化学反应工程-第四章-反应器中的混合对反应的影响

第四章反应器中的混合及对反应的影响第一节连续反应器中物料混合状态分析第二节停留时间分布第三节非理想流动模型第四节非理想流动反应器的计算第四章反应器中的混合对反应的影响1、按混合对象的年龄分（1）同龄混合：相同年龄物料之间的混合BSTR，PFR（2）返混：不同年龄物料之间的混合CSTR，MCSTR在实际工业反应器内，两者并存！第一节连续反应器中物料混合状态分析？径向混合均匀一、混合现象的分类2、按混合尺度的大小来分（1）宏观混合：设备尺度上的混合设备空间内的分散程度（2）微观混合：物料微团尺度上的混合物料粒子内的均匀程度——分子扩散宏观空间物料粒子（流体质点）一、混合现象的分类3、实际工业反应器内物料粒子的混合特点（1）既存在混合也存在返混；（2）无轨迹可循；（4）只具统计规律（3）停留时间各不相同；——可通过实验测定，得到统计结果。一、混合现象的分类二、连续反应过程的考察方法1、以反应器为对象的考察方法如CSTR，因搅拌均匀。不能跟踪到物料的变换情况。2、以单个分子为对象的考察方法()0AfAAdcdcrdtdtAfc只存在两种状态——反应物或产物Ax0100%（反应物）（产物）不存在选择率问题0Ac3、以物料微团为对象的考察方法包含的分子数足以具有统计性质与单个分子相比是一个很大的分子集团与宏观颗粒相比是一个微不足道的粒子使浓度、转化率、反应速率、选择率等参量具有统计平均意义如微团内反应速率可表达为：()()wiwkfcrkfcd—;wc浓度为时的微团质量—wd物料微团的总质量二、连续反应过程的考察方法在实际工业反应器中由于物料在反应器内的流速不均匀，或者由于反应器内部构件的影响，造成和主体流动方向相反的环流（例如搅拌引起物料的环流、沟流和死区。这些工程因素，都会导致物料的流动状况偏离理想的平推流。同时进入反应器的物料由于以上所讲的“工程因素”不可能同时离开反应器。同一时刻离开反应器的物料中，在反应器内经历的停留时间有长有短，称为停留时间分布。第二节停留时间分布一、停留时间分布的定义停留时间——物料质点从反应器入口算起，在反应器内所经历的时间。寿命——物料质点从反应器进口开始算起到从出口流出为止，在反应器内所经历的停留时间。定义：同时进入反应器的N个流体质点中，停留时间介于t与t+dt间的质点所占的分数dN/N为。()dEtt1.停留时间分布密度停留时间分布密度具有归一化性质。0()1Etdt即停留时间趋于无限长时，所有不同停留时间质点分率之和为1。()Et停留时间t01.0为停留时间介于t~t+dt之间的质点分率。1NN()Et()Ft00()/()ntiiFtNNEtdt0,(0)0tF,()1tF定义：流过反应器的物料中停留时间小于t的质点(或停留时间介于0~t之间的质点)的分数。性质如下2.停留时间分布函数停留时间t01.0()()dFtEtdtE(t)曲线在任一t时的值就是F(t)曲线上对应点的斜率。由定义可得()FtCSTR试验100颗100颗短时间内1次性投入在不同时间间隔内检出流出的粒子数直到全部流出为止t=0t=t+Δt例如：试验数据记录表：t→t+Δt(min)0~22~33~44~55~66~77~8出口中红色粒子数026121822178~99~1010~1111~1212~14126410根据区段内粒子数计算停留时间分布密度()1()iiinFtEttNt定义式：计算t→t+Δt(min)0~22~33~44~55~66~77~8出口中红色粒子数02612182217E(t)00.020.060.120.180.220.128~99~1010~1111~1212~141264100.120.060.040.010数据处理及结果：注意:E(t)值与停留时间的单位有关。以t为横坐标，区段内粒子数分率平均值为纵坐标作图每一个长方形的面积为1NNt各长方形的面积之和为1iNNNN计算停留时间分布函数值定义式：()iNFtN计算先将区段内的实验数据整理成累积值t→t+△t（分）0345678出口中红色粒子数02820386077F(t)00.020.080.200.380.600.779101112148995991001000.890.950.991.001.00注意:F(t)值与停留时间单位无关。0204060801001201357911t(min)F(t)渐近线S形曲线图)(~tFt二、停留时间分布的实验测定0、测定技术用一定的方法将示踪剂加到反应器进口，然后在反应器出口物料中检验示踪剂信号，以获得示踪剂在反应器中停留时间分布的实验数据。选择示踪剂的原则1、不与主流体反应；2、物理性质相近；3、有别于主流体的可测性；4、多相检测不发生相转移；5、易于转变为光、电信号。1.阶跃法三通红墨水桶清水桶接水桶实验现象（1）切换后接水桶颜色变成淡红色（2）随着时间的延长接水桶颜色不断加深（3）最后接水桶和红墨水桶颜色一致阶跃法实验装置VRVC=C0C=0示踪剂浓度V切换前记录仪C(t)切换前的信号切换后的信号三通阀切换后45°V含示踪剂物料阶跃法进出口信号特征曲线在切换时做到：出口示踪剂最大浓度：C(t)=C(∞)=C0短与快，不留痕迹输入信息应答信息1、当时间t=0时，出口C(t)=0的含义是什么？思考题：2、当时间t=t时，出口C(t)的含义是什么？3、当时间t=∞时，出口C(∞)=C0的含义是什么？出口物料中没有停留时间为0的物料粒子。停留时间小于t的物料粒子已全部流出。只要停留时间无限长，切换前存于反应器内的初始物料粒子将全部被含示踪剂的物料所置换。