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1、反应工程课件第四章 本章要解决的问题本章要解决的问题(1)(1)阐明流动系统的停留时间分布的定量描述阐明流动系统的停留时间分布的定量描述及其实验测定方法；及其实验测定方法；(2)(2)建立非理想流动模型；建立非理想流动模型；(3)(3)在所建立模型的基础上，说明该类反应器在所建立模型的基础上，说明该类反应器的性能和设计计算；的性能和设计计算；(4)(4)介绍有关流动反应器内流体混合问题，阐介绍有关流动反应器内流体混合问题，阐明几个基本概念。明几个基本概念。若若a a1 1aa2 2,返混使反应物浓度降低，主反应选择率下降。返混使反应物浓度降低，主反应选择率下降。若若a a1 1=a=a2 2,
2、返混对选择率无影响返混对选择率无影响若若a a1 1aa2 2,返混使反应物浓度降低，主反应选择率上升。返混使反应物浓度降低，主反应选择率上升。d d、对连串反应：、对连串反应：问题：充分搅拌的间歇反应器是什么混合？为什么？问题：充分搅拌的间歇反应器是什么混合？为什么？2 2）按混合发生的尺度大小分类）按混合发生的尺度大小分类）按混合发生的尺度大小分类）按混合发生的尺度大小分类宏观混合：设备尺度上的混合宏观混合：设备尺度上的混合宏观混合：设备尺度上的混合宏观混合：设备尺度上的混合微观混合：物料微团尺度上的混合微观混合：物料微团尺度上的混合微观混合：物料微团尺度上的混合微观混合：物料微团尺度上的
3、混合（1 1）微团之间达到完全混合，呈分子均匀程度；）微团之间达到完全混合，呈分子均匀程度；（2 2）微团之间完全不相混合，例如固相加工反应；）微团之间完全不相混合，例如固相加工反应；（3 3）微团之间介于均匀混合和不相混合之间，例如液液相）微团之间介于均匀混合和不相混合之间，例如液液相反应。反应。宏观混合和微观混合的取样尺度是不同的，不能相提并宏观混合和微观混合的取样尺度是不同的，不能相提并论。论。对于平推流反应器和全混流反应器，如果微团间的混合达到对于平推流反应器和全混流反应器，如果微团间的混合达到完全混合，即呈分子均匀状态，则可以按第三章中有关公式完全混合，即呈分子均匀状态，则可以按第三
4、章中有关公式计算。计算。微观混合是指微团尺度上的混合，取样尺度是微团。微微观混合是指微团尺度上的混合，取样尺度是微团。微团是指固体颗粒，液滴、气泡或分子团等尺度的物料聚集体。团是指固体颗粒，液滴、气泡或分子团等尺度的物料聚集体。每个微团是均匀的，微团之间的混合状态可以分为三种。每个微团是均匀的，微团之间的混合状态可以分为三种。4.1.2 4.1.2 4.1.2 4.1.2 连续反应过程的考察方法连续反应过程的考察方法连续反应过程的考察方法连续反应过程的考察方法1 1 1 1）以反应器为对象的考察方法）以反应器为对象的考察方法）以反应器为对象的考察方法）以反应器为对象的考察方法 在釜式反应器中进
5、行的均相反应过程，因有强烈的搅作在釜式反应器中进行的均相反应过程，因有强烈的搅作在釜式反应器中进行的均相反应过程，因有强烈的搅作在釜式反应器中进行的均相反应过程，因有强烈的搅作用使反应器内物料的温度和浓度各处均匀，整个反应器作为用使反应器内物料的温度和浓度各处均匀，整个反应器作为用使反应器内物料的温度和浓度各处均匀，整个反应器作为用使反应器内物料的温度和浓度各处均匀，整个反应器作为考察对象，进行物料衡算，热量衡算。考察对象，进行物料衡算，热量衡算。考察对象，进行物料衡算，热量衡算。考察对象，进行物料衡算，热量衡算。当物料微观混合为完全混合时，物料呈分子状均匀分散当物料微观混合为完全混合时，物料
6、呈分子状均匀分散当物料微观混合为完全混合时，物料呈分子状均匀分散当物料微观混合为完全混合时，物料呈分子状均匀分散物料不存在微团。对搅拌反应器，物料以反应器为边界，对物料不存在微团。对搅拌反应器，物料以反应器为边界，对物料不存在微团。对搅拌反应器，物料以反应器为边界，对物料不存在微团。对搅拌反应器，物料以反应器为边界，对于管式反应器，物料以于管式反应器，物料以于管式反应器，物料以于管式反应器，物料以dVdVdVdVR R R R为边界，所研究的基准分别为反为边界，所研究的基准分别为反为边界，所研究的基准分别为反为边界，所研究的基准分别为反应器容积应器容积应器容积应器容积V V V VR R R
