化工基础理论第6章 工业化学反应过及反应器.ppt

4.1.1.1 平行反应的瞬时选择性 平行反应： 3. 停留时间分布的测定方法 停留时间分布由实验测定，通常采用刺激响应技术，又称示踪法，即在反应器的进口加入某种示踪物，同时在出口测定示踪物浓度等的变化，由此确定流经反应器中物料的停留时间分布。 示踪法的关键是利用示踪物的光、电、化学或放射等特性，并使用相应的仪器进行检测。因而示踪物的选择十分重要，除要求示踪物具有上述特性外，它还应当不挥发、不吸收、易溶于主流体，并在很小的浓度下也能检测出。示踪物的输入方式主要有脉冲法和阶跃法。 4. 停留时间分布的数字特征 停留时间呈概率分布，可用描述随机变量的数字特征来表征其分布的特点。 （1）平均停留时间 平均停留时间是指全部物料质点在反应器中停留时间的平均值，在概率上称为数学期望，可通过分布密度函数来计算： (2)全混流反应器 全混流反应器中物料的浓度处处相等，物料返混程度最大。因此，τ＝0时刻进入反应器的物料，到达出口的时间介于0～∞之间。为便于测定其停留时间分布，采用阶跃输入法，利用物料衡算就可得出停留时间分布函数F(τ)。 设反应器体积为V，物料流的体积流量为qV，阶跃输入示踪剂浓度为CA0，经过dτ时间后，测定出口示踪剂浓度为CA，在时间间隔dτ内，反应器内示踪剂物料变化为VdCA，则 全混流反应器的F(τ)和E(τ)函数的曲线绘于图6-18。可见，t＝0，F(τ)＝0，E(τ)为最大值1/av(τ)；τ＝ av(τ)，F(av(τ))＝0.632，表明此时有 63.2%的物料质点在反应器内停留时间小于平均停留时间；τ＝∞， F(τ) ＝1.0， E(τ) ＝0，说明有的物料质点在器内停留很长时间。 6. 非理想流动模型 对实际流动反应器，仍需像理想反应器一样建立流动模型。建立实际反应器流动模型的思路是：研究实际反应器的流动状况和传递规律，设想非理想流动模型，并导出 该模型参数与停留时间分布的定量关系，然后通过实验测定停留时间分布来确定模型参数。从若干个可能的模型中筛选出最能反映实际情况而参数又少的模型，以供设计计算。非理想流动模型一般是对单一理想流动模型的适当修正或是对理想流动模型之间的适当组合。通常用的非理想流动模型有多釜串联模型、轴向扩散模型等。 解上微分方程，得 当Pe越小时，这种模型越接近全混流模型，Pe＝0时成为全混流模型；当Pe越大时，越接近活塞流模型，Pe→∞时即为活塞流模型。 7. 实际反应器的计算 实际反应器的计算同样是根据生产任务和要求达到的转化率，确定反应器体积；或由生产任务和选定的反应器体积，确定所要达到的转化率。由于实际反应器中的流况比较复杂，其计算也要比理想反应器复杂得多，前面所研究的停留时间分布和建立的非理想流动模型，都是为了简化实际反应器的计算。下面从非理想流动模型出发，简介实际反应器的计算。 (1)直接应用停留时间分布进行计算 实际反应器内，各物料粒子的停留时间不同，反应程度也不一样，转化率也就不相同。因此，实际反应器出口物料的转化率应是所有物料粒子转化率的平均值。 然而，间歇操作反应器除了反应时间之外，还要有辅助时间，这样它所需的实际反应器体积要大于活塞流反应器。换言之，连续的活塞流反应器比间歇的搅拌釜式反应器的生产能力要大，完成一定任务所需实际反应器体积要小，即连续操作带来生产的强化。 ②连续反应器的比较 由于存在返混，全混流反应器新加入反应物料与已反应了的物料之间瞬间达到了完全混合，并等于出口浓度，即器内反应推动力或反应速率一直处于最小；而活塞流反应器中反应物的浓度则由入口到出口逐渐减少，亦即反应速率逐渐减小，在出口达到最小，于是活塞流反应器内的反应速率总是高于全混流反应器。因而，在相同生产条件和任务时，全混流反应器所需容积要大于活塞流反应器的容积。 为更好地比较，定义同一反应、在相同反应条件和完成同样任务的活塞流反应器与全混流反应器的有效容积之比为容积效率，记作η。 (6-28) 零级反应，(-rA)=k，即反应速率与浓度无关。代入(2-28)式，有 (6-29) 一级反应，(-rA)=k·CA=k·CA,0·(1-xA)，代入(6-28)式并化简，得 (6-30) n级反应(n≠0或n≠1)，(-rA)=k·CAn=k·CA,0n·(1-xA)n，代入(6-28)式并化简，得 (6-31)