīng)答 n由圖可知，在t=0時(shí)，C=0；t ， C C0 51n由圖可知，在t =0時(shí)，C =0；t ， C C0 n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：

33、n用此法可直接方便地測(cè)定實(shí)際反應(yīng)器的停留時(shí)間分布函數(shù)。dttCdttCdttCtFtt000)()()()(C(t) C0C(t) C052脈沖法脈沖法階躍法階躍法示蹤劑示蹤劑注入方注入方法法在原有的流股中加入示在原有的流股中加入示蹤劑，不改變?cè)鞴闪髹檮桓淖冊(cè)鞴闪髁苛繉⒃辛鞴蓳Q成流量與其將原有流股換成流量與其相同的示蹤劑流股相同的示蹤劑流股E(t)可直接測(cè)得可直接測(cè)得F(t)可直接測(cè)得可直接測(cè)得tCtCttFtEd)(dd)(d)0（_,()1 )F( 比 較 P F R 反 應(yīng) 器 , 當(dāng) 時(shí)53 理想混合流模型理想混合流模型 平推流模型平推流模型 多級(jí)串聯(lián)理想混合反應(yīng)器多級(jí)串聯(lián)理

34、想混合反應(yīng)器 54 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 ，停留時(shí)間分布函數(shù)與分布密度為：n由方差定義，0 () 0 Et t ENNd ) (d物料 550vVR56n設(shè)進(jìn)行階躍注入實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)器的容積為設(shè)進(jìn)行階躍注入實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)器的容積為VR，物料的，物料的體積流量為體積流量為V，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，從，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，從t=0開始，將進(jìn)料切開始，將進(jìn)料切換為含示蹤劑濃度為換為含示蹤劑濃度為C0的物料，在切換后某的物料，在切換后某dt時(shí)間時(shí)間內(nèi)，對(duì)全釜作物料衡算：內(nèi)，對(duì)全釜作物料衡算：n進(jìn)入的示蹤劑量進(jìn)入的示蹤劑量= =流出的示蹤劑量流出的示蹤劑量+ +示蹤劑的積累量示蹤劑的積累量S

35、cotland, Grangemouth petrochemical plant, dusk57_00000_0011,1ln( ) 1, ( )( ) 1RRddcvcvdcvdVdcc cc cdVdcdc cc ccFe EeccFe 在 時(shí) 間 間 隔 內(nèi) 對(duì) 示 蹤 物 料 作 物 料 衡 算 ：積 分 上 式 ：或 ：581.00.6320F(F()_ 0_1)21 (e1) ( F2vVNN) 1N (1)N21)N(N1 e1) ( F_2R_1N_2_N_時(shí)，級(jí)數(shù)區(qū)兩項(xiàng)，當(dāng)反應(yīng)器數(shù)目等于為總平均停留時(shí)間為反應(yīng)器的級(jí)數(shù)，式中：！（！E() 圖圖3-18 理想混合反應(yīng)器的理想混合

36、反應(yīng)器的F()F()曲線曲線 圖圖3-19 理想混合反應(yīng)器的理想混合反應(yīng)器的E() 曲線曲線 59 t F(t)(出口流出口流)0.09520.18130.39350.6321 0.8647 1-F(t)(設(shè)備中設(shè)備中)0.90480.81670.60650.3679 0.1353CSTR 反應(yīng)器中物料在不同反應(yīng)器中物料在不同 t 時(shí)的時(shí)的F(t)及及 1-F(t) 0RVv2Ac60用幾個(gè)等體積的全混流反應(yīng)器串聯(lián)來(lái)模擬實(shí)際反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況。用幾個(gè)等體積的全混流反應(yīng)器串聯(lián)來(lái)模擬實(shí)際反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況。假設(shè)實(shí)際反應(yīng)器中的返混程度與假設(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)個(gè)等體

