非理想流動反應(yīng)器課件

第三章非理想流動反應(yīng)器第三章非理想流動反應(yīng)器返混物料在反應(yīng)器內(nèi)不僅有空間上的混合而且有時間上的混合，這種混合過程稱為返混。物料在反應(yīng)器內(nèi)必然涉及到混合，即原來在反應(yīng)器內(nèi)不同位置的物料而今處于同一位置。如果原來在反應(yīng)器不同位置的物料是在同一時間進(jìn)入反應(yīng)器的，發(fā)生混合作用時，這種混合稱為簡單混合。如果原來在不同位置的物料是在不同時間進(jìn)入反應(yīng)器的，由于反應(yīng)時間不同，因此物料的濃度是不同的，兩者混合后混合物的濃度與原物料的濃度不同，這種混合過程稱為返混。返混物料在反應(yīng)器內(nèi)不僅有空間上的混合而且有時間上的混合，這種非理想流動反應(yīng)器ppt課件(1)完全不返混型反應(yīng)器(2)充分返混型反應(yīng)器(3)部分返混型反應(yīng)器在這類反應(yīng)器中物料之間存在一定程度的返混，但并未達(dá)到充分返混的程度，現(xiàn)將這類反應(yīng)器稱為非理想流動反應(yīng)器。(1)完全不返混型反應(yīng)器流體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間分布如果物料在反應(yīng)器內(nèi)流動時有返混發(fā)生，度量該返混程度最簡單而且最有效的方法是確定物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間規(guī)律，從而可定量地確定返混程度。由于物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時間是一個隨機(jī)過程，對隨機(jī)過程通常用概率予以描述，即用二個函數(shù)及二個特征值予以描述。二個函數(shù)分別是概率函數(shù)和概率密度函數(shù)，二個特征值則是數(shù)學(xué)期望和方差。物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時間分布規(guī)律也將用概率予以描述。流體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間分布如果物料在反應(yīng)器內(nèi)流動時有返混發(fā)停留時間分布函數(shù)F(t)當(dāng)物料以穩(wěn)定的流量流入反應(yīng)器而不發(fā)生化學(xué)變化時，在流出物料中停留時問小于t物料占總流出物的分率：F(t)為時間t的停留時間分布概率；Nt為停留時間小于t的物料量；N∞為流出物料的總量，也是流出的停留時間在0與無限大之間的物料量。停留時間分布函數(shù)F(t)當(dāng)物料以穩(wěn)定的流量流入反應(yīng)器而不發(fā)生停留時間分布密度函數(shù)E(t)則存在及停留時間分布密度函數(shù)E(t)則存在非理想流動反應(yīng)器ppt課件平均停留時間平均停留時間，即數(shù)學(xué)期望。變量（時間t）對坐標(biāo)原點(diǎn)的一次矩。平均停留時間平均停留時間，即數(shù)學(xué)期望。變量（時間t散度散度，即方差。變量（時間t）對數(shù)學(xué)期望的二次矩。為了運(yùn)算方便，可改換成如下形式：散度散度，即方差。變量（時間t）對數(shù)學(xué)期望的二次停留時間分布規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測定目前采用的方法為示蹤法，即在反應(yīng)器物料進(jìn)口處給系統(tǒng)輸入一個訊號，然后在反應(yīng)器的物料出口處測定輸出訊號的變化。根據(jù)輸入訊號的方式及訊號變化的規(guī)律來確定物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間分布規(guī)律。