对进出口示踪剂进行物料衡算阶跃法中示踪剂的输入量不随时间变化：0VC假设：其中停留时间小于t的物料粒子有：0()VCFt又因为当t=t时，停留时间小于t的物料粒子将全部从反应器的出口流出：()VCt停留时间小于t的物料粒子占总粒子数中的分率0()()VCFtVCt∴阶跃法测定原理0()()CtFtC（1）用于直接测定停留时间分布函数F(t)；（2）经无限长时间后，0(),()1;CCF意义和特点：入口处：0000tCCt测定某一反应器停留时间分布规律，采用阶跃示踪法，输入的示踪剂浓度，在出口处测定响应曲线如下表所示时间(s)出口示踪剂浓度(g/L)0，15，25，35，45，55，65，75，85，9500.51.02.04.05.56.57.07.77.7求在此条件下F(t)和E(t)的值。07.7/CgL例0()()CtFtC()()dFtEtdt根据解：（4-6）（4-5）0()();dCtdFtC0()()CtFtC()()()dFtFtEtdtt例0()()0.065,0.130,0.260,0.520,0.714,0.844,0.909,1.000,1.000.CtFtC()()()0,0.00433,0.00650,0.01300,0.02600,0.01940,0.01300,0.00650,0.0091dFtFtEtdtt例例0204060801000.00.20.40.60.81.01.2F(t)t/s例0204060801000.000.010.020.030.040.05E(t)t/s2.脉冲法使物料以稳定的流量V通过反应器，然后在某个时刻（t=0时），注意入一定量的示踪剂，并保持混合物的流量不变，同时在出口流中测定示踪剂浓度C(t)随时间t的变化情况。示踪剂不宜多以免引起原体积流量的变化注射器V00C0C0()VmlV()Ct脉冲法实验装置脉冲法进出口信号特征曲线脉冲注入出口应答注射的时间越短越好0Ctt00CC0C0000000tCCtttt入口处：对示踪剂作物料衡算设：注入示踪剂的总量为：出口处浓度随时间变化为C(t)000(mol)MVCt则：在示踪剂注入后时间间隔内，流出的示踪剂量为：VC(t)dtd()NdtVCtdtNM示踪剂内流出量注射总量流出的示踪剂量占总示踪剂量的分率：ttt()()VCtdtEtdtM)()VEtCtM（只要测得V，M和C(t)，即可得物料质点的分布密度。对示踪剂作物料衡算00()()MVCtdtVCtdt0()()()()VCtEtCtMCtdt由于M=VC0Δt0，C0及Δt0难以准确测量，故示踪剂的总量可用出口所有物料的加和表示：因此，利用脉冲法可以很方便的测出停留时间分布密度。000()()()()ttCtdtFtEtdtCtdt在稳定操作的连续搅拌式反应器的进料中注入染料液（M∞=50g）测出出口液中示踪剂浓度随时间变化关系如下表t(s)C(t)(g/m3)0，120，240，360，480，600，720，840，860，10800，6.5，12.5，12.5，10，5.0，2.5，1.0，0.0，0.0请确定系统的F(t)和E(t)。（1）根据0()()()()VCtEtCtMCtdt【例4-1】因为实验数据是离散型的，所以用求和方式计算M∞00()()MVCtdtVCtt120()its（有效时间间隔）0()MVtCt00()()1()()()()VCtCtEtCtMttCtCt【例4-1】由实验数据求得：0()6.512.512.51052.5150.0Ct0()1()()0,0.001083,0.002083,12050()0.002083,0.00167,0.000823,0.0004167,0.000167,0,0CtCtEttCt根据F(t)和E(t)关系求F(t)：【例4-1】000()()()()tttFtEtdtEtttEt0()1()()CtEttCt0000()()()()()ttCtCtFtCtCt其中：由脉冲法实验数据，计算停留时间分布函数值。【例4-1】t(s)0，120，240，360，480，600，720，840，860，10800()tCtF(t)0，6.512.512.5，10，5.0，2.5，1.0，0.0，0.0C(t)(g/m3)0，6.519.531.541.546.549.050.050.050.00，0.130.380.630.830.930.981.001.001.0000()()tCtCt注意和的区别【例4-1】求F(t)的另一种方法:000()()()()tttFtEtdtEtttEt0()0,0.001083,0.003166,0.005249,0.006919,0.007742,0.008159,0.008326tEt00()()120()0,0.13,0.38,0.63,0.83,0.93,0.98,1.00,1.00,1.00ttFttEtEt【例4-1】脉冲法阶跃法示踪剂注入方法在原有的流股中加入示踪剂，不改变原流股流量将原有流股换成流量与其相同的示踪剂流股E(t)F(t)()()()dFtVCtEtdtM000()()()()ttCtdtFtEtdtCtdt0()()()dFtdCtEtdtCdt00()()()tCtFtEtdtC两种实验方法的比较三、停留时间分布的数字特征1、数学期望2、方差统计特征值所有微团停留时间的“加权平均值”00()()mtEtdtttEtdt——统计平均值——离散度2200()()()tttEtdtEtdt各个物料微团停留时间与平均停时间的差的平方的加权平均值。整体符号不参与运算讨论1、数学期望与平均停留时间的联系与区别（1）两者在意义上不同：RmVtV——整个物料在设备内的平均停留时间。00()(