化学反应工程原理——- 反应过程中的混合现象及其对反应的影响.ppt

第六章 非理想反应器和反应过程中的混合现象 理想状态的反应器 BR—物料具有相同的停留时间，无返混 PFR—物料具有相同的停留时间，无返混 CSTR—物料具有停留时间分布，返混最大 非理想反应器——工业反应器 特点：偏离理想状态，存在返混 描述非理想反应器的三个要素： 停留时间分布 混合程度 反应器模型 非理想流动反应器的研究思路： 首先考虑反应器流动模型，将其近似为PFR和CSTR 非理想流动，需要考虑宏观混合和微观混合 停留时间分布 6.1 混合现象分类 A按混合对象的年龄分： 相同年龄物料之间的混合—同龄混合，如BR 不同年龄物料之间的混合—返混，如CSTR 年龄 物料在反应器中已停留的时间，针对在反应器中的物料而言。 物料混合均匀程度与考察混合的尺度有关 B.按混合尺度大小分： 宏观混合—指设备尺度上的混合现象 CSTR—使物料在设备尺度上达到混合 PFR—使物料在设备尺度上无任何混合 微观混合—指物料微团尺度上的混合现象 微团之间完全均一混合状态—均相反应 微团之间完全不混合状态—固相反应 介于中间混合状态—互不相溶液液反应 6.2 停留时间分布及其性质 6.2.1 停留时间分布的表达 物料在反应器内的停留时间的长短—随机 物料在反应器内的停留时间的分布—随机 随机函数的表达方式 停留时间分布密度?(t)、E(t) 停留时间分布函数F(t) 1.停留时间分布密度?(t) 定义： t=0时瞬间流入反应器的物料中，停留时间介于t与t+dt之间的物料所占的分率为?(t)dt。 归一化的性质： 2.停留时间分布函数F(t) 定义 t=0瞬间流入反应器的物料中，停留时间小于t的物料所占的分率。 由定义可知： 3. ?(t)和F(t)的关系  小结 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。 f(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， f(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 6.2.2 停留时间分布的实验测定 方法—应答技术 用一定的方法将示踪物加入反应器进口，然后在反应器出口物料中检测示踪物的信号，以获得示踪物在反应器中停留时间分布规律的实验数据。 示踪物的输入方法 阶跃法；脉冲法。 示踪物的基本要求 示踪物与进料具有相同或非常接近的流动性质和物理性质； 示踪物具有易于检测的特殊性质如光学的、电学的、化学的或放射性的； 示踪物不能与物料发生化学反应或被吸附； 用于多相系统检测的示踪物不发生由一相转移到另一相的情况。 1. 脉冲法 当反应器中流体达到定态流动后，在某个极短的时间内，将示踪物脉冲注入进料中，然后分析出口流体中示踪物浓度随时间的变化，以确定停留时间分布。 设：物料流量v 脉冲注入示踪物总量Q 出口处示踪物浓度C（t） 当t=?时，加入系统中的示踪物全部离开 停留时间介于t~t+dt之间的示踪物量 2. 阶跃法 流体达到定态流动后，自某瞬间起连续加入示踪物流，然后分析出口流体中示踪物浓度随时间的变化，以确定停留时间分布。 设：混合物流量=v 出口物料中示踪物浓度=C（t） ? 示踪物流出量=vC（t） 根据F（t）定义： ∵出口处停留时间t的示踪物流出量＝vC0F(t) ? vC0F（t）= vC（t） F（t）=C/C0 6.2.3 停留时间分布的数字特征 1.数学期望 对原点的一阶矩，即平均停留时间 意义：随机变量的分布中心 曲线下面积的重心在横轴上的投影 上式也可写为： 对离散测定值则有： 2.方差 停留时间分布对于数学期望的二阶矩，离散度。 PFR：所有物料的停留时间相同＝ 对离散型实验数据 3. 对比时间（无因次时间） 定义： 平均停留时间： ?(t)具有归一性 在对应的时标处， F(?)=F(t) 方差 6.2.4 平推流反应器和全混流反应器的停留时间分布 1. 平推流反应器的停留时间分布 ?(t)曲线： t? 时，f(t)=0； t= 时，f(t)=?。 F(t)曲线： t? 时，F(t)=0； t? 时，F(t)=1。 2. 全混流反应器的停留时间分布 测试的方法：阶跃法 假设：进料中示踪物的浓度C0＝1，物料流量v 出料中示踪物的浓度C（t） 对反应器作示踪物物料衡算