化学反应工程(第四版)第四章 反应器中的混合及对反应的影响

2013-7-18
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按操作方式，可分为间歇反应器、连续反应器和半间歇 （或半连续）反应器。 按反应物料的宏观混合状态，可分为集中参数系统和分布 参数系统；对连续流动反应器还可按反应器中是否存在停留 时间不同的物料之间的混合，即返混进行分类。 理想反应器指实际反应器流型的几种极限情况 (1)理想间歇反应器； (2)活塞流反应器——返混为零的连续流动反应器；

2
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例：
t(min) 0 C(g/l) 0 f(t) 0 F(t) 0 tf(t) 0 2 t f(t) 0
t
5 3
10 15 20 25 30 35 5 5 4 2 1 0
0.03 0.05 0.05 0.04 0.02 0.01 0 0.15 0.40 0.65 0.85 0.95 1.00 1.00 0.15 0.50 0.75 0.80 0.50 0.30 0 0.75 5
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阶跃法
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阶跃法测停留时间分布
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(2) 停留时间分布密度 f (t ) 与停留时间分布函数 F (t )
f (t ) ：R.T在t与(t+dt)间的物料质点的分率
0 2
11.25 16
12.5 9
0
tf (t )t f (t )t
0 0

15 min t

2 t f (t )t
f (t )t
0

t 2 47.5 2
t2
t
2
0.211
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物料的年龄是指物料在反应器中已停留的 时间；
物料的寿命是物料粒子从入到出反应器 所停留的时间； “混合”只是一种总称，按其性质分类可 有多种不同的情况。
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同龄混合 相同年龄物料之间的混合 如间歇反应

另一种是反应器有两股（或多股）组成不 同的进料，进入反应器后由于机械搅拌或高速 流体造成的射流，流体被湍流脉动破碎成微团 而相互混合，再借助分子扩散，达到分子尺度 的均匀。
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均相反应和非均相反应的区别只具有相对的意义： 1. 有时难以清晰区分，例如在以酶为催化剂制备蛋白 质的生物反应过程中，因为酶本身是组成复杂的蛋白质 大分子，胶体尺寸为10-100nm，含酶的溶液代表了均 相和非均相体系之间的一个灰色区域。 2.同一反应过程在不同条件下，应视为均相反应或非 均相反应可能发生转化。
V0 r 2 21 r0 r0
2

1t F (t ) 1 4t
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2
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在发生混合作用时，各个微团之间可以达到 完全相混，也可能完全不混或是介于两者之 间 均相反应过程是微团之间可以达到完全相混 固相加工反应是微团之间完全不发生相混
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湍流混合 反应物经由机械搅拌或高速 流体的射流所造成湍流流动被撕裂，破碎 成物料微团而分散于另一流体中。
2. 停留时间分布的数学特征
①
②
f (t ) F (t )
t VR /V0
t 0 tf (t )dt
2 0

③ 平均停留时间
停留时间的数学期望 ④ 离散度t对
2 t
t
的偏离情况，又叫方差
2 2
0 (t t ) f (t )dt t f (t )dt t
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2 (4) 用扩散模型，Pe=2/
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(2) 扩散模型
在PFR基础上修正

假定主流体向前流动，少量流体反向扩散 引入Peclet准数，Pe＝uL/Dl Dl很小，Pe很大；当Pe大于200时， 忽略返混,PFR:1/pe=0 Dl很大，Pe很小；当Pe小于.005时，返混很大, CSTR:1/pe=∞ 由R.T.D曲线→计算方差 2 2 →当返混不太大时，Pe＝2/ →计算方差 t 2 →计算Dl →代入扩散模型求解。求出Pe后，可从有关图表上直接查出 实际反应器的转化率。
返混
不同年龄物料之间的混合 如CSTR
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宏观混合 指设备尺度上的混合现象 PFR与CSTR是两种极端的流动状态 微观混合 它是一种物料微团尺度上的混合
所谓微团是指固体颗粒、液滴或气泡等 尺度物料的聚集体。
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分子扩散 被湍流所破碎的物料微团， 通过与其周围流体之间的分子扩散作用而 达到分子尺度的均匀，即达到均相状态。
？预混合是如何影响快、慢速反应过程的
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第四章 反应器中的混合及对反应的影响
连续反应器中混合状态的分析
停留时间分布
非理想流动反应模型
Hale Waihona Puke Baidu
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化学反应是不同物质分子间的化学作用， 反应进行的必要条件是反应物质之间先要 达到接触（混合）；
对CSTR或间歇搅拌反应器，搅拌的目的就 是将釜内的物料混合均匀。
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1, f ( ) 0 1, f ( ) 1 1, f ( ) 0 1, F ( ) 0
1, F ( ) 1
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组合模型
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组合模型
i. PFR: 0, 0 ii.CSTR: t ,
2 t 2
2 t 2
iii. f ( ) e
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1 F ( ) 1 e , ln(1 F ( ))
2