37、積的全混流反應(yīng)器串聯(lián)時(shí)相同，相同，m是虛擬釜數(shù)，不一定是整數(shù)。是虛擬釜數(shù)，不一定是整數(shù)。每一級(jí)的停留時(shí)間每一級(jí)的停留時(shí)間 為串聯(lián)級(jí)數(shù)為串聯(lián)級(jí)數(shù) m。方差方差m=1時(shí)，時(shí)， 即為全混流模型即為全混流模型m=時(shí)，時(shí)， 即為平推流模型即為平推流模型對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率可表示為：對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率可表示為：12_0;10t11 /1mA mx mk t 61F()的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:取62_N1N_Ne)() 1N(N)( E！01000( 1 ):;111 .3lnlnln0 .1 0 4 (m in)1 4 .1 0 0 .3AAAAACtAAAAAACd Ck Cd tC

38、Cd Ck d t k tkCCt C先 由算 出 k對(duì) 一 級(jí) 反 應(yīng)63例例3-6 某管式反應(yīng)器的直徑為某管式反應(yīng)器的直徑為0.028m,流入的流體速度為流入的流體速度為0.36m/s,反反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度為應(yīng)器實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度為3.74m,按脈沖輸入法測(cè)得如下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按脈沖輸入法測(cè)得如下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):如在此設(shè)備內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)如在此設(shè)備內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)速率反應(yīng)速率rA=kCA, k=0.4min,此反此反應(yīng)器能用多級(jí)理想混合模型來(lái)描述應(yīng)器能用多級(jí)理想混合模型來(lái)描述,試預(yù)計(jì)反應(yīng)器出口處未轉(zhuǎn)試預(yù)計(jì)反應(yīng)器出口處未轉(zhuǎn)化部分所占的分率化部分所占的分率.64解解: 由于此反應(yīng)器可用多級(jí)理想混合模型描述由于

39、此反應(yīng)器可用多級(jí)理想混合模型描述,又是又是一級(jí)反應(yīng)一級(jí)反應(yīng), 因此出口處未轉(zhuǎn)化部分所占的分率為因此出口處未轉(zhuǎn)化部分所占的分率為:0 ( )1 F此式實(shí)為模型參數(shù)此式實(shí)為模型參數(shù)N與轉(zhuǎn)化深度的關(guān)系與轉(zhuǎn)化深度的關(guān)系, 若能求出若能求出N即可求得即可求得CAN/CA0, N可借助停留時(shí)間分布的測(cè)可借助停留時(shí)間分布的測(cè)定來(lái)確定定來(lái)確定.656667 用什么方法可提高轉(zhuǎn)化率？用什么方法可提高轉(zhuǎn)化率？減少生產(chǎn)量即減少流速來(lái)延長(zhǎng)減少生產(chǎn)量即減少流速來(lái)延長(zhǎng) ？增長(zhǎng)反應(yīng)器長(zhǎng)度來(lái)延長(zhǎng)增長(zhǎng)反應(yīng)器長(zhǎng)度來(lái)延長(zhǎng) ？在設(shè)備內(nèi)設(shè)置擋板來(lái)減少反應(yīng)器的返混，從而在設(shè)備內(nèi)設(shè)置擋板來(lái)減少反應(yīng)器的返混，從而提提高模型參數(shù)提提高模型參數(shù)

40、 N ?68N345.CN/C00.9330.9330.9320.933 多級(jí)串聯(lián)反應(yīng)器模型參數(shù)與多級(jí)串聯(lián)反應(yīng)器模型參數(shù)與 x x 之間的關(guān)系之間的關(guān)系69n層流模型層流模型n軸向擴(kuò)散模型軸向擴(kuò)散模型n多級(jí)串聯(lián)全混流模型多級(jí)串聯(lián)全混流模型n組合模型組合模型 A2AAA10mpmRpRx1)( ,2)x1x/()x11ln()( ,11)(0)()()V()V(級(jí)反應(yīng)級(jí)反應(yīng)級(jí)反應(yīng)，70 凡是流動(dòng)狀況偏離平推流和全混流這兩種理想情況的流動(dòng)，統(tǒng)稱為凡是流動(dòng)狀況偏離平推流和全混流這兩種理想情況的流動(dòng)，統(tǒng)稱為非非理想流動(dòng)理想流動(dòng)。 是什么原因造成非理想流動(dòng)的呢？通過對(duì)實(shí)際反應(yīng)器進(jìn)行停留時(shí)間是什么原因造成

