第四章34学时.ppt

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第四章34学时

* 4.2.4 理想流型反应器的停留时间分布 对于平推流和全混流,可以直接计算停留时间分布函数和分布密度函数。 4.2.4.1 平推流 对于平推流反应器: 平推流的F(t)、 F(θ) : tm t F(t) 1.0 t =tm 平推流的E(t) 、 E(θ) : tm t E(t) tm t F(t) 1.0 4.2.4.2 全混流 采用阶跃法输入示踪物B。 1、F(t)、 F(θ) [B进入量]-[B离开量]=[B积累量] 积分 当 或 0.632 t tm 1.0 0 在dt时间内对示踪物B作物料衡算: 所以 t tm 1/ tm 0 2、 例:在不同串联方式的两个反应器系统中进行二级液相反应,两个反应器系统为: (1)CSTR和PFR串联,CSTR在前,PFR在后;(2) CSTR和PFR串联,PFR在前,CSTR在后。令CSTR的停留时间τm 和PFR的停留时间τp相等,并且τm=τp=1min,反应速率常数为k=1.0m3/(kmol×min),液相反应物进料浓度CA0=1kmol/m3,计算不同串联顺序的转化率。 (1)CSTR在前,PFR在后的情况: 先对第一级CSTR进行物料衡算:V0(CA0-CA1)=kCA12VR 式中,V0为进料流体体积流量;CA1为第一级反应器的出口反应物浓度。 两边同时除以V0整理得: τmkCA12+CA1-CA0=0 求解: 对第二级PFR进行物料衡算: 积分: 解得出口处浓度为:CAf=0.3821kmol/m3 所以转化率为:xA=(1-0.382)/1=0.618 (2) PFR在前,CSTR在后的情况: 先对第一级PFR进行物料衡算得: 对第二级CSTR进行物料衡算得: 求解CA1= 0.5kmol/m3 相应的转化率为0.634。 但特定的停留时间分布,对应的反应器系统不唯一。 例题分析: 例中两种情况停留时间分布相同。 但转化率却不同。 所以: 对于特定的反应器,停留时间分布唯一, 所以: 停留时间分布并不是对反应器或者反应系统特性的完整描述。 4.2.5 停留时间分布曲线的应用 1、可以对反应器内的流动状况作出定性判断,以确定是否符合工艺要求或提出相应的改善方案; 2、通过求取数学期望和方差,作为返混的量度,进而求取模型参数,从而建立合适的流动模型,进行非理想流动反应器的计算。 3、对于某些反应,比如后面将要学的微团完全不混合的系统,可以直接利用停留时间分布函数E(t)进行定量计算。 4.3 非理想流动模型 工业反应器中,总存在一定程度的返混,产生不同的停留时间分布,影响反应的结果。 但是,停留时间分布与返混之间不一定存在对应的关系。 4.3.1 数学模型方法 返混程度的大小,难以直接测定,可用停留时间分布描述。 即,一定的返混必然造成确定的停留时间分布,但是同样的停留时间分布可以是由于不同的返混造成的。 因此不能直接把测量的停留时间分布用于描述返混程度, 而要借助于模型。 可借助轴向 返混与一维扩散过程的相似性, 4.3.2 轴向混合模型(扩散模型) 在平推流模型的基础上叠加上轴向返混扩散项,来建立非理想流动模型,描述非理想流动。 为了模拟返混所导致流体偏离平推流效果, 轴向混合模型是在平推流模型基础上发展起来的,适用 于返混程度较小的流动状况。 并人为地认为轴向返混过程可以用费克定律加以定量描述,所以也称轴向扩散模型。 4.3.2.1 模型要点 1)垂直于流动方向的每一个截面上,物料浓度均匀; 2)沿流动方向,具有相同的流体速度和扩散系数; 3)物料浓度沿流动方向连续变化; 4)模型参数Ez(轴向混合扩散系数)在整个管内恒定,不随管内的轴向位置而变。 轴向混合模型适用于返混程度较小的系统, 如管式反应器、塔式反应器等。 4.3.2.2 模型方程 设为等容过程;反应器管长为L,直径为DR,体积 为VR;在离进口 l处取 dl 微元管段,反应进出口处物料体积流量V0和线速度u都相同。 dl V0 u u V0

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