化學(xué)反應(yīng)工程第4章省公共課一等獎全國賽課獲獎?wù)n件

第四章非理想流動反應(yīng)器1第1頁第一節(jié)概述

一、返混

物料在反應(yīng)器內(nèi)不但有空間上混合而且有時間上混合。1.簡單混合：相同停留時間物料間混合。2.返混：不一樣停留時間物料間混合。3.返混產(chǎn)生原因：（1）反應(yīng)器中物料循環(huán)流動（2）湍流（3）分子擴散（4）催化劑或填料碰撞（5）不均勻流速分布（如層流）（6）反應(yīng)器結(jié)構(gòu)2第2頁3第3頁二、返混對化學(xué)反應(yīng)影響返混是不一樣停留時間物料間混合。即不一樣轉(zhuǎn)化率，不一樣溫度物料粒子間相互混合。返混會改變反應(yīng)器內(nèi)物料濃度分布，所以是影響反應(yīng)器性能一個主要參數(shù)。1.單一反應(yīng)（1）n>0返混降低了反應(yīng)推進(jìn)力，－rA，XA（2）n＜0返混降低了反應(yīng)推進(jìn)力，－rA，XA有利于反應(yīng)(3)自催化反應(yīng)：返混使產(chǎn)物濃度增加，有利于反應(yīng)4第4頁2.復(fù)合反應(yīng)（1）平行反應(yīng)：主反應(yīng)級數(shù)大于副反應(yīng)級數(shù)，返混使主產(chǎn)物選擇率下降；主反應(yīng)級數(shù)小于副反應(yīng)級數(shù)，返混使主產(chǎn)物選擇率提升。（2）連串反應(yīng)：返混是中間產(chǎn)物濃度降低，因而，使中間產(chǎn)物選擇率下降。5第5頁6第6頁三、按返混程度對反應(yīng)器分類1.完全不返混型反應(yīng)器2.充分返混型反應(yīng)器3.部分返混型反應(yīng)器在這類反應(yīng)器中物料之間存在一定程度返混，但并未到達(dá)充分返混程度，現(xiàn)將這類反應(yīng)器稱為非理想流動反應(yīng)器。7第7頁四、停留時間分布停留時間分布（簡稱RTD）:因為反應(yīng)器中物料返混，造成了全部流體微元停留時間有長有短，展現(xiàn)了一個概率分布。即返混造成了停留時間分布。但并非只有返混才能夠引發(fā)停留時間分布。如：層流：無返混，但卻存在著停留時間分布。由此可知，返混與停留時間分布并無確定一一對應(yīng)關(guān)系，一定返混必定形成確定停留時間分布，不過一定停留時間分布并不一定由確定返混引發(fā)。8第8頁

返混程度大小極難經(jīng)過試驗直接測定，而停留時間分布能夠試驗直接測定，故總是設(shè)法用停留時間分布來描述返混程度大小?？墒且驗橥Ａ魰r間分布與返混不是一一對應(yīng)關(guān)系，不能直接把試驗測定停留時間分布用于描述返混程度大小，而要借助于流體流動模型來表示。

因為停留時間分布慣用概率給予描述，即用二個函數(shù)及二個特征值給予描述。二個函數(shù)分別是停留時間分布函數(shù)和停留時間分布密度函數(shù)，二個特征值則是數(shù)學(xué)期望和方差。9第9頁

第二節(jié)：流體在反應(yīng)器內(nèi)