41、非理想流動(dòng)的呢？通過對(duì)實(shí)際反應(yīng)器進(jìn)行停留時(shí)間分布測(cè)定，根據(jù)測(cè)得的分布測(cè)定，根據(jù)測(cè)得的RTDRTD曲線形狀來(lái)定性判斷造成非理想流動(dòng)的原因。曲線形狀來(lái)定性判斷造成非理想流動(dòng)的原因。出峰時(shí)間正常出峰時(shí)間正常: :峰形正常，基本接近峰形正常，基本接近CSTRCSTR或或PFRPFR 出峰太早出峰太早 )(1:eiex 比較宏觀混合說(shuō)明反應(yīng)內(nèi)存在死區(qū)（流體是靜說(shuō)明反應(yīng)內(nèi)存在死區(qū)（流體是靜止的）或存在溝流、短路現(xiàn)象，止的）或存在溝流、短路現(xiàn)象，使出峰提早。使出峰提早。 2710001AAxxAAAAAdxtdxCrr遲出峰遲出峰 存在死區(qū)，或示蹤劑被吸附在皿壁上。存在死區(qū)，或示蹤劑被吸附在皿壁上。 72w

42、確定模型參數(shù)確定模型參數(shù)m或或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)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)器中的流動(dòng)狀況，關(guān)鍵是確定串聯(lián)的級(jí)數(shù)m或或Pe， m或或Pe又與方差有關(guān)，因此，可以通過實(shí)驗(yàn)確定停留時(shí)間又與方差有關(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，分布，進(jìn)而計(jì)算方差， m或或Pe，然后求得轉(zhuǎn)化率。，然后求得轉(zhuǎn)化率。w定性分析流動(dòng)狀況定性分析流動(dòng)狀況n平推流平推流n理想混合流理想混合流w定量分析流動(dòng)狀況定量分析流動(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

43、時(shí)間不等于時(shí)間不等于VR/V，因此可以得用停留時(shí)間分布來(lái)，因此可以得用停留時(shí)間分布來(lái)定量定量估算死角與短路的程度。估算死角與短路的程度。73 Reference:Y. Lu, J. A. Biesenberger. Effect of reactor type on polymer product: A backmix reactor for polymerizations and other viscous reaction media. Polymer Engineering & Science, 2004, 37(6): 1036 - 104474 沒有副反應(yīng)，選擇反應(yīng)器時(shí)只需考

44、慮體積的大小，通沒有副反應(yīng)，選擇反應(yīng)器時(shí)只需考慮體積的大小，通常采用常采用有效利用系數(shù)有效利用系數(shù)來(lái)表示平推流反應(yīng)器與理想混合反來(lái)表示平推流反應(yīng)器與理想混合反應(yīng)器體積比的大小。應(yīng)器體積比的大小。 對(duì)同一反應(yīng)在相同溫度、相同產(chǎn)量和相同轉(zhuǎn)化率的條對(duì)同一反應(yīng)在相同溫度、相同產(chǎn)量和相同轉(zhuǎn)化率的條件下，平推流反應(yīng)器與理想混合反應(yīng)器的有效體積之比。件下，平推流反應(yīng)器與理想混合反應(yīng)器的有效體積之比。 0級(jí)反應(yīng) 1級(jí)反應(yīng) 2級(jí)反應(yīng) -dCA/d=k -dCA/d=kCA -dCA/d=kCA2 平推流反應(yīng)器 間歇反應(yīng)器 理想混合反應(yīng)器 p=CA0 xA/k m= CA0 xA/k p=ln1/(1-xA)/k

