3非理想流動反應器3.1概述理想反應器

◆長直流管式反應器→PFR，無返混

◆連續(xù)攪拌反應器→CSTR，完全返混實際反應器

◆流體元—流體流動時獨立存在的最小單元

◆流體流動：流速分布；擴散；對流等

◆設備設計：短路；死區(qū)；（溝流）

◆停留時間分布：↗r↗—↗

◆部分返混1chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!（一）基本概念年齡：物料（質點）從進入反應器開始，目前已經在反應器內逗留的時間（仍舊未離開反應器）停留時間：物料（質點）從進入反應器開始，到離開反應器為止，在反應器中總共逗留的時間。這個時間也就是質點的壽命混合、返混（Backmixing）及其區(qū)別停留時間分布研究的主要應用

◆診斷型；◆設計型2chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!（二）返混對反應過程的影響停留時間分別為t1和t2物料混合的反應速率不等于兩者反應速率的平均值，即：3chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!定量描述引例：

假設有一個如圖所示的連續(xù)流動反應器，考察一個小的流體團A，流入反應器后如何流出4chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!◆如果將所有Δt時間中流出的nA全部疊加，得到的就是nA0，因此有：◆而將截止到t時刻之前所流出的A的分率表示為F(t)，稱停留時間分布函數(shù)。◆反過來說：5chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!（2）停留時間分布密度函數(shù)（概率密度函數(shù)）物理意義：在定態(tài)和不發(fā)生化學反應時，流過反應器的物料中，停留時間介于t和t+dt之間的物料占總流出物的分率6chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!3.2.2以對比時間作自變量的停留時間分布◆以對比時間為自變量表示的停留時間分布規(guī)律◆對比時間的定義：7chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!3.2.3停留時間（RTD）的實驗測定輸入示蹤物為激勵輸出示蹤物為響應回憶：雷諾數(shù)與流體流動類型的相互關系（紅墨水實驗）停留時間實驗測定目的：判定反應器內流體的流動狀態(tài)方法：示蹤應答技術（激勵－響應）對示蹤物的要求：◆與被測流體互溶，且無化學反應；◆示蹤劑不易發(fā)生相轉移；◆加入示蹤劑不影響流型；◆易于檢測；◆無害且價廉。8chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!（1）階躍示蹤法瞬間突然改變示蹤劑的濃度并保持下去。9chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!如果階躍輸入前物料中不含示蹤物時，則10chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!11chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!12chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!示蹤物衡算：在t0時間間隔內向流量為V的流體中加入總量為m的示蹤物，則13chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!解：本實驗采用脈沖示蹤法，測定的時間間隔相同(△t=120s)，計算式為：14chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!15chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!CSTR激勵與響應過程的物理描述：16chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!CSTR—以階躍示蹤法為例17chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!18chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!3.3.1凝集流模型基礎物理模型：間歇反應器基本假定：

流體以流體團的方式流過反應器，且彼此之間不發(fā)生混合；每個流體團相當于一個小反應器；由于返混的作用，每個流體團在反應器內的停留時間不同，達到的轉化率因而不同，在反應器出口處的宏觀轉化率，就是各不同停留時間的流體團達到的轉化率的平均值。19chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!凝集流模型的數(shù)學描述20chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!21chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!多級串聯(lián)混合槽模型計算：V0,c0,V1,c1,V2,c2,Vn,cnVi,ci,22chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!4

對級CSTR5

對第二級CSTR23chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!各級CSTR停留時間分布規(guī)律的計算24chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!1

N=1，全混流2

N=，平推流3

N等于某一值，意味著該反應器的返混程度相當于N個理想混合反應器的串聯(lián)-等效關聯(lián)。4

N只是一個虛擬值，因此，N可以是整數(shù)也可以是小數(shù)。5

停留時間分布密度函數(shù)的散度為槽數(shù)的倒數(shù)。25chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!3.3.3軸向擴散模型基礎物理模型：PFR基本假定：主體流動為平推流，但疊加一渦流擴散；渦流擴散遵循費克擴散定律且在整個反應器內擴散系數(shù)為常數(shù)；定常態(tài)操作。費克擴散定律(Fick’slaw)26chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!整理得：27chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!開式邊條：邊界處與反應器內流動型態(tài)沒有突變閉式邊條：邊界處與反應器內流動型態(tài)存在突變開開，開閉，閉開，閉閉。反應器內有返混，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28chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!29chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!對一級不可逆反應，有解析解30chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!試用軸向擴散模型中的開-開式邊值條件及閉-閉式邊值條件計算例3-3中反應器出口物料的轉化率。解：本題中:例3-631chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!計算出口轉化率32chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!本例題若按平推流反應器計算，其出口轉化率將是：按全混釜式反應器計算其出口轉化率，將是：33chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!3.4均相反應過程的模型法計算小結

