第四章 反应器中的混合及对反应的影响-复习 (1).ppt
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1、第三章课程总结,两种理想流动模型、两种理想流动反应器的五个方面,1、平推流模型,2、全混流模型,PFR,CSTR,基本特征,数学模型,组合方式比较,多重反应分析,CSTR热稳定性分析,问 题,实际工业反应器与理想反应器存在差异,物料的流动状况偏离理想流动模型,1、实际反应器中物料的流动状况问题,2、实际反应器数学模型方程的建立问题,非理想流动模型,3、实际工业反应器的分析与设计计算问题,理想反应器的流动模式 - 平推流 和 全混流,平推流,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,存在速度
2、分布 存在死区和短路现象 存在沟流和回流,偏离理想流动模式,反应结果与理想反应器的计算值具有较大的差异。,影响反应结果的三大要素:,停留时间分布(residence time distribution, RTD) 凝集态(state of aggregation) 早混或迟混(earliness and lateness of mixing),RTD对反应的影响,实际停留时间ti不尽相同,转化率x1, x2, , x5亦不相同。出口转化率应为各个质点转化率的平均值,即,聚集态的影响,理想反应器假定混合为分子尺度,实际工程难以达到,如,两种体系的反应程度显然应该是不同的。,工程中,尽量改善体系的
3、分散尺度,以达到最有效的混合,从而改善反应效果。,混合迟早度的影响,即使两反应体系的空时相同,由于反应混合的迟早不同,反应结果也不相同。,第四章 反应器中的混合对反应的影响,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 混合程度及对反应结果的影响 第五节 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、
4、混合现象的类型,第一节 连续反应器中物料混合状态分析,1、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),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。,第一节 连续反应器中物料混合状态分析,二、连续反应过程的考察方法,第一节 连续反应器中物料混合状态分析,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
5、个分子为对象的考察方法,只存在两种状态 反应物或产物,(反应物),(产物),不存在选择率问题,第一节 连续反应器中物料混合状态分析,3、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:,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。,年 龄,物料质点在反应器内所经历的停留时间。,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。,停留时间
6、分布函数:,某停留时间前的粒子数 ni 在总粒子数N中的分率,用“F(t)”表示,即,(停留时间分布),2、停留时间分布函数,(无因次),停留时间分布密度函数,某时间段 内,F(t)的平均值,用“E (t )”表示,即,(时间),(停留时间分布密度),CSTR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=0,t=t+t,例如:,试验数据记录表:,根据区段内粒子数计算停留时间分布密度,定义式:,计算,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,各长方形的
7、 面积之和为,计算停留时间分布函数值,定义式:,计算,先将区段内的实验数据整理成累积值,注意:F(t)值与停 留时间单位无关。,渐近线,S形曲线,1、停留时间分布密度函数,停留时间分布函数的数学描述,(1)微分表达式,(2)归一性:,根据停留时间分布密度函数的定义:,对方程两边同时求和,证明:,对两边同取极限值,某时刻 t 流入反应器内的所有物料在无限长时间后会100%的流出反应器。,证毕。,2、停留时间分布函数,(1)0t 范围定义式:,(2)区段t t+t范围定义式:,(3)F( t )和E( t )的关系式:,几何分关系,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
8、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,VR,V,C=C0,C=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
9、,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。,课前复习,第四章 反应器中的混合对反应的影响,第一节 连续反应器中物料混合状态分析,返混不同停留时间的物料微团间的混合。,第二节 停留时间分布,一、停
10、留时间分布的定义,分布函数,分布密度,两者关系,密度函数的归一性:,分布函数两种区别:,注意,二、 停留时间分布的实验测定,阶跃法,脉冲法,课前复习,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:,假设:其中停留时间小于 t 的物料粒子有:,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:,停留时间小于 t 的物料粒子占总 粒子数中的分率,阶跃法测定原理,(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,,意义和特点:,76,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,
11、时间(s),出口示 踪剂浓 度(g/L),0,15,25,35,45,55,65,75,85,95,0 0.5 1.0 2.0 4.0 5.5 6.5 7.0 7.7 7.7,求在此条件下 F( t ) 和 E( t ) 的值。,例如,根据,解:,(4-6),(4-5),?,2. 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,V,V,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
12、,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),则:在示踪剂注入后 时间间隔内,流出的 示踪剂量为:VC(t)dt,,流出的示踪剂量占总示踪剂量的分率:,若在注入示踪剂的同时,流入反应器的物料量 为N,在注入示踪剂后的 时间间隔内,流出 物料量为dN,则在此时间间隔内,流出的物料 占进料的分率为:,对物料进行衡算,两者的停留时间分布相等,只要测得V, M和C(t), 即可得物料 质点的分布 密度。,由于M=VC0 t0, C0 及t0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。,【例4-1】在稳定
13、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),0,120,240,360,480,600,720,840,860,1080,0,6.5,12.5,12.5,10,5.0,2.5,1.0,0.0,0.0,请确定系统的F(t) 和 E(t) 。,(1)根据,因为实验数据是离散型的,所以用求和方式计算M,(有效时间间隔),由实验数据求得:,根据F(t) 和 E(t) 关系求F(t) :,其中:,由脉冲法实验 数据,计算停 留时间分布函 数值。,t(s),0,120,240,360,480,600,720,840,
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- 第四章 反应器中的混合及对反应的影响-复习 1 第四 反应器 中的 混合 反应 影响 复习
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