45、 m= xA/(1-xA)/k p=xA/(1-xA)/ k CA0 m=xA/ k CA0 (1-xA)2 7521)()(表表3-2 平推流、間歇和理想混合反應(yīng)器的計(jì)算式平推流、間歇和理想混合反應(yīng)器的計(jì)算式7601.0 x1.0,( )( )pv xmx各類反應(yīng)器相對(duì)體積的比較 1級(jí)反應(yīng) 2級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)器類型 x=0.90 x=0.99 x=0.90 x=0.99 平推流反應(yīng)器 間歇式反應(yīng)器 1 1 1 1 單級(jí)理想混合反應(yīng)器 4.34 21.7 10 100 二級(jí)理想混合反應(yīng)器 1.87 3.97 3 8 77討論討論當(dāng)轉(zhuǎn)化率當(dāng)轉(zhuǎn)化率x=0 x=0時(shí)，時(shí)，=1=1在工業(yè)上無(wú)意義。在工業(yè)上

46、無(wú)意義。對(duì)對(duì)0 0級(jí)反應(yīng)，級(jí)反應(yīng)，=1=1，因反應(yīng)速度與濃度無(wú)關(guān)，即，因反應(yīng)速度與濃度無(wú)關(guān)，即反應(yīng)器體積（停留時(shí)間）與流動(dòng)類型無(wú)關(guān)。反應(yīng)器體積（停留時(shí)間）與流動(dòng)類型無(wú)關(guān)。對(duì)對(duì)1級(jí)和級(jí)和2級(jí)反應(yīng)，當(dāng)轉(zhuǎn)化率一定時(shí)，級(jí)反應(yīng)，當(dāng)轉(zhuǎn)化率一定時(shí)， ， 即反應(yīng)級(jí)數(shù)越高，有效利用系數(shù)越低。即反應(yīng)級(jí)數(shù)越高，有效利用系數(shù)越低。因此，因此，()()RpvR mVVd() ) dF t E tt （ 781 . 0二級(jí)反應(yīng)一級(jí)反應(yīng)連續(xù)反應(yīng)器內(nèi)A之濃度變化理想混合平推流c e1)( E理想混合平推流連續(xù)反應(yīng)器內(nèi)B之濃度變化c00( 1 )( 1)NNNCCCkkNLu總總間歇反應(yīng)器ABC00(1)(1)NNNCCCkk

47、NLu總總圖圖3-22 3-22 在間歇及連續(xù)反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物及產(chǎn)物濃度隨時(shí)間變化的曲線在間歇及連續(xù)反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物及產(chǎn)物濃度隨時(shí)間變化的曲線7980634.0 x,366.0ccc5.0ckcc1:5.0c,1c1kcdc1:)b()2(618.0 x,382.0618.1/618.0)1c/(cc)c1c1(k1kcdc1618.02411ccc1kccc1a)1(2222221m11cc2p11212cc2p12112110Am10A21即對(duì)理想混合反應(yīng)釜對(duì)平推流反應(yīng)器附圖器在前的情況微觀流體，平推流反應(yīng)對(duì)平推流反應(yīng)器：對(duì)理想混合釜：）應(yīng)器在前的情況（附圖微觀流體，理想混合反解： 81 00

48、0/0:()();()():;1/1;,11();:(1)1 /(11 /) ;( 31 4 )kAAAkAkdd xxEdxxEdd CCk Ced tCxCCeEexeedxk在 反 應(yīng) 器 出 口 流 中 停 留 時(shí) 間 在物 料 的 轉(zhuǎn) 化 率對(duì) 出 口 流 中 總 轉(zhuǎn) 化 率 的 貢 獻(xiàn) 為出 口 流 中 總 轉(zhuǎn) 化 率一 級(jí) 動(dòng) 力 學(xué) 方 程 式 為對(duì) 單 級(jí) 理 想 連 續(xù) 混 合 反 應(yīng) 器帶 入此 式 與/(1).AAxkx式相 同 82 反應(yīng)物濃度高對(duì)主反應(yīng)有利而對(duì)副反應(yīng)不利反應(yīng)物濃度高對(duì)主反應(yīng)有利而對(duì)副反應(yīng)不利時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用平推流反應(yīng)器；時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用平推流反應(yīng)器； 反之，