7、R和反应器微元容积和反应器微元容积和反应器微元容积和反应器微元容积dVdVdVdVR R R R。目前可以进行定量研究。目前可以进行定量研究。目前可以进行定量研究。目前可以进行定量研究。在连续搅拌反应釜或管式反应器中进行反应，如果反应在连续搅拌反应釜或管式反应器中进行反应，如果反应物料的微观混合程度不同，则考察方法即研究方法就不同。物料的微观混合程度不同，则考察方法即研究方法就不同。微观混合有两种极限状态，完全混合和完全不混合，它们的微观混合有两种极限状态，完全混合和完全不混合，它们的研究方法完全不同。研究方法完全不同。2 2 2 2）以物料为对象的考察方法）以物料为对象的考察方法）以物料为对
8、象的考察方法）以物料为对象的考察方法 在连续反应器中进行固相加工反应过程时，物料各在连续反应器中进行固相加工反应过程时，物料各在连续反应器中进行固相加工反应过程时，物料各在连续反应器中进行固相加工反应过程时，物料各微团的温度和浓度不相同，就应采用以反应物料为对象微团的温度和浓度不相同，就应采用以反应物料为对象微团的温度和浓度不相同，就应采用以反应物料为对象微团的温度和浓度不相同，就应采用以反应物料为对象的考察方法，跟踪物料的方法变的可能而且更为合理，的考察方法，跟踪物料的方法变的可能而且更为合理，的考察方法，跟踪物料的方法变的可能而且更为合理，的考察方法，跟踪物料的方法变的可能而且更为合理，此
9、时唯一需要知道的是物料在反应器中的停留时间分布此时唯一需要知道的是物料在反应器中的停留时间分布此时唯一需要知道的是物料在反应器中的停留时间分布此时唯一需要知道的是物料在反应器中的停留时间分布情况以及动力学性质。情况以及动力学性质。情况以及动力学性质。情况以及动力学性质。当物料微观混合为完全不混合时，物料呈微团独立当物料微观混合为完全不混合时，物料呈微团独立当物料微观混合为完全不混合时，物料呈微团独立当物料微观混合为完全不混合时，物料呈微团独立运动，物料的边界为微团的边界，所以以微团为研究基运动，物料的边界为微团的边界，所以以微团为研究基运动，物料的边界为微团的边界，所以以微团为研究基运动，物料
10、的边界为微团的边界，所以以微团为研究基准。结合物料的停留时间分布函数和动力学方程可以有准。结合物料的停留时间分布函数和动力学方程可以有准。结合物料的停留时间分布函数和动力学方程可以有准。结合物料的停留时间分布函数和动力学方程可以有定量结果。定量结果。定量结果。定量结果。如果微观混合介于中间状态，则几个微团可以组成如果微观混合介于中间状态，则几个微团可以组成如果微观混合介于中间状态，则几个微团可以组成如果微观混合介于中间状态，则几个微团可以组成微元。此时，研究基准为微元，目前只有定性的认识，微元。此时，研究基准为微元，目前只有定性的认识，微元。此时，研究基准为微元，目前只有定性的认识，微元。此时
11、，研究基准为微元，目前只有定性的认识，没有定量结果。没有定量结果。没有定量结果。没有定量结果。综上所述，考察对象都是物料，不同的是按照微观混合综上所述，考察对象都是物料，不同的是按照微观混合的程度划分考察的基准（范围）：的程度划分考察的基准（范围）：完全混合完全混合反应容积反应容积V VR R或或dVdVR R中间状态中间状态微元（由微团组成）微元（由微团组成）完全不混合完全不混合微团微团4.2 4.2 4.2 4.2 停留时间分布停留时间分布停留时间分布停留时间分布实际反实际反应器应器停留时停留时间分布间分布按已知模按已知模型设计型设计（1 1 1 1）反应物料在反应器内）反应物料在反应器内
12、）反应物料在反应器内）反应物料在反应器内停留时间越长、反应时间越长、转化停留时间越长、反应时间越长、转化停留时间越长、反应时间越长、转化停留时间越长、反应时间越长、转化率越高，反应的进行得越完全率越高，反应的进行得越完全率越高，反应的进行得越完全率越高，反应的进行得越完全。实际反应器设计存在的问题：实际反应器设计存在的问题：影响因素太多、无法准确计算影响因素太多、无法准确计算解决方法：解决方法：分析：分析：要讨论的问题：要讨论的问题：要讨论的问题：要讨论的问题：（1 1 1 1）流动系统停留时间分布的定量描述）流动系统停留时间分布的定量描述）流动系统停留时间分布的定量描述）流动系统停留时间分布
