《理想反应器2..ppt

生物反应器的研究方法 研究方法：理想化和模型化。 理想化：对于实际生物反应器，通过理想化处理，抽象出某几种具有代表性的典型反应器，当然它们是理想反应器。有了理想反应器，我们就可以比较容易地对它们进行研究，摸清生物反应在这些理想反应器中的反应情况，这就排除了不同形式反应器和操作条件对生物反应的影响。 理想流动反应器 反应器选型、设计和优化 间歇搅拌反应器 Batch Stirred Tank Reactor (BSTR) 特点：反应物料间歇加入与取出，反应物料的温度和浓度等操作参数随时间而变，不随空间位置而变，所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间 间歇反应器 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响； 2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题； 3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。 优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产 精细化工产品的生产 缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定 平推流反应器 Piston Flow Reactor (PFR) 平推流反应器 Piston Flow Reactor (PFR) 流动模型概述 概念 年龄 反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。 寿命 反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的物料质点而言的。 反应器特性分析 流动模型概述 间歇反应器 平推流反应器 全混流反应器 1投料 一次加料(起始) 连续加料(入口) 连续加料(入口) 2年龄 年龄相同(某时) 年龄相同(某处) 年龄不同 3寿命 寿命相同(中止) 寿命相同(出口) 寿命不同(出口) 4返混 全无返混 全无返混 返混极大 非理想流动模型 实际反应器内的返混程度是难以直接测定的，而总是用停留时间分布加以描述。但是，停留时间分布和反应器内的返混程度没有一定的相互对应关系，即一定的返混必然造成一定的停留时间分布，但是，同样的停留时间分布，可能是不同的返混所引起。因此，不能直接把测定所得的停留时间分布用于描述返混程度，而必需借助于一定的数学模型。 常用的数学模型有： 多釜串联模型；?? 轴向扩散模型。 非理想流动模型 流动模型概述 偏离全混流的情况 非理想流动模型  流动模型概述 偏离平推流的情况 浓度分布 ------ 推动力 非理想流动力学模型 流动模型概述 流动状况对化学反应的影响 ----- 由物料停留时间不同所造成 多釜串联模型 首先来分析一下多个理想CSTR反应器串联的停留时间分布。设有N个CSTR串联，每个反应器的体积皆为VR，忽略流体流过釜间连接线所需的时间。Q为流体的体积流量，C表示示踪剂的浓度。各釜的反应温度相同。 表示在多釜串联模型中反应器内返混程度大小只与串联的CSTR的数量N有关。当N＝1时，其无因次方差为1，即为一个CSTR；当N无穷大 时，即为PFR。而对于一般的N个串联的CSTR，介于两者之间。因此，对于N的不同取值，可以模拟不同的停留时间分布。 N为模型参数。多釜串联模型为单参数模型。 轴向扩散模型 由于分子扩散，涡流扩散以及流速分布不均匀等原因，使得流体的流型偏离理想流动。此时，可以用轴向扩散模型来加以模拟。 该模型假定：??流体以恒定的流速u通过系统；??在垂直于流体流动方向的截面上，径向浓度分布均匀，即径向混合达到最大；?? 由于湍流混合，分子扩散以及流速分布等传递机理而产生的扩散，仅发生在流动方向，即轴向，并以轴向扩散系数表示。这些因素的综合影响，且可以用费克定律描述。 第3节反应器设计的基本方程 反应器设计的基本内容 选择合适的反应器型式 反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性 确定最佳的工艺条件 最大反应效果+反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率 计算所需反应器体积 规定任务+反应器结构和