化学反应工程第4章省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第四章第四章非理想流动反应器非理想流动反应器1第1页第一节第一节 概述概述一、返混一、返混 物料在反应器内不但有空间上混合而且有时间上物料在反应器内不但有空间上混合而且有时间上混合。混合。1.简单混合：相同停留时间物料间混合。简单混合：相同停留时间物料间混合。2.返混：不一样停留时间物料间混合。返混：不一样停留时间物料间混合。3.返混产生原因：返混产生原因：（1）反应器中物料循环流动）反应器中物料循环流动 （2）湍流）湍流 （3）分子扩散）分子扩散 （4）催化剂或填料碰撞）催化剂或填料碰撞 （5）不均匀流速分布（如层流）不均匀流速分布（如层流）（6）反应器结构）反应器结构2第2页3第3页二、返混对化学反应影响二、返混对化学反应影响返混是不一样停留时间物料间混合。即不一样转化率，返混是不一样停留时间物料间混合。即不一样转化率，不一样温度物料粒子间相互混合。返混会改变反应器不一样温度物料粒子间相互混合。返混会改变反应器内物料浓度分布，所以是影响反应器性能一个主要参内物料浓度分布，所以是影响反应器性能一个主要参数。数。1.单一反应单一反应（1）n0 返混降低了反应推进力，返混降低了反应推进力，rA ，XA（2）n0 返混降低了反应推进力，返混降低了反应推进力，rA ，XA 有利于反应有利于反应(3)自催化反应：返混使产物浓度增加，有利于反应自催化反应：返混使产物浓度增加，有利于反应4第4页2.复合反应复合反应（1）平行反应：主反应级数大于副反应级数，）平行反应：主反应级数大于副反应级数，返混使主产物选择率下降；返混使主产物选择率下降；主反应级数小于副反应级数，主反应级数小于副反应级数，返混使主产物选择率提升。返混使主产物选择率提升。（2）连串反应：返混是中间产物浓度降低，）连串反应：返混是中间产物浓度降低，因因 而，使中间产物选择率下降而，使中间产物选择率下降。5第5页6第6页三、按返混程度对反应器分类三、按返混程度对反应器分类1.完全不返混型反应器完全不返混型反应器 2.充分返混型反应器充分返混型反应器 3.部分返混型反应器部分返混型反应器 在在这这类类反反应应器器中中物物料料之之间间存存在在一一定定程程度度返返混混，但但并并未未到到达达充充分分返返混混程程度度，现现将将这这类类反应器称为非理想流动反应器。反应器称为非理想流动反应器。7第7页四、停留时间分布四、停留时间分布停停留留时时间间分分布布（简简称称RTD）:因因为为反反应应器器中中物物料料返返混混，造造成成了了全全部部流流体体微微元元停停留留时时间间有有长长有有短短，展展现现了了一一个个概概率率分分布布。即即返返混混造造成成了了停停留留时时间间分分布布。但但并并非非只只有有返返混混才才能能够够引引发发停停留留时时间间分分布布。如如：层层流流：无无返返混混，但但却却存在着停留时间分布。存在着停留时间分布。由由此此可可知知，返返混混与与停停留留时时间间分分布布并并无无确确定定一一一一对对应应关关系系，一一定定返返混混必必定定形形成成确确定定停停留留时时间间分分布布，不不过过一一定定停停留留时时间间分分布布并并不不一一定定由由确定返混引发。确定返混引发。8第8页 返混返混程度大小程度大小极难极难经过经过试验直接测定试验直接测定，而，而停停留时间分布能够留时间分布能够试验直接测定，故总是设法用停试验直接测定，故总是设法用停留时间分布来描述返混程度大小。可是因为留时间分布来描述返混程度大小。