13、的定量描述 （2 2 2 2）停留时间分布的实验测定方法）停留时间分布的实验测定方法）停留时间分布的实验测定方法）停留时间分布的实验测定方法（2 2 2 2）间歇系统，在任何时刻下反应器内所有物料在其中的停留）间歇系统，在任何时刻下反应器内所有物料在其中的停留）间歇系统，在任何时刻下反应器内所有物料在其中的停留）间歇系统，在任何时刻下反应器内所有物料在其中的停留时间都是一样，时间都是一样，时间都是一样，时间都是一样，不存在停留时间分布问题不存在停留时间分布问题不存在停留时间分布问题不存在停留时间分布问题。（3 3 3 3）对于流动系统，由于流体是连续的，而流体分子的运动又）对于流动系统，由于流
14、体是连续的，而流体分子的运动又）对于流动系统，由于流体是连续的，而流体分子的运动又）对于流动系统，由于流体是连续的，而流体分子的运动又是无序的，所有分子都遵循同一途径向前移动是不可能的，是无序的，所有分子都遵循同一途径向前移动是不可能的，是无序的，所有分子都遵循同一途径向前移动是不可能的，是无序的，所有分子都遵循同一途径向前移动是不可能的，完全是一个随机过程完全是一个随机过程完全是一个随机过程完全是一个随机过程,存在停留时间分布问题。存在停留时间分布问题。存在停留时间分布问题。存在停留时间分布问题。在实际反应器中：在实际反应器中：A A、同时进入反应器的物料由于同时进入反应器的物料由于 “工程
15、因素工程因素”不可能同时离开反不可能同时离开反应器。应器。B B、同一时刻离开反应器的物料、同一时刻离开反应器的物料中，在反应器内经历的中，在反应器内经历的停留时间停留时间有长有短，形成一个分布，称为有长有短，形成一个分布，称为停留时间分布。停留时间分布。由于物料在反应器内的停留时间分布完全是由于物料在反应器内的停留时间分布完全是随随机机的，因此可以根据的，因此可以根据概率分布的概念概率分布的概念对物料在反应对物料在反应器内的停留时间分布作器内的停留时间分布作定性定性的描述。的描述。4.2.1 4.2.1 4.2.1 4.2.1 停留时间分布的定义停留时间分布的定义停留时间分布的定义停留时间分
16、布的定义1 1）停留时间分布密度）停留时间分布密度）停留时间分布密度）停留时间分布密度 定义：定义：定义：定义：在稳定连续流动系统中，同时进入反应器的在稳定连续流动系统中，同时进入反应器的在稳定连续流动系统中，同时进入反应器的在稳定连续流动系统中，同时进入反应器的N N N N个流体质个流体质个流体质个流体质点中，其停留时间介于点中，其停留时间介于点中，其停留时间介于点中，其停留时间介于t t t tt+dtt+dtt+dtt+dt质点占总质点的分率质点占总质点的分率质点占总质点的分率质点占总质点的分率记作：记作：记作：记作：被称为被称为被称为被称为停留时间分布密度停留时间分布密度停留时间分布
17、密度停留时间分布密度。依此定义停留时间分布密度具有依此定义停留时间分布密度具有依此定义停留时间分布密度具有依此定义停留时间分布密度具有归一化归一化归一化归一化的性质：的性质：的性质：的性质：2 2）停留时间分布函数）停留时间分布函数）停留时间分布函数）停留时间分布函数 定义：定义：定义：定义：在稳定连续流动系在稳定连续流动系在稳定连续流动系在稳定连续流动系统中，同时进入反应器的统中，同时进入反应器的统中，同时进入反应器的统中，同时进入反应器的N N N N个流体质点中，其停留时个流体质点中，其停留时个流体质点中，其停留时个流体质点中，其停留时间间间间小于小于小于小于t t t t（或停留时间介
18、于（或停留时间介于（或停留时间介于（或停留时间介于0-t0-t0-t0-t之间）之间）之间）之间）的质点占总质点的质点占总质点的质点占总质点的质点占总质点的分率记作：的分率记作：的分率记作：的分率记作：被称为被称为被称为被称为停留时间停留时间停留时间停留时间分布函数分布函数分布函数分布函数。E(t)E(t)E(t)E(t)和和和和F(t)F(t)F(t)F(t)之间有何区别与联系？之间有何区别与联系？之间有何区别与联系？之间有何区别与联系？问题问题 如果停留时间的单位为秒，那么如果停留时间的单位为秒，那么F(180)=0.9F(180)=0.9的物理意义的物理意义是什么？是什么？问题问题E(t
19、)E(t)E(t)E(t)和和和和F(t)F(t)F(t)F(t)之间联系之间联系之间联系之间联系 E(t)F(t)面积面积=？1.0 E(t1)F(t1)斜率斜率=？t1 t t1 t 面积面积=？问题问题停留时间小于停留时间小于t t1 1质点的分率是多少？停留时间大于质点的分率是多少？停留时间大于t t1 1质点的分率是多少？质点的分率是多少？4.2.2 4.2.2 停留时间分布的实验测定停留时间分布的实验测定 存在问题：存在问题：在同一时刻离开反应器的物料中物料质点的在同一时刻离开反应器的物料中物料质点的性质相性质相同同，所以不能够测到物料质点的停留时间分布。，所以不能够测到物料质点的
