第三章-化学反应器中的混合现象

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C A0 - rA
CSTR
VR
V0
PFR
VR
xA0
xAf 1 xA
V0
图 CSTR 、PFR所需的停留时间比较
为达到相同的转化率, CSTR所需的停留时间 (或反应器容积) 比PFR大得多。
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3、反应器容积
100
VC/VP 反应器容积之比
VC/VP
n=3
☞n↓, VC/VP ↓, 这两种反应 器容积差别越小
☞对于高反应级数、或在高
10
n=1 n=2
转化率条件下, CSTR所需 的容积PFR大得多
☞例如, 对二级反应, 当转
n=0.5
化率x 为99%时, 全混流反
n=0.25
应器所需的容积是活塞流 反应器的100 倍。
反应物系的聚集状态有两种极限：
●微观流体：一种是不同物料微团间能进行充分的物质交换,
从而在反应器微元尺度上能达到分子尺度的均匀, 这类物系称 为微观流体, 如反应物系为气相或不很粘稠的互溶液相。
●宏观流体：是不同物料微团间完全不能进行物质交换, 因而
在反应器微元尺度上也会存在相当大的不均匀性, 这类物系称 为宏观流体, 如气固相反应过程中的固相反应物。
• 3、理解不同物系聚集状态对化学反应的影响； • 4、结合案例理解化学反应的与混合问题，分析反
混和微观混合对聚合物分子量的影响。
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• 混合是化学反应器中普遍存在的一种传递过 程，混合的作用是使反应器中物料的组成和 温度趋于均匀，不同的混合机理和混合程度 对反应结果（转化率和选择性）往往具有重 要的影响。
3.1 宏观混合与微观混合
☆宏观混合：设备尺度上的混合 设备空间内的分散程度
☆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
• 对连续流动反应器, 研究反应器中的混合现象通常 会涉及三方面的问题:
• (1 ) 可用停留时间分布表征的反应器的宏观混合; • (2 ) 反应物系的聚集状态, 即微观均一性; • (3 ) 混合发生时间的迟早。
先混合与后混合两种连接方 式的停留时间分布一样。 前提：一级反应
不同串联方式全混流和活塞流反应器的停留时间分布密度函数
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活塞流反应器在前的连接方式将 达到较高的转化率
混合迟早对二级反应中反应物残余浓度的影响
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宏观混合
宏观混合即返混
活塞流反应器宏观混合为零 全混流反应器宏观混合为无穷大
反应器的宏观混合程度可用物料的停留时间分布来表征, 停 留时间分布可利用信号响应法实验测定。
阶跃法——直接测定分布函数
F ( t ) n0~t C( t )
N
C0
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反应速率与微观流体、宏观流体
• 当反应速率较低, 与物料停留时间和物料微团寿命 相比, 特征反应时间较长时, 物系的行为将比较接 近微观流体。
• 当反应速率较高, 与物料停留时间和物料微团寿命 相比, 特征反应时间较短时, 物系的行为将比较接 近宏观流体。
脉冲法——直接测定分布密度 E( t ) n0~t 1 VC( t ) N t M
需要指出的是, 虽然具有确定混合机理的反应器将具有确定的停 留时间分布, 但具有确定的停留时间分布的反应器, 其混合机理 却可能不同。
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聚集状态
反应物系的聚集状态指进入反应器的不同物料微团间进行的物 质交换所能达到的程度以及在反应器微元尺度上所能达到的物 料组成的均匀程度。
• 反应器中发生的混合现象是十分复杂的。对 反应器中的混合现象进行如实的描述和分析 非常困难。对实际过程进行简化，借助各种 理想化的模型去分析混合对反应过程的影响 依然是必要的。
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3.1 宏观混合与微观混合
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第三章
化学反应器中的混合现象
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学习目标
• 1、区分宏观混合与微观混合分别代表的两种流体 状态；
• 2、全面认识反混引起的浓度效应与温度效应对反 应的影响，学分针对不同反应特点通过不同类型 的反应器组合优化反应过程，掌握常见反应器的 组合与操作方式；
0
t
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2、停留时间
C A0
CSTR
- rA
C A0
PFR
- rA
VR
V0
VR
V0
xA0
xAf
1
xA
xA0
xAf 1 xA
图 反应物初浓度和反应速率之比cA0/( - rA ) 对转化率xA
阴影面积为达到规定出口转化率xAf 所需的停留时间
1
0.01
0. 1
3.2 返混及其对反应的影响
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• 返混指不同时间进入反应器的物料之间 发生的混合, 是连续流动反应器才具有 的一种传递现象， 可通过PFR和CSTR 这两种理想流动反应器的性能比较来考 察返混的利弊。
Plug Flow Reactor PFR
Continuous Stirred Tank Reactor CSTR
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3.2.1 理想流动反应器的比较
1、反应物浓度
• PFR：由进口到出口反 应物浓度逐渐降低。
CA
PFR
• CSTR：反应物的 浓度处处相等
CA
CSTR
CA, out
0
t
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混合发生时间的迟早
一层含义是后进入反应器的物料和先 进入反应器的物料混合发生时间的迟 早, 这属于宏观混合的范畴。
另一层含义是同时进入反应器的两种 反应物之间混合发生时间的迟早, 即 所谓预混合问题。
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