第四章 反应中的混合及对反应的影响.ppt

第四章反应器中的混合及对反应的影响 停留时间分布表征了发生在化学反应器内物料混合的特性。 E(t)是指出口处物料的停留时间分布密度 在分析反应器特性时，E(t)是最有用的参数，它描述了反应物流参与化学反应的时间长短 二、 停留时间分布的实验测定 三、停留时间分布的数字特征 四、理想流动模型的停留时间分布 二、 轴向混合模型 三、多级串联全混流模型 第五节 非理想流动反应器的计算 （2）用多釜串联模型 多级串联全混流模型： 轴向扩散模型： 用多级串联全混流模型或轴向扩散模型模拟实际反应器中的流动 状况，关键是确定串联的级数 m 或 Pe。因为 m 或 Pe 仅与方 差有关，因此，可以通过实验确定停留时间分布，进而计算方差， 确定 m 或 Pe，然后求得转化率。 确定模型参数 m 或 Pe 例:某反应器的体积为12L，物料以0.8L/min的流量流过反应 器，在反应器中进行液相分解反应，动力学方程为 rA=kcA， tm =15min，k=0.307 min-1，停留时间分布的方差为0.211，试 用轴向混合模型和多釜串联模型计算出口转化率。 解：（1）用轴向混合模型 所有物料质点的停留时间都相同，且等于整个物料的平均 停留时间tm，停留时间分布函数与分布密度为： 由方差定义， 2、全混流流动： 　　假设阶跃法连续进入全混流反应器流体中的示踪剂的浓度为c0，反应器出口流体中示踪剂浓度为c，流体的体积流量为V，对反应器作示踪剂的物料衡算： 进入的示踪剂量=流出的示踪剂量+示踪剂的积累量 积分式： 例：某全混流反应器体积为100L，物料流率为1L/s，试求在反应器中停留时间为(1)90~110s，(2)0~100s，(3)100s的物料在总进料中所占的比例。 解： 全混流反应器： 停留时间在90~110s的物料占总进料的0.667-0.593=0.074=7.4%。 （1） （2） （3） 停留时间小于100s的物料占总进料的63.2%。 停留时间大于100s的物料占总进料的36.8%。 例：现有一个停留时间相同的全混釜和平推流反应器,当二者以不同的方式进行串联时，其各自的最终转化率为多少？ 已知：停留时间为1min，反应速率常数为1.0m3/kmol.min,液相反应物浓度为1kmol/m 解：全混釜在前，平推流在后 全混釜停留1min后反应物的浓度： 反应物浓度为cA1后进入平推流 在平推流停留1min后反应物的浓度： 平推流在前停留1min后反应物的浓度： 在全混釜中再停留1min后反应物的浓度： 定量分析流动状况 实际反应器中可能存在短路与死角，使实际的平 均停留时间不等于VR/V，因此可以用停留时间 分布来定量估算死角与短路的程度。 定性分析流动状况 活塞流 全混流 五、停留时间分布的应用 例：某全混流反应器VR=1m3，流量V=1m3/min，脉冲注入M0 克示踪剂，出口示踪剂浓度随时间的变化为 如图所示，试判断反应器中有无死角存在。 0 20 40 60 80 t(s) c(t) 解： （脉冲法） 两者比 较，得 平均停留时间： 统计平均停留时间： 两者不相等，说明反应器中有死角存在，有些物料粒子没有 流出，导致统计平均停留时间不等。 由反应器体积和体积流量求得： 实际反应器中的流动状况总是偏离理想流动 很难建立其真实方程 可以先建立一种非理想流动模型，用它来描述实际反应器中 的流动情况 再通过对模型参数估值来确定偏离理想流动的具体程度 常用的模型主要有： 一、数学模型方法 第三节 非理想流动模型 对实际反应器，处理时在平推流的基础上迭加一个轴向混合来进行校正。 适合于不存在死角、短路和循环流、返混程度较小的非理想流动模型。 模型参数是轴向混合弥散系数EZ，停留时间分布可表示为EZ的函数。 基本要点： V0 V0 轴向流动 弥散传质 输入 输出 积累 单位面积： EZ——弥散系数 建立数学模型 通常将上式写成无因次形式 （4-41） Pe ——称为 Peclet（皮克莱）准数，亦称为 轴向混合模型参数，其物理意义为： 讨论： 活塞流： 全混流： ① 根据 Pe 值判断流动类型 ② 根据边界条件，可得到方程 （4-45） ③ 根据边界条件，求解方程（4-45）可得到示 踪法测定停留时间分布出口的应答曲线 （4-48） （4-49） ④ 根据E(θ)可得到方差 与 的对应关系 ⑤ 根据E(θ)可得到平均停留时间与 的对应关系 0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.05 0.1 0.5 1 10