20、停留时间分布。解决方法：解决方法：要采用要采用应答技术应答技术才能测定物料质点的停留时间分布。才能测定物料质点的停留时间分布。1 1）应答技术）应答技术 用一定的方法在反应器进口处加入用一定的方法在反应器进口处加入示踪剂示踪剂，然后在出口处，然后在出口处检测示踪剂，以获得示踪剂在反应器中停留时间分布规律的实检测示踪剂，以获得示踪剂在反应器中停留时间分布规律的实验数据。验数据。示踪剂的选择：示踪剂的选择：示踪剂的选择：示踪剂的选择：（1 1 1 1）不与主流体发生）不与主流体发生）不与主流体发生）不与主流体发生反应反应反应反应；（2 2 2 2）示踪剂浓度与要检测的物理量的关系应有较宽的）示踪剂
21、浓度与要检测的物理量的关系应有较宽的）示踪剂浓度与要检测的物理量的关系应有较宽的）示踪剂浓度与要检测的物理量的关系应有较宽的线性范围线性范围线性范围线性范围；（3 3 3 3）用于多相系统的示踪剂不发生从一相）用于多相系统的示踪剂不发生从一相）用于多相系统的示踪剂不发生从一相）用于多相系统的示踪剂不发生从一相转移转移转移转移到另一相的情况；到另一相的情况；到另一相的情况；到另一相的情况；（4 4 4 4）示踪剂本身易于和主流体）示踪剂本身易于和主流体）示踪剂本身易于和主流体）示踪剂本身易于和主流体溶为溶为溶为溶为(或混为或混为或混为或混为)一体一体一体一体；（5 5 5 5）示踪剂浓度）示踪剂
22、浓度）示踪剂浓度）示踪剂浓度很低很低很低很低时也能够容易进行检测；时也能够容易进行检测；时也能够容易进行检测；时也能够容易进行检测；（6 6 6 6）示踪剂应具有或易于）示踪剂应具有或易于）示踪剂应具有或易于）示踪剂应具有或易于转变转变转变转变为电信号或光信号的特点。为电信号或光信号的特点。为电信号或光信号的特点。为电信号或光信号的特点。遇到问题：示踪剂如何选择？如何加入？遇到问题：示踪剂如何选择？如何加入？2 2 2 2）脉冲示踪法）脉冲示踪法）脉冲示踪法）脉冲示踪法 （1 1 1 1）实验方法：实验方法：实验方法：实验方法：A A A A、调节主物料以稳定的流率、调节主物料以稳定的流率、调
23、节主物料以稳定的流率、调节主物料以稳定的流率V V V V通过反应体积通过反应体积通过反应体积通过反应体积V V V VR R R RB B B B、在某个瞬时（、在某个瞬时（、在某个瞬时（、在某个瞬时（t=0t=0t=0t=0），用极短的时间，向进料中注入浓度为），用极短的时间，向进料中注入浓度为），用极短的时间，向进料中注入浓度为），用极短的时间，向进料中注入浓度为C C C C0 0 0 0的示踪物。的示踪物。的示踪物。的示踪物。C C C C、注入同时在出口处测定示踪物浓度注入同时在出口处测定示踪物浓度注入同时在出口处测定示踪物浓度注入同时在出口处测定示踪物浓度C C C C随时间随时
24、间随时间随时间t t t t的变化关系。的变化关系。的变化关系。的变化关系。示踪剂的加入方法一示踪剂的加入方法一示踪剂的加入方法一示踪剂的加入方法一 （2 2 2 2）测定结果）测定结果）测定结果）测定结果对实验过程示踪物进行物料衡算对实验过程示踪物进行物料衡算对实验过程示踪物进行物料衡算对实验过程示踪物进行物料衡算 V/MV/M为定值，测得的结果是为定值，测得的结果是E(t)E(t)。因此脉冲法测得的停留。因此脉冲法测得的停留时间分布代表了物料在反应器中的停留时间分布密度。时间分布代表了物料在反应器中的停留时间分布密度。实验实验结果结果3 3 3 3）阶跃示踪法）阶跃示踪法）阶跃示踪法）阶跃
25、示踪法（1 1 1 1）实验方法：实验方法：A A、调节主物料以稳定的流率、调节主物料以稳定的流率V V通过反应体积通过反应体积V VR RB B、在进口处，从某瞬时（、在进口处，从某瞬时（t=0t=0）开始，连续加入示踪物。）开始，连续加入示踪物。C C、注入同时在出口处测定示踪物浓度、注入同时在出口处测定示踪物浓度C C随时间随时间t t的变化关系。的变化关系。示踪剂的加入方法二示踪剂的加入方法二示踪剂的加入方法二示踪剂的加入方法二 （2 2 2 2）测定结果）测定结果）测定结果）测定结果对实验过程示踪物进行物料衡算对实验过程示踪物进行物料衡算对实验过程示踪物进行物料衡算对实验过程示踪物进