, ln f ( )
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f (t ) t与(t dt )间物料量 C (t ) C (t ) ＝ 同时进入的总物料质点 量 0 C (t )dt C (t )t
0


归一化： 0 f (t )dt 1 f (t )t 1 F(t)： R.T . tt 的物料质点的分率 0
t C (t )t t的物料量 0C (t )dt ，0 F (t ) ＝ 同时进入的总物料质点 量 0 C (t )dt C (t )t
在反应器内任取一尺度远小于反应器的 微元（但仍含有大量分子），在微元内不存 在组成和温度的差异，即已达到分子尺度的 均匀。 在均相反应器内不存在微元尺度的质量 传递和热量传递。
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一种是反应器的进料只有一股物料，在 进入反应器前已达到分子尺度的均匀，进入反 应器后由于条件的改变而发生反应;

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(3) 多个CSTR串联模型 在CSTR基础上修正假定被考察的反应器有m 个CSTR串联由R.T.D曲线→计算方差

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→模型参数m＝1/ m=1：CSTR m→∞：PFR
(3)全混流反应器——返混为无穷大的连续流动反应器。
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注意： PFR与Batch均无返混 C=f(t)――Batch PFR的τ相当于Batch的t C=f(l)――PFR CSTR有强烈返混，推动力↓。 偏离理想状态 径向流速不均匀 PFR 沟流 涡流
搅拌不均匀 死角 短路
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CSTR
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偏离理想状态
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停留时间分布
如何观测与度量返混 如何描述非理想流动
返混
改变了R 、T 、D 分布
改变了浓度分布
1. 停留时间分布测试
易控制，易测 实验－安示踪物 与原物料性质相近 不改变流动特征
t
F (t ) 0 f (t )dt
t 0, F (t ) 0 t , F (t ) 1
0
dF (t ) f (t ) dt
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脉冲实验，测的是
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f (t ) 阶跃实验，测的是 F (t )
(3) PFR与CSTR的 f (t )、 F (t )
C
(C0 C ) / C0 exp( t / t )
C / C0 1 exp( t / t )
F (t ) 1 exp( t / t )
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(4) 停留时间分布测定的作用
① 计算物料的R.T.D. ② 定性分析流型 ③ 定量判别流型(得到非理想反应器的模型参数)
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非理想流动模型
x 1 (C A / C A 0 )
对理想流动模型修正
1 0 (C A / C A 0 ) f (t )dt 0 xf (t )dt


(1) 层流模型 在PFR基础上修正 假定反应器同平面流速分布为 u 2 1t f (t ) 3 2 t 则
例：在上述反应器中进行等温一级不可逆反应，
rA kC A 0.307 C A (mol / l min)
求反应器出口转化率。 (1) 若反应器近似为PFR，
x 1 e
kt
0.989
(2) 若反应器近似为CSTR，x=1-1/(1+kt)=0.822 (3) 用多个CSTR串联模型，m=4.74
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⑤ 对比时间 PFR: CSTR:
PFR: PFR:
, t / t 2 2 t t , 1, t 0, 0
2 t 2 2
t t , 1, t , 1
CSTR: f ( ) exp( ) CSTR: F ( ) 1 exp( )
PFR：
f (t )
：
t t ， f (t ) 0 t t ， f (t ) 1 t t ， f (t ) 0
t t ，F (t ) 0 t t ，F (t ) 1
F (t )
：
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1 CSTR: f (t ) F (t ) exp t / t t
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(1)实验测定方法与响应特征
用脉冲或阶跃法注入示踪剂，跟踪实验
看信号的响应来观察停留时间分布。
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脉冲法
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脉冲法
某一时刻，进口示踪物加入量－出口示踪物流出量＝器内示踪 物积累量 V0C0 dt V0Cdt VR dC dC V (C0 C ) 1 (C0 C ) dt VR t
t0
时，C＝0
dC t dt 0 0 C0 C t
C
1 t ln( C0 C )0 [t ]0 t