化学反应工程学 第四章 反应器中的混合及对反应的影响

化学反应工程学 第四章 反应器中的混合及对反应的影响，理想的平推流和间歇釜停留时间均一，无返混，全混釜反应器的返混最大，出口物料停留时间分布与釜内物料的停留时间分布相同。

第四章 反应器中的混合及对反应的影响

• 引 言
  • 理想反应器的流动模式 ---- 平推流和全混流
    • 理想的平推流和间歇釜停留时间均一，无返混
    • 全混釜反应器的返混最大，出口物料停留时间分布与釜内物料的停留时间分布相同
  • 实际反应器流动形式的复杂性
    • 
  • 影响反应结果的三大要素：停留时间分布（RTD）、凝集态、早混或迟混
• 第一节 连续反应器中物料混合状态分析
  • 一、混合现象的分类
    • 1.按混合对象的年龄分
      • 同龄混合：相同年龄物料之间的混合（BSTR，PFR）
      • 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！
    • 2.按混合尺度的大小来分
      • 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（微团是指固体颗粒、液滴或气泡等尺度的物料聚集体） 物料粒子内的均匀程度——分子扩散
    • 3.实际工业反应器内物料粒子的混合特点
      • 既存在混合也存在返混； 无轨迹可循； 停留时间各不相同； 只具统计规律 ——可通过实验测定，得到统计结果。
  • 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
    • 2.以反应物料为对象的考察方法
• 第二节 停留时间分布
  • 一、停留时间分布的定义
    • 定义
      • 停留时间：反应物料从反应器入口到出口所经历的时间
      • 寿命分布: 对离开系统的流体微元而言，指的是流体微元从进入系统起到离开系统止，流体微元在系统内经历的时间
      • 年龄分布: 对存留在系统中的流体微元而言，从进入系统算起至考察时刻止，流体微元在系统内停留的时间，流体微元可继续存留在系统内。
      • 区别：寿命分布是指系统出口处的流体微元的停留时间；而年龄分布则是对系统内的流体微元而言的停留时间。
      • 停留时间分布密度（函数）E（t）:同时进入反应器的N个流体质点中，停图时间介于t与t+dt间的质点所占分数dN/N为E(t)dt
      • 停留时间分布（函数）F(t):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
      • 关系：E(t)曲线在任一t时的值就是F(t)曲线上对应点的斜率
  • 二、伴留时间分布的实验测定
    • 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。
    • 2.脉冲法
    • 1.阶跃法
    • 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——统计平均值
      • 停留时间分布的数学期望t*就是物料在反应器中的平均停留时间tm。
    • 2.方差—离散度
      • 用来度量随机变量与其均值的偏离程度，是E(t)曲线对平均停留时间的二阶矩
      • 方差是停留时间分布离散程度的量度，方差愈小，愈接近平推流，对平推流反应器，系统中所有质点的停留时间相等且等于VR/V,t=t*,故方差=0.
    • 3.对比时间
      • 为了消除由于时间单位不同而使平均时间和方差之值发生变化所带来的不便
      • 对平椎流
      • 对全混流
      • 对于一般实际流型
      • 用于判断返混程度
  • 四、理想流型反应器的停留时间分布
    • 1.平推流
    • 2.全混流
    • CSTR和PFR采用两种不同的申联方式，其停留时间分布曲线是相同的，但得到的转化率却不同，对于特定的反应器，停留时间分布是唯一的，但与特定的停留时间分布相对应的反应器系统并不是唯一的。
  • 五、停留时间分布曲线的应用
    • 定性分析流动状况
      • 平推流 全混流
    • 定量分析流动状况
      • 实际反应器中可能存在短路与死角，使实际的平均停留时间不等于VR/V，因此可以得用停留时间分布来定量估算死角与短路的程度
    • 测定停留时间分布曲线---对反应器内的流动状况作出定性判断；求取数学期望和方差---作为返混的度量，进而求取模型参数
• 第三节 非理想流动模型
  • 一、数学模型方法
    • 常用的模型主要有：轴向混合(扩散)模型、多级串联模型、组合模型
  • 二、轴向混合模型
    • 基本要点：对实际反应器，处理时在平推流的基础上迭加一个轴向混合来进行校正。 适合于不存在死角、短路和循环流、返混程度较小的非理想流动模型（如管式、塔式反应器等）。 模型参数是轴向混合弥散系数EZ，停留时间分布可表示为EZ的函数。
    • Pe=uL/Ez ——称为 Peclet(皮克莱)准数，亦称为轴向混合模型参数，其物理意义为： 轴向对流流动与轴向弥散流动的相对大小，它的倒数Ez/uL是表征返混大小的量纲为1的数。
    • 讨论：
      • ① 根据 Pe 值判断流动类型:平推流：EZ＝0，Pe→∞ 全混流：EZ→∞，Pe＝0
      • 当Pe>100时，θ=1
  • 三、多级申联全混流模型
    • 基本要点：用几个等体积的全混流反应器串联来模拟实际反应器中的流动状况。 假设实际反应器中的返混程度与m个等体积的全混流反应器串联时相同，m是虚拟釜数，不一定是整数。 每一级的停留时间ti=tm/m。 模型参数为串联级数m。
    • 方差：
      • 多级串联全混流模型在m=1时，与全混流相同；而m=∞时，与平推流相同。
    • 测定停留时间分布，可求得方差，进而由式(4-61)求得m,即可按多级串联的全混 流反应器的规律计算实际反应器的转化率。
• 第四节 非理想流动反应器的计算
  • 一、轴向混合反应器的转化
  • 二、多级串联全混流反应器的转化率