可是因为停留停留时间分布与返混不是一一对应关系时间分布与返混不是一一对应关系，不能直接把，不能直接把试验测定停留时间分布用于描述返混程度大小，试验测定停留时间分布用于描述返混程度大小，而要借助于流体而要借助于流体流动模型流动模型来表示。来表示。因为停留时间分布惯用概率给予描述，即用因为停留时间分布惯用概率给予描述，即用二个函数及二个特征值给予描述。二个函数分别二个函数及二个特征值给予描述。二个函数分别是是停留时间分布函数停留时间分布函数和和停留时间分布密度函数停留时间分布密度函数，二个特征值则是二个特征值则是数学期望数学期望和和方差方差。9第9页第二节：流体在反应器内第二节：流体在反应器内停留时间分布停留时间分布一、停留时间分布（简称一、停留时间分布（简称RTD）表示方法）表示方法通常，停留时间分布依据其测定方法，有着不通常，停留时间分布依据其测定方法，有着不一样表示方法。一样表示方法。对于对于“出口流体出口流体”：E(t)RTD密度函数密度函数 F(t)RTD函数函数对于对于“器内流体器内流体”：I(t)年纪分布密度函数年纪分布密度函数 Y(t)年纪分布函数年纪分布函数10第10页1.RTD密度函数密度函数E(t)定义：在定常态下连续流动系统中，停定义：在定常态下连续流动系统中，停留时间在留时间在tt+dt范围内瞬时物料占总进范围内瞬时物料占总进料分率为料分率为E(t)dt。注意：注意：E(t)大小并不是分率大小，只有在大小并不是分率大小，只有在E(t)曲线下方，在曲线下方，在tt+dt间面积才是分率间面积才是分率大小，所以，把大小，所以，把E(t)叫做叫做RTD密度函数。密度函数。11第11页12第12页2.RTD函数函数F(t)当物料以定常态流量流入反应器而不发生化学改变时，在流出物料中停留时jian小于t物料占总流出物分率：F(t)为时间t停留时间分布概率；Nt为停留时间小于t物料量；N为流出物料总量，也是流出停留时间在0与无限大之间物料量。13第13页3.E(t)和和F(t)关系关系则存在及14第14页15第15页4.停留时间分布数字特征停留时间分布数字特征（1）数学期望）数学期望 （平均停留时间）：（平均停留时间）：变量（时间变量（时间t）对坐标原点一次矩。）对坐标原点一次矩。16第16页（2）散度）散度散度，即方差散度，即方差 。变量（时间。变量（时间t）对数学）对数学期望二次矩。期望二次矩。为了运算方便，可改换成以下形式：为了运算方便，可改换成以下形式：17第17页（3）离散数据时停留时间分布离散数据时停留时间分布数字特征数字特征数学期望数学期望 （平均停留时间）：（平均停留时间）：散度散度18第18页统计量物理意义统计量物理意义:数学期望数学期望：代表均值（统计量平均值），：代表均值（统计量平均值），这里是平均停留时间。这里是平均停留时间。方方 差差：代表统计量分散程度，这里是：代表统计量分散程度，这里是停留时间对均值偏离程度。停留时间对均值偏离程度。19第19页二、停留时间分布试验测定二、停留时间分布试验测定当前采取方法为当前采取方法为示踪法示踪法。即在反应器物。即在反应器物料进口处给系统输入一个讯号，然后在料进口处给系统输入一个讯号，然后在反应器物料出口处测定输出讯号改变。反应器物料出口处测定输出讯号改变。依据输入讯号方式及讯号改变规律来确依据输入讯号方式及讯号改变规律来确定物料在反应器内停留时间分布规律。定物料在反应器内停留时间分布规律。因为输入讯号是采取把示踪剂加入到系因为输入讯号是采取把示踪剂加入到系统方法产生，故称统方法产生，故称示踪法。示踪法。