第五章 停留时分布与反应器的流动模型.ppt

第五章 停留时间分布与反应器的 流动模型 在第3章和第4章中分别讨论了两种不同类型的流动的反应器，即连续釜式反应器和管式反应。 结果表示出，在相同的反应条件下(进口组成、反应温度），两种反应器的操作效果有很大的差别，其原因是由于反应物料在反应器内的流动状况不同，返混程度不同，即停留时间分布不同。 连续釜式反应器的设计是基于反应区内物料浓度均一这一假定，而在处理管式反应器问题时则使用了活塞流的假定; 如果不符合以上两种假定的反应器，就需要建立另外的流动模型，以便对反应器进行设计与分析。 流动模型的建立是基于停留时间分布，还要在所建立模型的基础上，说明该类反应器的性能和设计计算。 那么，流动系统的停留时间分布如何定量描述？如何进行实验测定？ 5·1 停留时间分布 Residence Time Distribution 为了便于描述流体的流动规律,需要将有关流体流动的概念作进一步的了解. 流动模型:流体流过反应器时的流动状况及返混程度。 流体微元（物料粒子) ：研究流体流动的最小单元。 年龄:仍在反应器中的流体微元，已经在反应器中停留的时间。 寿命:离开反应器中的流体微元，在反应器中停留的时间。 返混:年龄不同的流体微元之间的混合。 理想流动:两种极端的流动模型，即活塞流模型于全混流模型。 活塞流:无返混；所有流体微元在反应器中的停留时间都相同。 全混流:返混程度最大，流体微元存在极宽的年龄与寿命分布；反应是在出口状态下的恒速反应。 返混 真实反应器介于全混流反应器与平推流反应器之间，存在部分返混。 因此，任何实际的流动都存在一定程度的返混。 管内流体的流动返混程度较小。 容器内流体的流动返混程度较大。 返混与混合的区别是：混合是指不同空间位置的粒子间的混合，返混则是时间概念上的混合，因此，返混也称逆向混合。 返混的存在导致了反应器中反应物料浓度的变化，那么对反应过程的影响如何？ 在第3章、第四章中，已经对同一个反应在不同类型的反应器中进行的结果作了比较。结果说明： 不同的反应类型，所适宜的反应器类型是不同的。也就是说：返混对反应过程有时有弊，但有时也有有利的地方。 因此返混对反应过程的影响还要针对具体问题作具体分析。 返混对正级数反应的影响 返混降低了反应组分浓度，降低了反应速率，使得完成同样任务所需的反应体积增大。 反应浓度随反应时间为非线性变化，因此反应速率于反应时间也是非线性关系。 一级不可逆反应 一级不可逆反应，反应组分浓度随时间的变化关系为： 按此关系可作图： 由图可得出结论： 对于正级数反应， 返混的存在对反应过 程是不利的。 返混对自催化反应等的影响 对于自催化反应，由于反应系统中需要一定的产物浓度，因此一定程度的返混对反应是有利的。有时候需要采用全混流反应器于活塞流反应器串联使用，就是出于此目的。 对于某些复杂反应系统，如果反应组分在主反应中的浓度级数低于其在副反应中的浓度级数，降低反应物浓度，即存在一定的返混则有利于反应选择性的提高。 虽然返混对反应过程的影响至关重大，但返混是无法定量描述的。 从返混的影响结果看，返混程度的不同，导致了不同的停留时间分布，因此返混对反应过程的影响，可以通过停留时间的分布来体现。 间歇系统的停留时间分布 化学反应进行的完全程度与反应物料在反应器内停留时间的长短有关，时间越长，反应进行得越完全。由此可见，研究反应物料在反应器内的停留时间问题具有十分重要的意义。 对于间歇反应器，这个问题比较简单，因为反应物料是一次装入，所以在任何时刻下反应器内所有物料在其中的停留时间都是一样的，不存在任何停留时间分布问题，间歇反应器反应物料停留时间的测量与控制是轻而易举的事。 间歇反应器无返混存在。 流动系统的停留时间分布 对于流动系统，情况就不同了，由于流体连续不断流入系统而又连续地由系统流出，流体的停留时间问题比较复杂。 通常所说的停留时间是指流体以进入系统时起，到其离开系统时为止，在系统内总共经历的时间，即流体从系统的进口至出口所耗费的时间。 同时进入系统的流体，是否也同时离开系统? 由于流体是连续的，而流体分子的运动又是无序的，所有分子都遵循同一的途径向前移动是不可能的，因此，流体微元的停留时间完全是一个随机过程。 流体系统的停留时间分布 对流体不能对单个分子考察其停留时间，而是对一堆分子进行研究。这一堆分子所组成的流体，称之为流体粒子或微团（微元）。 流体粒子的体积比起系统的体积小到可以忽略不计，但其所包含的分子又足够多，具有确切的统计平均性质。 那么，同时进入系统的流体粒子是否也同时离开呢?亦即它们在系统中的停留时间会不会相同呢？实际的反应器中很难找到，但是并不排除会存在大体相似的