26、行物料衡算 阶跃法测得的停留时间分布代表了物料在反应器中的停阶跃法测得的停留时间分布代表了物料在反应器中的停留时间分布函数。留时间分布函数。实验实验结果结果4）实验实验数据数据处处理理（5)5)说明说明A A、t t相等，称为等时间距实验；相等，称为等时间距实验；B B、t t不相等，称为离散型实验；不相等，称为离散型实验；C C、E(t)E(t)是瞬时值，单位是瞬时值，单位S S-1-1。F(t)F(t)无单位，是时间的积累值无单位，是时间的积累值4.2.3 4.2.3 停留时间分布的数字特征停留时间分布的数字特征 数字特征的概念：数字特征的概念：随机变量是按一定的分布规律来取值，随机变量是
27、按一定的分布规律来取值，有时并不需要了解这个规律的全貌，而只需要知道它的某个有时并不需要了解这个规律的全貌，而只需要知道它的某个侧面，这时、往往可以用侧面，这时、往往可以用一个或几个数字来描述这个侧面一个或几个数字来描述这个侧面，这种数字按分布而定，它部分的代表分布的性态，称这种数这种数字按分布而定，它部分的代表分布的性态，称这种数字为随机变量的数字特征。字为随机变量的数字特征。存在的问题：存在的问题：采用应答技术可以获得停留时间分布的实验采用应答技术可以获得停留时间分布的实验曲线。这种曲线由物料的流动状况决定，有很大的随机性，曲线。这种曲线由物料的流动状况决定，有很大的随机性，很难用函数的形
28、式加以比较。很难用函数的形式加以比较。解决方法：解决方法：采用数字特征来表征这些实验曲线，并加以比采用数字特征来表征这些实验曲线，并加以比较。其中，最重要的数字特征为较。其中，最重要的数字特征为“数学期望数学期望”和和“方差方差”。1 1组：组：100 70 60 50 20 100 70 60 50 20 2 2组：组：62 61 60 59 5862 61 60 59 58平均成绩？区别？平均成绩？区别？（）物料平均停留（）物料平均停留时间时间t tm m：是整个物料在：是整个物料在设备设备内的内的平均停留平均停留时间时间。设进设进入反入反应应器的物料流量器的物料流量为为V V，则则在反在
29、反应应器中任器中任取一微元体取一微元体积积dVdVR R,对对于任何流型，均有于任何流型，均有积积分分 该该式是式是t tm m的普遍式。的普遍式。当当为为等容等容过过程，程，V=VV=V0 0,则则上式上式变为变为（1 1）数学期望）数学期望：是物料停留是物料停留时间时间t t的平均的平均值值。1）数学期望）数学期望对对于等容于等容过过程程通通过实验过实验确定确定，就可求出就可求出或或对对于离散型于离散型测测定定值值（3）的关系的关系2 2）方差）方差（1 1）定）定义义：方差也称离散度，是用来度量随机：方差也称离散度，是用来度量随机变变量与其均量与其均值值的偏离程度，是的偏离程度，是E(t
30、)E(t)对对数学期望的二数学期望的二阶阶矩，其定矩，其定义为义为：可可见见方差是物料方差是物料质质点停留点停留时间时间t t和和的偏离程度。的偏离程度。度量随机变量分散程度的方法有两种：度量随机变量分散程度的方法有两种：A A、离差：、离差：随机变量与平均值的差值的平均值。随机变量与平均值的差值的平均值。B B、方差：、方差：随机变量与平均值的差值的平方的平均值。随机变量与平均值的差值的平方的平均值。取平方的目的是避免正负偏差相互抵消，因为不论是正偏差取平方的目的是避免正负偏差相互抵消，因为不论是正偏差还是负偏差同样都认为是分散程度大。还是负偏差同样都认为是分散程度大。1 1组：组：80 7
31、0 60 50 40 80 70 60 50 40 2 2组：组：62 61 60 59 5862 61 60 59 58离差？方差？离差？方差？（1 1）平均）平均对对比停留比停留时间时间（2 2）（3 3）3 3）对对比比时间时间 为为了方便起了方便起见见，常用，常用对对比比时间时间作作为变为变量。量。对对比比时间时间的定的定义为义为（4 4）用）用表示的方差：表示的方差：平推流：平推流：全混流：实际实际流型：流型：思考题思考题4.2.4 4.2.4 理想流型的停留理想流型的停留时间时间分布分布 1)1)平推流平推流 物料物料质质点的停留点的停留时间时间相同，当相同，当为为等容等容过过程程