停留時間分布

一、停留時間分布（簡稱RTD）表示方法通常，停留時間分布依據(jù)其測定方法，有著不一樣表示方法。對于“出口流體”：E(t)－RTD密度函數(shù)F(t)－RTD函數(shù)對于“器內(nèi)流體”：I(t)－年紀(jì)分布密度函數(shù)Y(t)－年紀(jì)分布函數(shù)10第10頁1.RTD密度函數(shù)E(t)定義：在定常態(tài)下連續(xù)流動系統(tǒng)中，停留時間在t－t+dt范圍內(nèi)瞬時物料占總進(jìn)料分率為E(t)dt。注意：E(t)大小并不是分率大小，只有在E(t)曲線下方，在t－t+dt間面積才是分率大小，所以，把E(t)叫做RTD密度函數(shù)。11第11頁12第12頁2.RTD函數(shù)F(t)當(dāng)物料以定常態(tài)流量流入反應(yīng)器而不發(fā)生化學(xué)改變時，在流出物料中停留時jian小于t物料占總流出物分率：F(t)為時間t停留時間分布概率；Nt為停留時間小于t物料量；N∞為流出物料總量，也是流出停留時間在0與無限大之間物料量。13第13頁3.E(t)和F(t)關(guān)系則存在及14第14頁15第15頁4.停留時間分布數(shù)字特征（1）數(shù)學(xué)期望（平均停留時間）：變量（時間t）對坐標(biāo)原點一次矩。16第16頁（2）散度散度，即方差。變量（時間t）對數(shù)學(xué)期望二次矩。為了運算方便，可改換成以下形式：17第17頁（3）離散數(shù)據(jù)時停留時間分布

數(shù)字特征數(shù)學(xué)期望（平均停留時間）：散度18第18頁統(tǒng)計量物理意義:

數(shù)學(xué)期望：代表均值（統(tǒng)計量平均值），這里是平均停留時間。方差：代表統(tǒng)計量分散程度，這里是停留時間對均值偏離程度。

19第19頁二、停留時間分布試驗測定當(dāng)前采取方法為示蹤法。即在反應(yīng)器物料進(jìn)口處給系統(tǒng)輸入一個訊號，然后在反應(yīng)器物料出口處測定輸出訊號改變。依據(jù)輸入訊號方式及訊號改變規(guī)律來確定物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時間分布規(guī)律。因為輸入訊號是采取把示蹤劑加入到系統(tǒng)方法產(chǎn)生，故稱示蹤法。20第20頁示蹤劑應(yīng)滿足以下要求：①示蹤劑與原物料是互溶，但與原物料之間無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生；②示蹤劑加入必須對主流體流動形態(tài)沒有影響；③示蹤劑必須是能用簡便而又準(zhǔn)確方法加以確定物質(zhì)；④示蹤劑盡可能選取無毒、不燃、無腐蝕同時又價格較低物質(zhì)。21第21頁22第22頁1.階躍輸入法本法是系統(tǒng)內(nèi)流體到達(dá)定常態(tài)后，將原來流入反應(yīng)器中流體瞬間切換為另一個在一些性質(zhì)上有所不一樣而對原流動不發(fā)生改變含有示蹤物料流體（如第一個流體為A,另一個流體為B，A切換B），切換同時開始計時，檢測不一樣停留時間下出口處示蹤物料濃度，直到進(jìn)出口濃度相同為止。23第23頁24第24頁因為在切換成另一個含有示蹤物料流體后t時刻，其出口物料在系統(tǒng)中停留時間均小于t，而所占分率為F(t)。假設(shè)進(jìn)口物料以體積流量V送入反應(yīng)器，在停留時間為t時，出料示蹤劑總量應(yīng)該是Vc，它將由兩部分示蹤劑組成，一部分是階躍輸入后物料（量為Vc+）中停留時間小于t示蹤劑，其量應(yīng)是Vc+F(t)；另一部分是階躍輸入前物料（量為Vc0-）中時間大于t示蹤劑，其量為Vc0-(1-F(t))即：25第25頁可得假如階躍輸人前進(jìn)口物流中不含示蹤劑，即，上式能夠?qū)懗桑河辛藢崪y不一樣時間t下C(t)值，即可繪出F(t)-t曲線和E(t)-t曲線，并求出特征值和。26第26頁27第27頁c/c0tt=01響應(yīng)曲線階躍輸入后進(jìn)入物料階躍輸入前進(jìn)入物料28第28頁例3-1測定某一反應(yīng)器停留時間分布規(guī)律，采取階躍示蹤法，輸入示蹤劑濃度c0=7.7kg·m-3，在出口處測定響應(yīng)曲線如表所表示。求在此條件下F(t)，E(t)及與值。29第29頁解：本試驗測定數(shù)據(jù)并非連續(xù)曲線而是離散型。則F(t)，E(t)，，計算式以下：30第30頁詳細(xì)計算結(jié)果如表31第31頁32第32頁2.脈沖輸入法本法是在被測定系統(tǒng)到達(dá)定常態(tài)后，在系統(tǒng)入口處，瞬間加入一定量m示蹤物料（加入時間遠(yuǎn)小于停留時間），同時開始計時，檢測不一樣停留時間出口處示蹤物料濃度。因為示蹤物料量較少，且加入時間可忽略，不會影響原來流動情況，所以，示蹤物在系統(tǒng)內(nèi)流況代表系統(tǒng)內(nèi)主流體流況，換言之，示蹤物料停留時間分布，也就是主流體停留時間分布。33第33頁34第34頁示蹤劑總量顯然是：由不一樣停留時間下C(t)即能夠求出E(t)、F(t).35第35頁例3.2在穩(wěn)定操作連續(xù)攪拌式形反應(yīng)器進(jìn)料中脈沖注入染料液(m∞=50g)，測出出口液中示蹤劑濃度隨時間改變關(guān)系如表所表示。請確定系統(tǒng)F(t)，E(t)曲線及，值。36第36頁解：本試驗采取脈沖示蹤法，測定時間間隔相同(Δt=120s)，計算式為：37第37頁計算值如表所表示。38第38頁39第39頁40第40頁三、用對比時間表示停留時間分布目：將停留時間分布無因次化。對比時間：換算：將全部關(guān)系式中t用τθ替換。41第41頁42第42頁第三節(jié)：理想反應(yīng)器停留時間分布1、平推流反應(yīng)器tt=0F(t)1激勵曲線tt=F(t)1響應(yīng)曲線43第43頁脈沖示蹤tt=0E(t)激勵曲線tt=E(t)響應(yīng)曲線44第44頁示蹤只是顯示停留時間分布規(guī)律，規(guī)律不隨示蹤方法而變。45第45頁2、全混流反應(yīng)器采取階躍示蹤法測定停留時間分布在t時刻對示蹤劑做物料衡算：46第46頁解上述方程47第47頁圖示tt=0F(t)1激勵曲線tt=0F(t)1響應(yīng)曲線tt=0E(t)響應(yīng)曲線48第48頁兩種理想反應(yīng)器停留時間分布對照49第49頁平推流反應(yīng)器E(t)圖