49、當(dāng)反應(yīng)物濃度低對(duì)主反應(yīng)有利而對(duì)副反之，當(dāng)反應(yīng)物濃度低對(duì)主反應(yīng)有利而對(duì)副反應(yīng)不利時(shí)，則應(yīng)采用理想混合反應(yīng)器反應(yīng)不利時(shí)，則應(yīng)采用理想混合反應(yīng)器. . 83 1.1.間歇式反應(yīng)器間歇式反應(yīng)器 (Batch Reactor) 由于物料停留時(shí)間相同，所以不管是宏觀流體還是微由于物料停留時(shí)間相同，所以不管是宏觀流體還是微觀流體，其轉(zhuǎn)化率是相同的。觀流體，其轉(zhuǎn)化率是相同的。2.2.平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器 (PFR)可以設(shè)想成很多小的間歇式反應(yīng)器有次序地連續(xù)通過可以設(shè)想成很多小的間歇式反應(yīng)器有次序地連續(xù)通過裝置，裝置，間歇式反應(yīng)器的結(jié)論即宏觀混合與微觀混合對(duì)間歇式反應(yīng)器的結(jié)論即宏觀混合與微觀混合對(duì)化學(xué)反應(yīng)的

50、影響相同，也適用于化學(xué)反應(yīng)的影響相同，也適用于平推流反應(yīng)器。平推流反應(yīng)器。 Batch ReactorPFR Picture84 3.3.理想混合理想混合反應(yīng)器反應(yīng)器 (CSTR) 一級(jí)化學(xué)反應(yīng)：一級(jí)化學(xué)反應(yīng)： 微觀流體與宏觀流體在理想連續(xù)混合反應(yīng)器微觀流體與宏觀流體在理想連續(xù)混合反應(yīng)器中的反應(yīng)結(jié)果相同。下面從宏觀混合進(jìn)行推導(dǎo)：中的反應(yīng)結(jié)果相同。下面從宏觀混合進(jìn)行推導(dǎo)： CSTR Picture 1)(0dttE85的生成。高，有利于目的產(chǎn)物小，理想混合反應(yīng)器的收率越高。值就越小，越大越小，為目的產(chǎn)物，若的生成。低，有利于目的產(chǎn)物高，反應(yīng)器的平推流反應(yīng)器或間歇式收率越高。值越大，越小時(shí)，越大，

51、為目的產(chǎn)物，若則SCCS/,CCSRCCR/CCRCk/ )CkCk(/,Ckd/dCCkCkd/dC,Ckd/dC,SRARAsRRARASRRAR2R2A1SRR2SSR2A1RRA1AAkk2186 在穩(wěn)定狀態(tài)下，對(duì)反應(yīng)物在穩(wěn)定狀態(tài)下，對(duì)反應(yīng)物A作物料恒算作物料恒算 0287證明：設(shè)在反應(yīng)器的某一區(qū)域，由于逆向返混，使兩個(gè)反應(yīng)深度不等的流體微證明：設(shè)在反應(yīng)器的某一區(qū)域，由于逆向返混，使兩個(gè)反應(yīng)深度不等的流體微元碰到了一起，設(shè)其濃度分別為元碰到了一起，設(shè)其濃度分別為CA1和和CA2,_0AkC1 88 100 10 1 0.10.01 0.1 1 CA / CAo =1-XA反應(yīng)級(jí)數(shù)n = 012(V宏觀宏觀/V微觀微觀)返混返混 圖圖3-24 宏觀混合和微觀混合的性能比較宏觀混合和微觀混合的性能比較 22200002002200220222222220(1)() ()2()()11 ( )2( )112 ( )( )11 ( )1( ),/ttEdEdEdEdtttE tdttE tdtttttt E t dttE t dtttt E t dtttt E t dttt89宏觀混合微觀混合1.0