實驗室試驗小型試驗中間試驗化學模型物理模型工廠設計化學反應器模型的建立程序34chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!3.4.4反應器設計計算綜合反應規(guī)律和傳遞規(guī)律定量計算BRorPFR散度值為零2=0不存在返混CSTR散度值為12=1完全返混實際反應器散度值0<2<1非理想反應器模型：凝聚流、多級混合槽和軸向返混3.4.5熱模試驗驗證模型的等效性模型法屬于近似解，需試驗驗證。以實際工況校驗/驗證模型結果（步驟4結果）35chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!3.2

流體在反應器內的停留時間分布（三）按返混程度對反應器分類◆完全不返混反應器（PFR）◆完全返混反應器（CSTR）◆部分返混反應器定量描述—引入概率論的方法物料在反應器中的逗留時間（年齡）分布是一個隨機過程，可用相應概率分布規(guī)律函數(shù)定量描述36chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!37chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!3.2.1停留時間分布的定量描述（1）停留時間分布函數(shù)（概率函數(shù)）

物理意義：在定態(tài)和不發(fā)生化學反應時，流過反應器的物料中，停留時間小于t的物料占總流出物的分率38chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!（3）平均停留時間（數(shù)學期望）（4）離散度（方差）物理意義：表示隨機變量與其平均值之間的偏離程度39chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!兩種停留時間分布規(guī)律之間的相互關系40chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!示蹤物加入方法階躍注入法脈沖注入法周期注入法41chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!應答（響應）：t時刻流出的物料中的示蹤劑為兩部分組成，一部分是t=0時刻之前進入的，另一部分是t=0時刻之后進入的42chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!例題3-1測定某一反應器停留時間分布規(guī)律，采用階躍示蹤法，輸入的示蹤劑濃度c0=7.7kg·m-3，在出口處測定響應曲線如表所示。求在此條件下F(t)，E(t)及與值。43chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!44chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!（2）脈沖示蹤法45chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!例題3-2在穩(wěn)定操作的連續(xù)攪拌式形反應器的進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變化關系如表所示。請確定系統(tǒng)的F(t)，E(t)曲線及，值。46chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!計算結果：47chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁!3.2.4理想反應器的停留時間分布規(guī)律PFR激勵與響應過程的物理描述：48chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁!激勵過程的數(shù)學描述：49chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁!PFR和CSTR停留時間分布規(guī)律的對比50chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁!3.3非理想流動模型用來描述介于兩種理想狀況之間的流型，并通過對流型的描述，預計在非理想流動狀態(tài)下的反應結果。將流型與化學反應聯(lián)系起來，預計反應體積、處理量、轉化率等之間的關系。介紹三種模型：凝集流模型、多級串聯(lián)槽模型和軸向擴散模型。51chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁!3.3.1凝集流模型實際反應器與B.R.的關聯(lián)：每個流體團都作為一個間歇反應器，它的反應時間由停留時間分布決定。而流體團在停留時間內達到的轉化率由反應動力學決定。最后，將二者結合起來，在出口處加權平均，得到最終轉化率模型實質：相當于若干間歇反應器的并聯(lián)，將非理想流動對反應的影響明顯化了。52chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁!53chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁!3.3.2多級串聯(lián)混合槽模型基礎物理模型：CSTR基本假定：

反應器是由若干大小相等的全混流反應器串聯(lián)而成；各全混流反應器之間不存在返混，輸送管道內不發(fā)生化學反應；定常態(tài)操作。模型實質：以停留時間分布為紐帶，通過若干個串聯(lián)CSTR反應器的行為分析逼近非理想反應器。54chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁!各級CSTR反應器停留時間分布規(guī)律的計算1

基礎衡算方程：2

以階躍輸入法測定停留時間分布，則在時間t時對第i個反應器的示蹤物進行物料衡算可得：3設每個CSTR的容積均為VRi，則N個CSTR的總容積為NVRi55chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第55頁!6

對第三級CSTRN

以此類推，對N級CSTR出口流體中的示蹤物濃度為：56chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第56頁!57chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第57頁!多級混合槽模型的應用58chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第58頁!在有化學反應時對反應物做物料衡算：dlPFR+軸向擴散59chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第59頁!60chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第60頁!開開式邊界條件下的解閉閉式邊界條件下的解61chap3非理想流動反應器共68頁，您現(xiàn)在瀏