由于輸入訊號是采用把示蹤劑加入到系統(tǒng)的方法產(chǎn)生的，故稱示蹤法。停留時間分布規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測定目前采用的方法為示蹤法，即在反應(yīng)器示蹤劑應(yīng)滿足以下要求：①示蹤劑與原物料是互溶的，但與原物料之間無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生；②示蹤劑的加入必須對主流體的流動形態(tài)沒有影響；③示蹤劑必須是能用簡便而又精確的方法加以確定的物質(zhì)；④示蹤劑盡量選用無毒、不燃、無腐蝕同時又價格較低的物質(zhì)。示蹤劑應(yīng)滿足以下要求：階躍輸入法本法的工作要點(diǎn)是輸入物料中示蹤劑濃度從一種穩(wěn)態(tài)到另一種穩(wěn)態(tài)的階躍變化。也就是說，原來進(jìn)料中不含或含低濃度的示蹤劑，從某一時間起，全部切換為示蹤物（或提高示蹤物濃度），使進(jìn)料中示蹤物的濃度有一個階躍式突變。階躍輸入法本法的工作要點(diǎn)是輸入物料中示蹤劑濃度從一種穩(wěn)態(tài)到另非理想流動反應(yīng)器ppt課件進(jìn)口物料以體積流量V送入反應(yīng)器，在時間為t時，出料的示蹤劑總量應(yīng)該是Vc，其量應(yīng)是Vc0F(t),即：所以有了實(shí)測的不同時間t下的c值，即可繪出F(t)-t曲線和E(t)-t曲線，并求出特征值和。進(jìn)口物料以體積流量V送入反應(yīng)器，在時間為t時，出料的示蹤劑總c/c0tt=01響應(yīng)曲線階躍輸入后進(jìn)入的物料階躍輸入前進(jìn)入的物料c/c0tt=01響應(yīng)曲線階躍輸入后進(jìn)入的物料階躍輸入前進(jìn)入例3-1測定某一反應(yīng)器停留時間分布規(guī)律，采用階躍示蹤法，輸入的示蹤劑濃度c0=7.7kg·m-3，在出口處測定響應(yīng)曲線如表所示。求在此條件下F(t)，E(t)及與值。例3-1測定某一反應(yīng)器停留時間分布規(guī)律，采用階躍示蹤法，解：本實(shí)驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)并非連續(xù)曲線而是離散型的。則F(t)，E(t)，，的計算式如下：解：本實(shí)驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)并非連續(xù)曲線而是離散型的。則F(t)，E具體計算結(jié)果如表具體計算結(jié)果如表非理想流動反應(yīng)器ppt課件脈沖輸入法本法的工作要點(diǎn)是在一個盡可能短的時間內(nèi)把示蹤物注入到進(jìn)口流中，或者將示蹤物在瞬間代替原來不含示蹤物的進(jìn)料，然后立刻又恢復(fù)原來的進(jìn)料。同時開始測定出口流的響應(yīng)曲線，即出口流中示蹤劑濃度隨時間的變化關(guān)系。因?yàn)槭聚檮┦峭粫r間進(jìn)入反應(yīng)器的，因此停留時間小于t的示蹤劑量應(yīng)該是：脈沖輸入法本法的工作要點(diǎn)是在一個盡可能短的時間內(nèi)把示蹤物注入示蹤劑的總量顯然是：示蹤劑的總量顯然是：例3.2在穩(wěn)定操作的連續(xù)攪拌式形反應(yīng)器的進(jìn)料中脈沖注入染料液(m∞=50g)，測出出口液中示蹤劑濃度隨時間變化關(guān)系如表所示。請確定系統(tǒng)的F(t)，E(t)曲線及，值。例3.2在穩(wěn)定操作的連續(xù)攪拌式形反應(yīng)器的進(jìn)料中脈沖注入染料解：本實(shí)驗(yàn)采用脈沖示蹤法，測定的時間間隔相同(Δt=120s)，計算式為：解：本實(shí)驗(yàn)采用脈沖示蹤法，測定的時間間隔相同(Δt=120s計算值如表所示。計算值如表所示。非理想流動反應(yīng)器ppt課件非理想流動反應(yīng)器ppt課件用對比時間表示停留時間分布目的：將停留時間分布無因次化。對比時間：換算：將所有關(guān)系式中t用τθ替換。