32、时时 ，物料质物料质点的停留时间点的停留时间等于等于整个物料的平均停留整个物料的平均停留时间时间：t =tt =tm m。问题问题理想流型的停留时间分布如何得出？理想流型的停留时间分布如何得出？解决方法解决方法逻辑推理、计算得出，不用实验逻辑推理、计算得出，不用实验分析分析(1(1）平推流的停留）平推流的停留时间时间分布函数：分布函数：C/C01.00t0ttm1.0C/C0实验方法？实验方法？分分析析结结果果(2）平推流的停留）平推流的停留时间时间分布密度：分布密度：（C）p0t0ttm(C)P实验方法？实验方法？为什么？分分析析结结果果(3(3）平推流的停留）平推流的停留时间时间分布函数和
33、分布密度的特点：分布函数和分布密度的特点：A A、图形特点：、图形特点：注入曲线和应答曲线的注入曲线和应答曲线的形状完全相同形状完全相同，但应，但应答曲线答曲线滞后滞后t tm m时间。时间。C/C01.00t0ttm1.0C/C0（C）p0t0ttm(C)P 2 2）全混流）全混流（1 1）全混流的停留）全混流的停留时间时间分布函数：分布函数：C/C01.00t0ttm1.0C/C0实验方法？实验方法？分分析析曲线方程？（2）全混流的停留）全混流的停留时间时间分布密度：分布密度：（C）p0t0ttm(c)p实验方法？实验方法？分分析析曲线方程？（3 3 3 3）全混流反应器中）全混流反应器中
34、）全混流反应器中）全混流反应器中F(t)F(t)F(t)F(t)与与与与E(t)E(t)E(t)E(t)的计算的计算的计算的计算进入量：进入量：VC0dt离开量：离开量：VCdt积累量：积累量：VRdC分析分析A A A A、F(t)F(t)F(t)F(t)：物料衡算：物料衡算：物料衡算：物料衡算 范围：反应器范围：反应器范围：反应器范围：反应器 对象：示踪物对象：示踪物对象：示踪物对象：示踪物 基准：基准：基准：基准：dtdtdtdt 物料衡算方程：进入量物料衡算方程：进入量物料衡算方程：进入量物料衡算方程：进入量-离开量离开量离开量离开量=积累量积累量积累量积累量 方方法法B B B B、
35、E(t)E(t)E(t)E(t)分析分析如何求？如何求？方方法法（4 4）全混流的停留）全混流的停留时间时间分布函数和分布密度的特点：分布函数和分布密度的特点：ttm0.6321.0ttm1/tmC/C01.00t0ttm1.0C/C0 .3.1.3.1 数学模型方法数学模型方法 数学模型方法是化学反数学模型方法是化学反应应工程的基本研究方法，由四部份工程的基本研究方法，由四部份组组成：成：4.3 非理想流动模型非理想流动模型数学模型数学模型简化模型简化模型模型模型检验检验模型模型计计算算实际应用实际应用修改修改真实过程真实过程1)1)简化模型：简化模型：将真实过程加以抽象简化成简化模型。例将
36、真实过程加以抽象简化成简化模型。例如如,平推流，全混流，均匀表面吸附理论，双膜论、缩芯平推流，全混流，均匀表面吸附理论，双膜论、缩芯模型。模型。数学模拟的基本要求数学模拟的基本要求)简化模型的等效性：简化模型的等效性：某一真实过程可以用多个简化模某一真实过程可以用多个简化模型来描述，但简化模型必须等效于真实过程，不能失真。型来描述，但简化模型必须等效于真实过程，不能失真。3)3)数学处理方法力求简单：便于应用。例如双膜论所采用数学处理方法力求简单：便于应用。例如双膜论所采用的方法比渗透论的数学方法简单，所以直到现在，人们仍的方法比渗透论的数学方法简单，所以直到现在，人们仍然采用双膜论来研究气液
37、反应。然采用双膜论来研究气液反应。4)4)模型参数要少：模型参数是简化模型偏离真实过程的归模型参数要少：模型参数是简化模型偏离真实过程的归并结果，都要通过实验确定，所以模型参数越少越好，而并结果，都要通过实验确定，所以模型参数越少越好，而且要便于测定。且要便于测定。.3.2.3.2轴向混合模型轴向混合模型 1 1）模型要点）模型要点 （）垂直于流动方向的每一个截面上，物料浓度均匀；（）垂直于流动方向的每一个截面上，物料浓度均匀；（）沿流动方向，具有相同的流体速度和（）沿流动方向，具有相同的流体速度和扩散系数扩散系数；（）物料浓度沿流动方向连续变化；（）物料浓度沿流动方向连续变化；（）模型参数（
