反應(yīng)器 混合反應(yīng)課件

第四章反應(yīng)器中的混合及對(duì)反應(yīng)的影響

連續(xù)反應(yīng)器中混合狀態(tài)的分析停留時(shí)間分布

非理想流動(dòng)模型非理想流動(dòng)反應(yīng)器的計(jì)算12/7/2022化學(xué)反應(yīng)是不同物質(zhì)分子間的化學(xué)作用，反應(yīng)進(jìn)行的必要條件是反應(yīng)物質(zhì)之間先要達(dá)到接觸（混合）；對(duì)CSTR或間歇攪拌反應(yīng)器，攪拌的目的就是將釜內(nèi)的物料混合均勻?；旌?？12/7/2022物料的年齡是指物料在反應(yīng)器中已停留的時(shí)間；物料的壽命是物料粒子從入到出反應(yīng)器所停留的時(shí)間；“混合”只是一種總稱，按其性質(zhì)分類可有多種不同的情況。壽命與年齡12/7/2022宏觀混合

指設(shè)備尺度上的混合現(xiàn)象

PFR與CSTR是兩種極端的流動(dòng)狀態(tài)微觀混合

它是一種物料微團(tuán)尺度上的混合

所謂微團(tuán)是指固體顆粒、液滴或氣泡等尺度物料的聚集體。

按混合發(fā)生的尺度大小分類12/7/2022在發(fā)生混合作用時(shí)，各個(gè)微團(tuán)之間可以達(dá)到完全相混，也可能完全不混或是介于兩者之間均相反應(yīng)過(guò)程是微團(tuán)之間可以達(dá)到完全相混固相加工反應(yīng)是微團(tuán)之間完全不發(fā)生相混12/7/2022湍流混合反應(yīng)物經(jīng)由機(jī)械攪拌或高速流體的射流所造成湍流流動(dòng)被撕裂，破碎成物料微團(tuán)而分散于另一流體中。分子擴(kuò)散被湍流所破碎的物料微團(tuán)，通過(guò)與其周圍流體之間的分子擴(kuò)散作用而達(dá)到分子尺度的均勻，即達(dá)到均相狀態(tài)。

？預(yù)混合是如何影響快、慢速反應(yīng)過(guò)程的混合過(guò)程的步驟12/7/202212/7/2022

在反應(yīng)器內(nèi)任取一尺度遠(yuǎn)小于反應(yīng)器的微元（但仍含有大量分子），在微元內(nèi)不存在組成和溫度的差異，即已達(dá)到分子尺度的均勻。在均相反應(yīng)器內(nèi)不存在微元尺度的質(zhì)量傳遞和熱量傳遞。均相反應(yīng)器的特征12/7/2022均相反應(yīng)和非均相反應(yīng)的區(qū)別只具有相對(duì)的意義：1.有時(shí)難以清晰區(qū)分，例如在以酶為催化劑制備蛋白質(zhì)的生物反應(yīng)過(guò)程中，因?yàn)槊副旧硎墙M成復(fù)雜的蛋白質(zhì)大分子，膠體尺寸為10-100nm，含酶的溶液代表了均相和非均相體系之間的一個(gè)灰色區(qū)域。2.同一反應(yīng)過(guò)程在不同條件下，應(yīng)視為均相反應(yīng)或非均相反應(yīng)可能發(fā)生轉(zhuǎn)化。

12/7/2022注意：PFR與Batch均無(wú)返混C=f(t)――BatchPFR的τ相當(dāng)于Batch的tC=f(l)――PFRCSTR有強(qiáng)烈返混，推動(dòng)力↓。偏離理想狀態(tài)徑向流速不均勻

PFR溝流渦流攪拌不均勻

CSTR死角短路12/7/2022偏離理想狀態(tài)12/7/2022停留時(shí)間分布如何觀測(cè)與度量返混如何描述非理想流動(dòng)1.停留時(shí)間分布測(cè)試

易控制，易測(cè)實(shí)驗(yàn)－安示蹤物與原物料性質(zhì)相近不改變流動(dòng)特征12/7/2022實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法與響應(yīng)特征用脈沖或階躍法注入示蹤劑，跟蹤實(shí)驗(yàn)看信號(hào)的響應(yīng)來(lái)觀察停留時(shí)間分布。12/7/2022脈沖法12/7/2022階躍法12/7/2022階躍法測(cè)停留時(shí)間分布12/7/2022(3)PFR與CSTR的、PFR：：：12/7/2022CSTR:某一時(shí)刻，進(jìn)口示蹤物加入量－出口示蹤物流出量＝器內(nèi)示蹤物積累量時(shí)，C＝0

12/7/20222.停留時(shí)間分布的數(shù)學(xué)特征②

③平均停留時(shí)間

停留時(shí)間的數(shù)學(xué)期望④離散度t對(duì)的偏離情況，又叫方差①12/7/2022⑤對(duì)比時(shí)間PFR:CSTR:

12/7/2022組合模型12/7/2022對(duì)理想流動(dòng)模型修正(1)層流模型在PFR基礎(chǔ)上修正假定反應(yīng)器同平面流速分布為

則

非理想流動(dòng)模型12/7/202212/7/2022(2)擴(kuò)散模型在PFR基礎(chǔ)上修正假定主流體向前流動(dòng)，少量流體反向擴(kuò)散引入Peclet準(zhǔn)數(shù)，Pe＝uL/DlDl很小，Pe很大；當(dāng)Pe大于200時(shí)，忽略返混,PFR:1/pe=0Dl很大，Pe很??；當(dāng)Pe小于.005時(shí)，返混很大,CSTR:1/pe=∞由R.T.D曲線→計(jì)算方差→計(jì)算方差→當(dāng)返混不太大時(shí)，Pe＝2/→計(jì)算Dl→代入擴(kuò)散模型求解。求出Pe后，可從有關(guān)圖表上直接查出實(shí)際反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率。12/7/202212/7/2022(3)多個(gè)CSTR串聯(lián)模型在CSTR基礎(chǔ)上修正假定被考察的反應(yīng)器有m個(gè)CSTR串聯(lián)由R.T.D曲線→計(jì)算方差→模型參數(shù)m＝1/m=1：CSTRm→∞：PFR12/7/2022

例：12/7/2022例：在上述反應(yīng)器中進(jìn)行等溫一級(jí)不可逆反應(yīng)，求反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率。(1)若反應(yīng)器近似為PFR，(2)若反應(yīng)器近似為CSTR，x=1-1/(1+kt)=0.822(3)用多個(gè)CSTR串聯(lián)模型，m=4.74