用對比時間表示停留時間分布目的：將停留時間分布無因次化。非理想流動反應(yīng)器ppt課件理想反應(yīng)器的停留時間分布1、平推流反應(yīng)器tt=0F(t)1激勵曲線tt=F(t)1響應(yīng)曲線理想反應(yīng)器的停留時間分布1、平推流反應(yīng)器tt=0F(t)1激脈沖示蹤tt=0E(t)激勵曲線tt=E(t)響應(yīng)曲線脈沖示蹤tt=0E(t)激勵曲線tt=E(t)響應(yīng)曲線示蹤只是顯示停留時間分布規(guī)律，規(guī)律不隨示蹤方法而變。示蹤只是顯示停留時間分布規(guī)律，規(guī)律不隨示蹤方法而變。2、全混流反應(yīng)器采用階躍示蹤法測定停留時間分布在t時刻對示蹤劑做物料衡算：2、全混流反應(yīng)器解上述方程解上述方程圖示tt=0F(t)1激勵曲線tt=0F(t)1響應(yīng)曲線tt=0E(t)響應(yīng)曲線圖示tt=0F(t)1激勵曲線tt=0F(t)1響應(yīng)曲線tt兩種理想反應(yīng)器停留時間分布對照兩種理想反應(yīng)器停留時間分布對照由此可見，當(dāng)完全沒有返混時，當(dāng)返混達(dá)到極大程度時，當(dāng)返混介于二者之間時，即非理想流動時，介于0和1之間。用來判斷反應(yīng)器內(nèi)的流型，并判斷其偏離理想流動的程度。截止到現(xiàn)在，本章沒有涉及任何化學(xué)反應(yīng)。由此可見，當(dāng)完全沒有返混時，非理想流動模型用來描述介于兩種理想狀況之間的流型，并通過對流型的描述，預(yù)計在非理想流動狀態(tài)下的反應(yīng)結(jié)果。將流型與化學(xué)反應(yīng)聯(lián)系起來，預(yù)計反應(yīng)體積、處理量、轉(zhuǎn)化率等之間的關(guān)系。介紹三種模型：凝集流模型、多級串聯(lián)槽模型和軸向擴(kuò)散模型。非理想流動模型用來描述介于兩種理想狀況之間的流型，并通過對流凝集流模型物理模型：流體以流體團(tuán)的方式流過反應(yīng)器，這些流體團(tuán)彼此之間不發(fā)生混合，每個流體團(tuán)相當(dāng)于一個小反應(yīng)器。由于返混的作用，流體團(tuán)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間不同，達(dá)到的轉(zhuǎn)化率因而不同，在反應(yīng)器出口處的宏觀轉(zhuǎn)化率，就是各不同停留時間的流體團(tuán)達(dá)到的轉(zhuǎn)化率的平均值。凝集流模型物理模型：這樣就把流體的停留時間分布與反應(yīng)轉(zhuǎn)化率聯(lián)系起來了，每個流體團(tuán)都作為一個間歇反應(yīng)器，它的反應(yīng)時間由停留時間分布決定。而流體團(tuán)在停留時間內(nèi)達(dá)到的轉(zhuǎn)化率由反應(yīng)動力學(xué)決定。最后，將二者結(jié)合起來，在出口處加權(quán)平均，得到最終轉(zhuǎn)化率。相當(dāng)與若干平推流反應(yīng)器或間歇反應(yīng)器的并聯(lián)，將非理想流動對反應(yīng)的影響明顯化了。這樣就把流體的停留時間分布與反應(yīng)轉(zhuǎn)化率聯(lián)系起來了，每個流體團(tuán)寫成數(shù)學(xué)公式：寫成數(shù)學(xué)公式：例3-3某非理想流動反應(yīng)器，其停留時間分布規(guī)律同例3-2【脈沖示蹤法，具體數(shù)據(jù)見表】。在該反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行一級反應(yīng)，動力學(xué)方程為：-rA=3.33×10-3cA，請確定該反應(yīng)器的出口轉(zhuǎn)化率（反應(yīng)物A的化學(xué)計量系數(shù)為1）。例3-3某非理想流動反應(yīng)器，其停留時間分布規(guī)律同例3-2【脈解：采用凝集流模型進(jìn)行計算。