38、）模型参数z z。轴向混合模型适用于轴向混合模型适用于管式反应器、塔式反应器管式反应器、塔式反应器等。等。2 2）模型方程）模型方程条件：条件：设为等容设为等容,稳定过程，反应器管长为，直径为稳定过程，反应器管长为，直径为D DR R，体积为体积为V VR R；衡算范围：衡算范围：在离进口在离进口 l l处取处取 dl dl 微元管段微元管段衡算对象：衡算对象：示踪物示踪物B B衡算基准：衡算基准：单位时间单位时间物料平衡：物料平衡：BB进入量进入量 BB离开量离开量 BB积累量积累量 进进入量入量离开量离开量积积累量累量 将方程无因次化将方程无因次化将方程无因次化将方程无因次化得到得到式中式
39、中称称为为ecleteclet准数，准数，E Ez z是是轴轴向混合向混合弥散系数（轴向扩散系数），为模型参数。弥散系数（轴向扩散系数），为模型参数。方程的边界条件较为复杂，和反应器进出口处物料方程的边界条件较为复杂，和反应器进出口处物料流动状况以及示踪剂加入方法有关，只有个别情况下流动状况以及示踪剂加入方法有关，只有个别情况下方程才有解析解。方程才有解析解。3 3）模型方程的解）模型方程的解 采用采用阶跃阶跃法法输输入示踪入示踪剂剂：方程的解方程的解为为式中式中erferf为误为误差函数，其定差函数，其定义为义为 以以PePe为为参数，参数，F()F()和和，E()E()和和的关系的关系如如
40、图图所示。所示。图图中中PePe表示没表示没有有轴轴向向扩扩散，即散，即为为平推平推流流；当；当PePe时时，表示，表示轴轴向向扩扩散达到极限，即散达到极限，即为为全混流全混流。分析分析4 4）数学期望和方差）数学期望和方差对对于于实际实际反反应应器，求取模型参数的方法如下。器，求取模型参数的方法如下。（）（）实验测实验测定定F(t)F(t)或或 E(t)E(t)；（）（）计计算算(）计计算算(）计计算算.3.3.3.3 多多级级串串联联全混流模型全混流模型 1）定定义义 多多级级串串联联全混流模型是用全混流模型是用m m个等体个等体积积串串联联的全混流模型来模的全混流模型来模拟实际拟实际反反
41、应应器中的流器中的流动动状况。状况。(1(1）模型要点）模型要点 (2(2）模型参数）模型参数m m 确定模型参数确定模型参数m m，即可，即可对实对实际际反反应应器按多器按多级级串串联联全混流反全混流反应应器器进进行行计计算。算。蠕动泵蠕动泵储液槽储液槽1电磁阀电磁阀23456搅拌电机搅拌电机2)2)物料衡算物料衡算模型方程的建立模型方程的建立 阶跃阶跃注入法注入法 对对第第i i个反个反应应器器进进行示踪物的物料衡算行示踪物的物料衡算 BB进进入量入量 BB离开量离开量 BB积积累量累量 V0V0Ci-1CiVRii对上式积分得：对上式积分得：3)方差方差 与与m的关系的关系以以m m为参
42、数，作为参数，作F F（）、E E（）图图当当m m1 1时，为时，为全混流全混流；当；当m m时，为时，为平推流平推流。对对于于实际实际反反应应器，求取器，求取m m的方法如下。的方法如下。（1 1）实验测实验测定定实际实际反反应应器的器的F(t)F(t)或或 E(t)E(t)；（）（）计计算算模型参数模型参数m m求取求取（）（）计计算算（）（）计计算算m m求出求出m m后，即可按后，即可按m m级级串串联联全混流模型全混流模型对实际对实际反反应应器器进进行有关行有关计计算。算。(1)(1)理想管式反应器理想管式反应器（如移动床）中进行固相加工反应时，由（如移动床）中进行固相加工反应时，
43、由于每个固体颗粒在反应器中的停留时间是相等的，因此反应的于每个固体颗粒在反应器中的停留时间是相等的，因此反应的总结果（平均浓度和平均转化率）就等于每个颗粒的反应结果，总结果（平均浓度和平均转化率）就等于每个颗粒的反应结果，且完全由化学反应动力学特性决定。且完全由化学反应动力学特性决定。(2)(2)连续釜式反应器连续釜式反应器中中进行固相加工反应时，由于进行固相加工反应时，由于返混，使返混，使得进人反应器的固体颗粒在反应器中停留时间不均匀，形成一得进人反应器的固体颗粒在反应器中停留时间不均匀，形成一定的分布。这样每个颗粒的反应结果各不相同，定的分布。这样每个颗粒的反应结果各不相同，反应总结果当反
44、应总结果当然受停留时间分布的影响然受停留时间分布的影响。在一个连续过程中，某个变量的不均匀性是工业生产中经在一个连续过程中，某个变量的不均匀性是工业生产中经常出现的现象。除了上述的常出现的现象。除了上述的停留时间具有不均匀性停留时间具有不均匀性，即有一定，即有一定的分布外，还有的分布外，还有速度分布、温度分布和浓度分布速度分布、温度分布和浓度分布等，作为工程等，作为工程人员应能正确判断这种变量的不均匀性在什么情况下是有利的，人员应能正确判断这种变量的不均匀性在什么情况下是有利的，在什么条件下是不利的，这样便能采取适当措施去发展或力图在什么条件下是不利的，这样便能采取适当措施去发展或力图消除这种