全混流反應(yīng)器E(t)圖

50第50頁由此可見，當(dāng)完全沒有返混時，當(dāng)返混到達(dá)極大程度時，當(dāng)返混介于二者之間時，即非理想流動時，介于0和1之間。用來判斷反應(yīng)器內(nèi)流型，并判斷其偏離理想流動程度。截止到現(xiàn)在，本章沒有包括任何化學(xué)反應(yīng)。51第51頁第四節(jié)：非理想流動模型因為分子擴散、渦流擴散和流速分布等原因，實際反應(yīng)器中流動情況經(jīng)常要偏離理想流動，需要用流動模型來描述。流動模型能夠分成：多級混合模型軸向擴散模型凝集流模型。52第52頁一、多級混合模型物理模型：假設(shè)實際反應(yīng)器是由若干大小相等全混流反應(yīng)器串聯(lián)而成。串聯(lián)釜數(shù)N就是模型參數(shù)這些全混流反應(yīng)器之間沒有返混，沒有反應(yīng)。定常態(tài)操作。對于兩種理想反應(yīng)器，其模型參數(shù)分別為：全混釜：N=1；活塞流：；而對于實際反應(yīng)器.53第53頁用階躍法測定第i個反應(yīng)器停留時間分布V0,c0,V1,c1,V2,c2,Vn,cnVi,ci,54第54頁多釜串聯(lián)圖示

