化学反应工程（郭锴）chap 3 非理想流动反应器.pptVIP

3 非理想流动反应器 3 非理想流动反应器 （一）基本概念 （二）返混对反应过程的影响 3.2 流体在反应器内的停留时间分布 3.2.1 停留时间分布的定量描述 （3）平均停留时间（数学期望） 3.2.2 以对比时间作自变量的停留时间分布 两种停留时间分布规律之间的相互关系 3.2.3 停留时间（RTD）的实验测定 （1）阶跃示踪法 例题3-1 （2）脉冲示踪法 例题 3-2 3.2.4 理想反应器的停留时间分布规律 3.3 非理想流动模型 3.3.1 凝集流模型 3.3.1 凝集流模型 ? 凝集流模型的数学描述 3.3.2 多级串联混合槽模型 ?多级串联混合槽模型计算： ? 各级CSTR反应器停留时间分布规律的计算 ?4 对第一级CSTR ? 各级CSTR停留时间分布规律的计算 ?1 N=1，全混流 ?2 N=?，平推流 ?3 N等于某一值，意味着该反应器的返混程度相当于N个理想混合反应器的串联-等效关联。 ?4 N只是一个虚拟值，因此，N可以是整数也可以是小数。 ?5 停留时间分布密度函数的散度为槽数的倒数。 ? 多级混合槽模型的应用 3.3.3 轴向扩散模型 在有化学反应时对反应物做物料衡算： 整理得： 开开式边界条件下的解 通过扩散模型求转化率 对一级不可逆反应，有解析解 解题步骤： 按开-开式边值条件： 计算β值 计算出口转化率 按闭-闭式边值条件 本例题若按平推流反应器计算，其出口转化率将是： 按全混釜式反应器计算其出口转化率，将是： 3.4 均相反应过程模型法研究步骤 Chap 3 小结 Pe求解见例3-5 CSTR—以阶跃示踪法为例 PFR和CSTR停留时间分布规律的对比 ?用来描述介于两种理想状况之间的流型，并通过对流型的描述，预计在非理想流动状态下的反应结果。 ?将流型与化学反应联系起来，预计反应体积、处理量、转化率等之间的关系。 ?介绍三种模型：凝集流模型、多级串联槽模型和轴向扩散模型。 ?基础物理模型：间歇反应器 ?基本假定： ?流体以流体团的方式流过反应器，且彼此之间不发生混合； ?每个流体团相当于一个小反应器； ?由于返混的作用，每个流体团在反应器内的停留时间不同，达到的转化率因而不同，在反应器出口处的宏观转化率，就是各不同停留时间的流体团达到的转化率的平均值。 ?实际反应器与B.R.的关联：每个流体团都作为一个间歇反应器，它的反应时间由停留时间分布决定。而流体团在停留时间内达到的转化率由反应动力学决定。最后，将二者结合起来，在出口处加权平均，得到最终转化率 ?模型实质：相当于若干间歇反应器的并联，将非理想流动对反应的影响明显化了。 ?基础物理模型：CSTR ?基本假定： ?反应器是由若干大小相等的全混流反应器串联而成； ?各全混流反应器之间不存在返混，输送管道内不发生化学反应； ?定常态操作。 ?模型实质：以停留时间分布为纽带，通过若干个串联CSTR反应器的行为分析逼近非理想反应器。 V0, c0, V1,c1, V2,c2, Vn,cn Vi,ci, ?1 基础衡算方程： ?2 以阶跃输入法测定停留时间分布，则在时间t时对第i个反应器的示踪物进行物料衡算可得： ?3 设每个CSTR的容积均为VRi，则N个CSTR的总容积为NVRi ?5 对第二级CSTR ?6 对第三级CSTR ?N 以此类推，对N级CSTR出口流体中的示踪物浓度为： ?基础物理模型：PFR ?基本假定： ?主体流动为平推流，但叠加一涡流扩散； ?涡流扩散遵循费克扩散定律且在整个反应器内扩散系数为常数； ?定常态操作。 ?费克扩散定律(Fick’s law) dl PFR+轴向扩散 ?开式边条：边界处与反应器内流动型态没有突变 ?闭式边条：边界处与反应器内流动型态存在突变 ? 开开，开闭，闭开，闭闭。 ? 反应器内有返混，如边界处有返混，则为开式边界条件，若边界处没有返混，则为闭式边界条件 定常态下，由基础方程 简化得 解：本题中: 例3-6 试用轴向扩散模型中的开-开式边值条件及闭-闭式边值条件计算例3-3中反应器出口物料的转化率。 例3-3 某非理想流动反应器，其停留时间分布规律同例3-2。在该反应器内进行一级反应，动力学方程为?rA=3.33×10-3cA，请确定该反应器的出口转化率（反应物A的化学计量系数为1）。 Pe求解见例3-5 * 3.1 概述 理想反应器 ◆ 间歇充分搅拌反应器→BR，无返混 ◆ 长直流管式反应器→PFR，无返混 ◆ 连续搅拌反应器→CSTR，完全返混 实际反应器 ◆ 流体元—流体流动时独立存在的最小单元 ◆ 流体流动：流速分布；扩散；对流等 ◆ 设备设计：短路；死区；（沟流） ◆ 停留时间分