45、不均匀性。消除这种不均匀性。4.4.1 4.4.1 停留时间分布对固相加工反应结果的影响停留时间分布对固相加工反应结果的影响 4.44.4 混合程度对反应结果的影响混合程度对反应结果的影响1 1）滴际混合和微团间混合状态只有在返混存在的滴际混合和微团间混合状态只有在返混存在的情况下，才会对化学反应的结果产生影响；情况下，才会对化学反应的结果产生影响；2 2）对于一级反应而言，滴际混合的程度对反应速率）对于一级反应而言，滴际混合的程度对反应速率毫无影响；级数大于一级，滴际混合对反应速率不利；毫无影响；级数大于一级，滴际混合对反应速率不利；反之，级数小于一级则有利；而且级数偏离一级愈远，反之，级数
46、小于一级则有利；而且级数偏离一级愈远，其影响愈大。其影响愈大。3 3）反应转化率愈高，它的影响程度也愈大。）反应转化率愈高，它的影响程度也愈大。4.4.2 4.4.2 微观混合及对反应结果的影响微观混合及对反应结果的影响 物料的流物料的流动动状况介于平推流和全混流之状况介于平推流和全混流之间间，为为非理想流非理想流动动。实际实际反反应应器的器的计计算算过过程如下。程如下。4.54.5 非理想流动反应器的计算非理想流动反应器的计算停留时间分布 流动模型和模型参数 实际反应器 物料衡算 动力学方程2）由xAf计算VR1）由VR计算xAf4.5.1 4.5.1 轴轴向混合向混合反应器的转化率反应器的
47、转化率 设进设进行一行一级级不可逆反不可逆反应应，对对方程方程进进行无因次化：行无因次化：解得：解得：以以PePe准数为参变数，（准数为参变数，（1 1X XA A ）ktktm m关系标绘如图（关系标绘如图（4 41515）。）。对于二级反应，则方程没有解析解，需用数值解。（对于二级反应，则方程没有解析解，需用数值解。（1 1X XA A）kCkCA0A0t tm m 关系如图（关系如图（4 41616）。通过实验确定）。通过实验确定PePe后，利用该图可以查到反应结果。后，利用该图可以查到反应结果。4.5.2 4.5.2 多多级级串串联联全混流模型反全混流模型反应应器的器的转转化率化率 设
48、稳设稳定等容定等容过过程，一程，一级级不可逆反不可逆反应应通通过实验测过实验测定确定定确定停留时间分布数据，确定停留时间分布数据，确定，则则（1 1）对正在运行的反应器测定停留时间分布数据，选择）对正在运行的反应器测定停留时间分布数据，选择流动模型并确定模型参数，进行物料衡算流动模型并确定模型参数，进行物料衡算,对反应器的生对反应器的生产能力产能力 进行技术评估。进行技术评估。（2 2）如果要设计反应器）如果要设计反应器,则缺乏停留时间分布数据，目前则缺乏停留时间分布数据，目前尚未解决这一问题。一般采用尚未解决这一问题。一般采用“冷模冷模”试验获得停留时间试验获得停留时间分布数据，选择流动模型
49、并确定模型参数，最后计算反应分布数据，选择流动模型并确定模型参数，最后计算反应器体积。器体积。数学模拟方法小结数学模拟方法小结本章小结本章小结1 1）基本概念）基本概念 宏观混合；微观混合；宏观混合；微观混合；停留时间分布函数和分布密度；阶跃法；脉冲法；停停留时间分布函数和分布密度；阶跃法；脉冲法；停留时间分布数字特征；留时间分布数字特征；轴向混合模型及其模型参数轴向混合模型及其模型参数EzEz；多级串联全混流模型；多级串联全混流模型及其模型参数及其模型参数m m。2 2）核心内容）核心内容 （1 1）停留时间分布的测定方法及其数字特征；）停留时间分布的测定方法及其数字特征；（2 2）平推流和
50、全混流的停留时间分布；）平推流和全混流的停留时间分布；（3)3)轴向混合模型，多级串联全混流模型轴向混合模型，多级串联全混流模型;(34)(34)轴向混合反应器和多级串联全混流反应器计算。轴向混合反应器和多级串联全混流反应器计算。思考思考题题1 在某流在某流动动反反应应器中器中进进行等温一行等温一级级液相分解反液相分解反应应，反，反应应速速率常数率常数k=0.307L/min。对该对该反反应应器的脉冲示踪器的脉冲示踪测测得如下所得如下所示的数据。示的数据。01245530示踪物浓度 g/L35302520151050时间 min试试用多用多级级全混流模型全混流模型计计算其算其转转化率化率为为多