對于一級反應(yīng)，在間歇反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)時間關(guān)系如下：解：采用凝集流模型進(jìn)行計算。非理想流動反應(yīng)器ppt課件多級串聯(lián)槽模型物理模型：反應(yīng)器是由若干大小相等的全混流反應(yīng)器串聯(lián)而成。這些全混流反應(yīng)器之間沒有返混，沒有反應(yīng)。定常態(tài)操作。多級串聯(lián)槽模型物理模型：用階躍法測定第i個反應(yīng)器的停留時間分布V0,c0,V1,c1,V2,c2,Vn,cnVi,ci,用階躍法測定第i個反應(yīng)器的停留時間分布V0,c0,V1,c非理想流動反應(yīng)器ppt課件非理想流動反應(yīng)器ppt課件非理想流動反應(yīng)器ppt課件非理想流動反應(yīng)器ppt課件非理想流動反應(yīng)器ppt課件非理想流動反應(yīng)器ppt課件N=1，全混流N，平推流N等于某一值，意味著該反應(yīng)器的返混程度相當(dāng)于N個理想混合反應(yīng)器的串聯(lián)。N只是一個虛擬值，因此，N可以是整數(shù)也可以是小數(shù)。停留時間分布密度函數(shù)的散度為槽數(shù)的倒數(shù)。N=1，全混流小數(shù)的階乘由Γ函數(shù)解決。小數(shù)的階乘由Γ函數(shù)解決。解題步驟：解題步驟：例：V＝12L的反應(yīng)裝置，用脈沖法測定。v0＝0.8L/min,M=80g。在出口記錄示蹤劑A的濃度CA隨時間的變化，結(jié)果見表格：求N級全混流模型來預(yù)測速率常數(shù)k為0.15min-1的一級不可逆反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。例：V＝12L的反應(yīng)裝置，用脈沖法測定。v0＝0.8L/mi解：先求無因次方差和方差解：先求無因次方差和方差根據(jù)全混區(qū)的級數(shù)與方差之間的關(guān)系，有相當(dāng)于4.76個全混流反應(yīng)器串聯(lián)根據(jù)全混區(qū)的級數(shù)與方差之間的關(guān)系，有相當(dāng)于4.76個全混流反第二章中有當(dāng)?shù)饶柕葴胤磻?yīng)條件下非理想流動因素影響轉(zhuǎn)化率根據(jù)多級等體積釜串聯(lián)全混流反應(yīng)器的模型，可求出轉(zhuǎn)化率第二章中有當(dāng)?shù)饶柕葴胤磻?yīng)條件下非理想流動因素影響轉(zhuǎn)化率根據(jù)軸向擴(kuò)散模型物理模型：1主體流動為平推流，但疊加一渦流擴(kuò)散。2渦流擴(kuò)散遵循費(fèi)克擴(kuò)散定律且在整個反應(yīng)器內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)為常數(shù)。費(fèi)克擴(kuò)散定律(Fick’slaw)：軸向擴(kuò)散模型物理模型：在有化學(xué)反應(yīng)時對反應(yīng)物做物料衡算：dl在有化學(xué)反應(yīng)時對反應(yīng)物做物料衡算：dl整理得：整理得：非理想流動反應(yīng)器ppt課件開開，開閉，閉開，閉閉。反應(yīng)器內(nèi)有返混，如邊界處有返混，則為開式邊界條件，若邊界處沒有返混，則為閉式邊界條件。開開，開閉，閉開，閉閉。非理想流動反應(yīng)器ppt課件開開式邊界條件下的解：開開式邊界條件下的解：非理想流動反應(yīng)器ppt課件非理想流動反應(yīng)器ppt課件非理想流動反應(yīng)器ppt課件非理想流動反應(yīng)器ppt課件通過擴(kuò)散模型求轉(zhuǎn)化率定常態(tài)下，由基礎(chǔ)方程簡化得通過擴(kuò)散模型求轉(zhuǎn)化率定常態(tài)下，由基礎(chǔ)方程非理想流動反應(yīng)器ppt課件對一級不可逆反應(yīng)，有解析解對一級不可