55第55頁56第56頁57第57頁58第58頁59第59頁60第60頁N=1，全混流N，平推流N等于某一值，意味著該反應(yīng)器返混程度相當(dāng)于N個理想混合反應(yīng)器串聯(lián)。N只是一個虛擬值，所以，N能夠是整數(shù)也能夠是小數(shù)。停留時間分布密度函數(shù)散度為槽數(shù)倒數(shù)。61第61頁解題步驟：62第62頁二、軸向擴散模型物理模型：1主體流動為平推流，但疊加一渦流擴散。2渦流擴散遵照費克擴散定律且在整個反應(yīng)器內(nèi)擴散系數(shù)為常數(shù)。費克擴散定律(Fick’slaw)：63第63頁在有化學(xué)反應(yīng)時對反應(yīng)物做物料衡算：dl64第64頁整理得：65第65頁66第66頁開開，開閉，閉開，閉閉。反應(yīng)器內(nèi)有返混，如邊界處有返混，則為開式邊界條件，若邊界處沒有返混，則為閉式邊界條件。67第67頁68第68頁開開式邊界條件下解：69第69頁70第70頁71第71頁72第72頁73第73頁經(jīng)過擴散模型求轉(zhuǎn)化率定常態(tài)下，由基礎(chǔ)方程簡化得74第74頁75第75頁對一級等溫恒容不可逆反應(yīng)，有解析解76第76頁解題步驟：77第77頁例3-6試用軸向擴散模型中開-開式邊值條件及閉-閉式邊值條件計算例3-3中反應(yīng)器出口物料轉(zhuǎn)化率。解：本題中:78第78頁按開-開式邊值條件：計算β值79第79頁計算出口轉(zhuǎn)化率80第80頁按閉-閉式邊值條件81第81頁本例題若按平推流反應(yīng)器計算，其出口轉(zhuǎn)化率將是：按全混釜式反應(yīng)器計算其出口轉(zhuǎn)化率，將是：82第82頁三、凝集流模型1.流體混合態(tài)（1）混合過程：兩種或更多物料在同一容器中經(jīng)過采取攪拌等辦法，使之到達(dá)均勻程度。（2）調(diào)勻度：83第83頁調(diào)勻度不是評價混合程度唯一指標(biāo)。對于非均相系統(tǒng)：比如固體兩種顆粒間混合，當(dāng)取樣規(guī)模較大時，S=1，認(rèn)為混合已到達(dá)均勻;當(dāng)取樣規(guī)模較小時，，認(rèn)為混合不均勻可見只用調(diào)勻度來衡量混合程度是不夠。混合均勻程度，應(yīng)以到達(dá)分子規(guī)模完全混合為極限。微觀流體：以分子尺度作為獨立運動單元來進(jìn)行混合流體。微觀混合：微觀流體之間混合。84第84頁宏觀流體（凝集流體）：以若干分子（1012－1018個分子）所組成流體微團（或分子束）作為獨立運動單元來進(jìn)行微團之間混合，且在混合時微團之間并不發(fā)生物質(zhì)交換，微團內(nèi)部則含有均勻組成和相同停留時間流體。宏觀混合：宏觀流體之間混合。完全凝集態(tài)：宏觀流體混合態(tài)；非凝集態(tài)：微觀流體混合態(tài)；部分凝集態(tài)：兩種極端混合態(tài)之間過渡混合態(tài)。85第85頁2.流體混合態(tài)對化學(xué)反應(yīng)影響對于單一流體流入反應(yīng)器系統(tǒng)，設(shè)物料流中含反應(yīng)物A濃度為CA1,而反應(yīng)器內(nèi)流體中A濃度為CA2,反應(yīng)速率方程為：－rA=kCAn微觀流體：宏觀流體：86第86頁比較上兩式：n＝1或0，－rA=-RA,微觀流體和宏觀流體含有相同反應(yīng)效果。反應(yīng)結(jié)果不但和動力學(xué)特征及停留時間分布函數(shù)相關(guān)，而且，也和微觀混合程度相關(guān)。87第87頁3.凝集流物理模型：

流體以流體微團（或分子束）方式流過反應(yīng)器，這些流體微團彼此之間不發(fā)生混合，每個流體團相當(dāng)于一個小反應(yīng)器。因為返混作用，流體微團在反應(yīng)器內(nèi)停留時間不一樣，到達(dá)轉(zhuǎn)化率因而不一樣，在反應(yīng)器出口處宏觀轉(zhuǎn)化率，就是各不一樣停留時間流體團到達(dá)轉(zhuǎn)化率平均值。88第88頁這么就把流體停留時間分布與反應(yīng)轉(zhuǎn)化率聯(lián)絡(luò)起來了，每個流體團都作為一個間歇反應(yīng)器，