20第20页示踪剂应满足以下要求：示踪剂应满足以下要求：示踪剂与原物料是互溶，但与原物料示踪剂与原物料是互溶，但与原物料之间无化学反应发生；之间无化学反应发生；示踪剂加入必须对主流体流动形态没示踪剂加入必须对主流体流动形态没有影响；有影响；示踪剂必须是能用简便而又准确方法示踪剂必须是能用简便而又准确方法加以确定物质；加以确定物质；示踪剂尽可能选取无毒、不燃、无腐示踪剂尽可能选取无毒、不燃、无腐蚀同时又价格较低物质。蚀同时又价格较低物质。21第21页22第22页1.阶跃输入法阶跃输入法本本法法是是系系统统内内流流体体到到达达定定常常态态后后，将将原原来来流流入入反反应应器器中中流流体体瞬瞬间间切切换换为为另另一一个个在在一一些些性性质质上上有有所所不不一一样样而而对对原原流流动动不不发发生生改改变变含含有有示示踪踪物物料料流流体体（如如第第一一个个流流体体为为A,另另一一个个流流体体为为B，A切切换换B），切切换换同同时时开开始始计计时时，检检测测不不一一样样停停留留时时间间下下出出口口处处示示踪踪物物料料浓浓度度，直直到到进进出出口口浓度相同为止。浓度相同为止。23第23页24第24页 因为在切换成另一个含有示踪物料流因为在切换成另一个含有示踪物料流体后体后t时刻，其出口物料在系统中停留时间时刻，其出口物料在系统中停留时间均小于均小于t，而所占分率为，而所占分率为F(t)。假设进口物料以体积流量假设进口物料以体积流量V送入反应器，送入反应器，在停留时间为在停留时间为t时，出料示踪剂总量应该是时，出料示踪剂总量应该是Vc，它将由两部分示踪剂组成，一部分是，它将由两部分示踪剂组成，一部分是阶跃输入后物料（量为阶跃输入后物料（量为Vc+）中停留时间小）中停留时间小于于t示踪剂，其量应是示踪剂，其量应是Vc+F(t)；另一部分是；另一部分是阶跃输入前物料（量为阶跃输入前物料（量为Vc0-）中时间大于）中时间大于t示踪剂，其量为示踪剂，其量为Vc0-(1-F(t)即：即：25第25页可得可得假假如如阶阶跃跃输输人人前前进进口口物物流流中中不不含含示示踪踪剂剂，即即 ，上式能够写成：，上式能够写成：有有了了实实测测不不一一样样时时间间t下下C(t)值值，即即可可绘绘出出F(t)-t曲线和曲线和E(t)-t曲线，并求出特征值曲线，并求出特征值 和和 。26第26页27第27页c/c0tt=01响应曲线阶跃输入后进入物料阶跃输入前进入物料28第28页例3-1 测定某一反应器停留时间分布规律，采取阶跃示踪法，输入示踪剂浓度c0=7.7kgm-3，在出口处测定响应曲线如表所表示。求在此条件下F(t)，E(t)及 与 值。29第29页解：本试验测定数据并非连续曲线而是离散型。则F(t)，E(t)，计算式以下：30第30页详细计算结果如表31第31页32第32页2.脉冲输入法脉冲输入法本本法法是是在在被被测测定定系系统统到到达达定定常常态态后后，在在系系统统入入口口处处，瞬瞬间间加加入入一一定定量量m示示踪踪物物料料（加加入入时时间间远远小小于于停停留留时时间间），同同时时开开始始计计时时，检检测测不不一一样样停停留留时时间间出出口口处处示示踪踪物物料料浓浓度度。因因为为示示踪踪物物料料量量较较少少，且且加加入入时时间间可可忽忽略略，不不会会影影响响原原来来流流动动情情况况，所所以以，示示踪踪物物在在系系统统内内流流况况代代表表系系统统内内主主流流体体流流况况，换换言言之之，示示踪踪物物料料停停留留时时间间分分布布，也也就就是是主主流流体体停停留留时时间间分分布。布。33第33页34第34页示踪剂总量显然是：由不一样停留时间下由不一样停留时间下C(t)即能够求出即能够求出E(t)、F(t).35第35页例3.2在稳定操作连续搅拌式形反应器进料中脉冲注入染料液(m=50g)，测出出口液中示踪剂浓度随时间改变关系如表所表示。