內(nèi)容課件文稿

本章主要內(nèi)第一部分流動模型第二部分反應器模型全混流反應器第三部分流動狀態(tài)對反應過程的影響第一節(jié)流動模型定義: 器時的流動和返混的狀況。表現(xiàn)為各流體粒子在反應器里停留時間的差異。其中如磨擦造成流速分布不均勻、分子意義：研究混合對生物反應的影響首先要研究流動模研究方法：實際反應器的流動狀況非常復雜，但實際的要特征的理想反應器來描述和處理。平推流和全混流是代表兩種極限情況下的理想流動模型。在此基礎上，經(jīng)過修描述流動模型的變量—停留時間分布 原因：反應進行的程度和反應物料在反應器中停留時間 停留時間分布函數(shù)與分布密停留時間分布函數(shù)：出口物料粒子中停留時間小于t的粒子所占的分率，用F(t)表示。是無因次的，且0≤F(t)≤1，當t∞時，F(xiàn)(t)1停留時間分布密度：出口物料中停留時間在t至t＋Δt之間的粒子所占的分率用E(t)dt表示，E(t)稱為分布密度。E(t)本；；歸一化條 E(t)dt0F(t)與E(t)tF(t)是E(t)關于停留時間增量Δtt

E(t)dtF(tF(t)函數(shù)圖中任意一點的斜率為E(t)E(t)dF(t曲線的斜率為E(t)，陰影部分面積即為用分布密度函數(shù)積分平均值表示平均停留時矩形面積為E(t)dt，曲線下的面積為F(t)

平均停留時間分布密度為E(t)，則t

tE(t)dt

0tE(t)dt

E(t)dt 0 它是E(t)曲線下面積的重心在橫軸上的投影。停留時間分布的實驗測脈沖示蹤法和階躍示蹤法，脈沖示蹤法基本原理：原物料連續(xù)穩(wěn)定地通過被測定的反應器，系統(tǒng)的入間不同，因此不同時出反應器，在注入示蹤粒子的同時開始檢測出口示蹤劑濃度，記錄出口示蹤劑濃度與時間的對應關系。 0,tc c,0t 0,t

脈沖注入法的注入和應答函圖

：在的期間內(nèi)由惰性流體轉(zhuǎn)換為示蹤流體，濃度持在 t時 的粒子F(t)定義為t時刻出口粒子濃度 c tc tc方差方差是表述了各粒子停留時間偏離平均停留時間的程度，也稱為散度(取值的分散程度)，以 表示。對比時間以為自變量的分布函數(shù)F()和密度函數(shù)E()以及平均對比 間對全混 對平推 對全混 對平推 對一般實際流 理想反應器的停留時間分平推流和全混流是兩種的理想流型，具推流反應器和全混流反應器。間分布。平推流及其特點平推流(1)時，F(xiàn)(t)＝0；1，F(xiàn)(t)=c/c0=1，由突變?yōu)?2)輸入在極短的時間內(nèi)完成，根據(jù)定義，平推流<1和時，出口應答(c)P＝0；在時，出口與t=0時(c)P全混流及其特點粒子在反應器內(nèi)的是不均勻的，出口粒子的停留時間存階躍輸入：在時間dt內(nèi)，加料中示蹤物濃度為c0，物料邊界條件：t0，c=0，t時，cc0,解得： 可以 證明E(t)

et/tttE(t)dt

tet/t xeaxdx1ax1eax a

x1

t'1limx1xet/t'dtt'x

xexdxt'

x 即ttF理想反應器的停留時間分P非理想反應器的流動模串級、擴散或循環(huán)模型描述層流模型層流模型發(fā)生于管式流動反應器中，認為停層流模型不同的圓筒處，由于流速不同導致停留時間不同平均停留時間為 L/

R2兩邊求

1

R dR R L/

t W t層流模型RdRtRRdRtR2 4tuut停留時間為t，則在R+dR處物料的停留時間為t+dt管內(nèi)最小的停留時間t0在R=0處。且 /擴散模型(1)擴散模型描述流動狀態(tài)（無反應 Accum

R

擴散模型c

2cl

u令ccc0，tt，zlc 2c c 2c c L 其中BouL(Bodenstein準數(shù)，又稱Peclet準數(shù)1/Bo稱為軸向擴散準數(shù)。如為階躍注入，則初始條件： z0，ccc

z不同邊界狀況下數(shù)學期望和方差與的關是判斷返混程度的重要指是擴散模型的關鍵參數(shù),根據(jù)的大小可以看出當時表示無軸向擴散，為理想平推流1/Bo表示達到軸向擴散的最大程度，即理想混合在不同的下，分布函數(shù)F(t)與對比停留時間的關系用擴散模型描述反應體對底物S的物料平衡 2c u 無因次化，令=t/t，z=l/L，L=ut d S SrtBo z0時 c1dcS，表明在反應器z0邊界內(nèi)側(cè)只有物料流動，無反向擴散

Boz

當反應為一級時的解析

S 式中cse為反應器出口處的濃度，cso為反應器處的濃度。 4kt1/q1 串級模型 尋找出與模型參數(shù)值的關系 串級模型 每級反應器的平均停留時間總平均停留時間 對于第2個反應器

??=1?

1+????+

????2+?

????

??????1

N N N 為全混流小結(jié)串級、循環(huán)或擴散模型描述。應器模型參數(shù)(串聯(lián)反應器個數(shù)N,循環(huán)比,軸向擴散準數(shù)Bo)間的關系：N＝1/+1=反應器模型細胞流體的細細胞流體的細胞進入微體的速微元體內(nèi)細的積累速

微元體內(nèi)細微元體內(nèi)細的微元體內(nèi)細的生成速微元體向環(huán)移出的能微微元體向環(huán)移出的能微元體內(nèi)反放出的能流出微元體物料中的能進入微元體物料中的能微元體內(nèi)能的積累速生物反應器的基本類主要包括：理想混合間歇反應器全混流反應器理想平推流反應器理想全混流反應器

矩形陰影面積即為 物料不含胞時的停留時達到某一細胞濃度的停留時間反應器的效率越高。稀釋速率——停留時間的倒數(shù)如果cX0=0說明對于cX0=0的CSTR連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作的CSTR中，

B 單位時間單位體積B 進料中無菌體的定態(tài)下，CSTR 當

此時

=

??0??+其 代入式（1），求

理想平推流反應器設計方程該方程的用PFR的停留時間是1/r對c曲線下c0與cfMonod方程得：理想反應器的組低的殘?zhí)菨舛?，因此采用與多個反應器串聯(lián)①CSTR與PFR當最終細胞濃度cXfcXopt時選用一個CSTRCSTR串聯(lián)的效率更要求最終底物濃度較低，當cXf大于cXopt最小的系統(tǒng)是在cXopt下操作的CSTR后串聯(lián)一個PFR多個反應器串聯(lián)第一個反應器為CSTR，其物料平衡與單個CSTR第二個反應器PFR細胞產(chǎn)率：假設某細胞生長服從Monod

0.5h1 2gLCSTRSF100Lh，加料中底物濃度為CS050gL，另外菌體對少？反應器出口菌濃CX和底物濃度CS分別是多少？如果在上述反應器出口物料接入一個PFR，并使其出口底物濃度為CS1gLPFR的體積應該為多少？S流動狀態(tài)對反應過程的影微混對于反應轉(zhuǎn)化率的影響流動狀態(tài)影響實際反應轉(zhuǎn)化微混的影響流動狀況對選擇性的影 大不同動力學級數(shù)的反應器