混合及對(duì)反應(yīng)的影響

第四章

反應(yīng)器中的混合及對(duì)反應(yīng)的影響

連續(xù)反應(yīng)器中混合狀態(tài)的分析停留時(shí)間分布

非理想流動(dòng)模型非理想流動(dòng)反應(yīng)器的計(jì)算11/19/2023實(shí)際反應(yīng)器偏離理想狀態(tài)情況管式反應(yīng)器：徑向流速不均勻，溝流，渦流。釜式反應(yīng)器：攪拌不均勻，死角，短路。11/19/2023偏離理想狀態(tài)11/19/2023化學(xué)反應(yīng)是不同物質(zhì)分子間的化學(xué)作用，反應(yīng)進(jìn)行的必要條件是反應(yīng)物質(zhì)之間先要達(dá)到接觸（混合）；對(duì)CSTR或間歇攪拌反應(yīng)器，攪拌的目的就是將釜內(nèi)的物料混合均勻。第一節(jié)連續(xù)反應(yīng)器中混合狀態(tài)的分析11/19/2023物料的年齡是指物料在反應(yīng)器中已停留的時(shí)間；物料的壽命是物料粒子從入到出反應(yīng)器所停留的時(shí)間；“混合”只是一種總稱，按其性質(zhì)分類可有多種不同的情況。一、混合現(xiàn)象的分類11/19/2023同齡混合

相同年齡物料之間的混合

如間歇反應(yīng)返混不同年齡物料之間的混合如CSTR按混合對(duì)象的年齡分類11/19/2023宏觀混合

指設(shè)備尺度上的混合現(xiàn)象

PFR與CSTR是兩種極端的流動(dòng)狀態(tài)微觀混合

它是一種物料微團(tuán)尺度上的混合

所謂微團(tuán)是指固體顆粒、液滴或氣泡等尺度物料的聚集體。

按混合發(fā)生的尺度大小分類11/19/2023在發(fā)生混合作用時(shí)，各個(gè)微團(tuán)之間可以達(dá)到完全相混，也可能完全不混或是介于兩者之間均相反應(yīng)過程是微團(tuán)之間可以達(dá)到完全相混固相加工反應(yīng)是微團(tuán)之間完全不發(fā)生相混11/19/202311/19/2023

一種是反應(yīng)器的進(jìn)料只有一股物料，在進(jìn)入反應(yīng)器前已達(dá)到分子尺度的均勻，進(jìn)入反應(yīng)器后由于條件的改變而發(fā)生反應(yīng);

另一種是反應(yīng)器有兩股（或多股）組成不同的進(jìn)料，進(jìn)入反應(yīng)器后由于機(jī)械攪拌或高速流體造成的射流，流體被湍流脈動(dòng)破碎成微團(tuán)而相互混合，再借助分子擴(kuò)散，達(dá)到分子尺度的均勻。達(dá)到分子尺度的均勻的兩種途徑11/19/2023以反應(yīng)器為對(duì)象的考察方法均相反應(yīng)過程，分子尺度的均勻2.以反應(yīng)物料為對(duì)象的考察方法

微團(tuán)之間完全不發(fā)生相混的非均相反應(yīng)過程二、連續(xù)反應(yīng)過程的考察方法11/19/2023第二節(jié)停留時(shí)間分布如何觀測(cè)與度量返混如何描述非理想流動(dòng)1.

停留時(shí)間分布函數(shù)一、停留時(shí)間分布的定義流過反應(yīng)器的物料中，停留時(shí)間小于t的質(zhì)點(diǎn)所占的分率，用F(t)表示。11/19/20232.

停留時(shí)間分布密度函數(shù)F(t)對(duì)t的導(dǎo)數(shù)，稱為停留時(shí)間分布密度函數(shù)，以E(t)表示。歸一性11/19/2023易控制，易測(cè)與原物料性質(zhì)相近不改變流動(dòng)特征二、停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)定對(duì)示蹤劑的要求：測(cè)定方法：階躍法，脈沖法。11/19/2023階躍法測(cè)停留時(shí)間分布F(t)=c(t)/c011/19/2023脈沖法11/19/2023示蹤劑量：停留時(shí)間為t與t+dt之間示蹤劑的量：11/19/2023三、停留時(shí)間分布的數(shù)學(xué)特征數(shù)學(xué)期望2.方差3.對(duì)比時(shí)間平均停留時(shí)間tm也稱散度也稱無因次時(shí)間11/19/2023四、理想流動(dòng)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布平推流反應(yīng)器2.全混流反應(yīng)器3.組合反應(yīng)器11/19/2023組合反應(yīng)器（1）平推流反應(yīng)器＋全混流反應(yīng)器（2）全混流反應(yīng)器+平推流反應(yīng)器11/19/2023五、停留時(shí)間分布曲線的定性應(yīng)用出峰過早2.多個(gè)遞降峰3.出峰太晚存在死區(qū)。存在循環(huán)流。4.多個(gè)峰存在平行流，如短路、溝流。改進(jìn)措施？11/19/2023(1)擴(kuò)散模型在PFR基礎(chǔ)上修正假定主流體向前流動(dòng)，少量流體反向擴(kuò)散引入Peclet準(zhǔn)數(shù)，Pe＝uL/DlDl很小，Pe很大；當(dāng)Pe大于200時(shí)，忽略返混,PFR:1/pe=0Dl很大，Pe很小；當(dāng)Pe小于.005時(shí)，返混很大,CSTR:1/pe=∞由停留時(shí)間分布→計(jì)算方差→計(jì)算方差→當(dāng)返混不太大時(shí)，Pe＝2/→計(jì)算Dl→代入擴(kuò)散模型求解。求出Pe后，可從有關(guān)圖表上直接查出實(shí)際反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率。第三節(jié)非理想流動(dòng)模型11/19/2023(2)多個(gè)CSTR串聯(lián)模型在CSTR基礎(chǔ)上修正假定被考察的反應(yīng)器有m個(gè)CSTR串聯(lián)，由停留時(shí)間分布→計(jì)算方差→模型參數(shù)m＝1/m=1：CSTRm→∞：PFR11/19/2023

例：11/19/2023例：在上述反應(yīng)器中進(jìn)行等溫一級(jí)不可逆反應(yīng)，求反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率。(1)若反應(yīng)器近似為PFR，(2)若反應(yīng)器近似為CSTR，x=1-1/(1+kt)=0.822(3)用多個(gè)CSTR串聯(lián)模型，m=4.74(4)用擴(kuò)散模型，Pe=2/由