请确定系统F(t)，E(t)曲线及 ，值。36第36页解：本试验采取脉冲示踪法，测定时间间隔相同(t=120s)，计算式为：37第37页 计算值如表所表示。38第38页39第39页40第40页三、用对比时间表示停留时间分布三、用对比时间表示停留时间分布目：将停留时间分布无因次化。对比时间：换算：将全部关系式中t用替换。41第41页42第42页第三节：理想反应器停留时间分布第三节：理想反应器停留时间分布1、平推流反应器、平推流反应器tt=0F(t)1激励曲线tt=F(t)1响应曲线43第43页脉冲示踪tt=0E(t)激励曲线tt=E(t)响应曲线44第44页示踪只是显示停留时间分布规律，规律示踪只是显示停留时间分布规律，规律不随示踪方法而变。不随示踪方法而变。45第45页2、全混流反应器、全混流反应器采取阶跃示踪法测定停留时间分布采取阶跃示踪法测定停留时间分布在在t时刻对示踪剂做物料衡算：时刻对示踪剂做物料衡算：46第46页解上述方程解上述方程47第47页图示tt=0F(t)1激励曲线tt=0F(t)1响应曲线tt=0E(t)响应曲线48第48页两种理想反应器停留时间分布对照49第49页平推流反应器E(t)图 全混流反应器E(t)图 50第50页由此可见，当完全没有返混时，由此可见，当完全没有返混时，当返混到达极大程度时，当返混到达极大程度时，当返混介于二者之间时，即非理想流动当返混介于二者之间时，即非理想流动时，时，介于介于0和和1之间。之间。用来判断反应器内流型，并判断其偏离用来判断反应器内流型，并判断其偏离理想流动程度。理想流动程度。截止到现在，本章没有包括任何化学反截止到现在，本章没有包括任何化学反应。应。51第51页第四节：非理想流动模型第四节：非理想流动模型因为分子扩散、涡流扩散和流速分布等因为分子扩散、涡流扩散和流速分布等原因，实际反应器中流动情况经常要偏原因，实际反应器中流动情况经常要偏离理想流动，需要用流动模型来描述。离理想流动，需要用流动模型来描述。流动模型能够分成：流动模型能够分成：多级混合模型多级混合模型轴向扩散模型轴向扩散模型凝集流模型凝集流模型。52第52页一、多级混合模型一、多级混合模型物理模型：物理模型：假设假设实际实际反应器是由若干大小相等全混反应器是由若干大小相等全混流反应器串联而成。流反应器串联而成。串联釜数串联釜数N就是模型就是模型参数参数这些全混流反应器之间没有返混，没有这些全混流反应器之间没有返混，没有反应。反应。定常态操作。定常态操作。对于两种理想反应器，其模型参数分别为：对于两种理想反应器，其模型参数分别为：全混釜：全混釜：N=1；活塞流：；活塞流：；而对于实；而对于实际反应器际反应器 .53第53页用阶跃法测定第用阶跃法测定第i个反应器停留时间分布个反应器停留时间分布V0,c0,V1,c1,V2,c2,Vn,cnVi,ci,54第54页多釜串联图示多釜串联图示 55第55页56第56页57第57页58第58页59第59页60第60页N=1，全混流N ，平推流N等于某一值，意味着该反应器返混程度相当于N个理想混合反应器串联。N只是一个虚拟值，所以，N能够是整数也能够是小数。停留时间分布密度函数散度为槽数倒数。61第61页解题步骤：62第62页二、轴向扩散模型二、轴向扩散模型物理模型：物理模型：1 主体流动为平推流，但叠加一涡流扩散。主体流动为平推流，但叠加一涡流扩散。2 涡流扩散遵照费克扩散定律且在整个反涡流扩散遵照费克扩散定律且在整个反应器内扩散系数为常数。应器内扩散系数为常数。费克扩散定律费克扩散定律(Ficks law)：63第63页在有化学反应时对反应物做物料衡算：dl64第64页整理得：65第65页66第66页开开，开闭，开开，开闭，闭开，闭闭。闭开，闭闭。反应器内有反应器内有返混，如边返混，如边界处有返混，界处有返混，则为开式边则为开式边界条件，若界条件，若边界处没有边界处没有返混，则为返混，则为闭式边界条闭式边界条件。件。67第67页68第68页开开式边界条件下解：开开式边界条件下解：69第69页70第70页71第71页72第72页73第73页经过扩散模型求转化率定常态下，由基础方程定常态下，由基础方程简化得简化得74第74页75第75页对一级等温恒容不可逆反应，有解析解对一级等温恒容不可逆反应，有解析解76第76页解题步骤：解题步骤：77第77页例例3-6试试用用轴轴向向扩扩散散模模型型中中开开-开开式式边边值值条条件件及及闭闭-闭闭式式边边值值条条件件计计算算例例3-3中中反反应应器器出口物料转化率。出口物料转化率。解：本题中解：本题中:78第78页按开按开-开式边值条件：开式边值条件：计算计算值值79第79页计算出口转化率计算出口转化率80第80页按闭按闭-闭式边值条件闭式边值条件81第81页本本例例题题若若按按平平推推流流反反应应器器计计算算，其其出出口口转化率将是：转化率将是：按按全全混混釜釜式式反反应应器器计计算算其其出出口口转转化化率率，将是：将是：82第82页三、凝集流模型三、凝集流模型1.流体混合态流体混合态（1）混合过程：混合过程：两种或更多物料在同一两种或更多物料在同一容器中经过采取搅拌等办法，使之到达容器中经过采取搅拌等办法，使之到达均匀程度。均匀程度。（2）调匀度：调匀度：83第83页调匀度不是评价混合程度唯一指标。调匀度不是评价混合程度唯一指标。对于非均相系统：对于非均相系统：比如固体两种颗粒间混合，比如固体两种颗粒间混合，当取样规模较大时，当取样规模较大时，S=1，认为混合已到达，认为混合已到达均匀均匀;当取样规模较小时，当取样规模较小时，认为混合，认为混合不均匀不均匀可见只用可见只用调匀度调匀度来衡量混合程度是不够。来衡量混合程度是不够。混合均匀程度，应以到达分子规模完全混合混合均匀程度，应以到达分子规模完全混合为极限。为极限。微观流体：微观流体：以分子尺度作为独立运动单元来以分子尺度作为独立运动单元来 进行混合流体。进行混合流体。微观混合：微观混合：微观流体之间混合。微观流体之间混合。84第84页宏观流体（凝集流体）：宏观流体（凝集流体）：以若干分子（以若干分子（10121018个分子）所组成流体微团（或分子束）作为个分子）所组成流体微团（或分子束）作为独立运动单元来进行微团之间混合，且在混合独立运动单元来进行微团之间混合，且在混合时微团之间并不发生物质交换，微团内部则含时微团之间并不发生物质交换，微团内部则含有均匀组成和相同停留时间流体。有均匀组成和相同停留时间流体。宏观混合：宏观混合：宏观流体之间混合。宏观流体之间混合。完全凝集态：完全凝集态：宏观流体混合态；宏观流体混合态；非凝集态：非凝集态：微观流体混合态；微观流体混合态；部分凝集态：两种极端混合态之间过渡混合态。部分凝集态：两种极端混合态之间过渡混合态。85第85页2.流体混合态对化学反应影响流体混合态对化学反应影响对于单一流体流入反应器系统，设物料流对于单一流体流入反应器系统，设物料流中含反应物中含反应物A浓度为浓度为CA1,而反应器内流体而反应器内流体中中A浓度为浓度为CA2,反应速率方程为：反应速率方程为：rA=kCAn微观流体：微观流体：宏观流体：宏观流体：86第86页比较上两式：比较上两式：n1 或或0，rA=-RA,微观流体和宏观流体含有相同反应效果微观流体和宏观流体含有相同反应效果。反应结果不但和动力学特征及停留时间反应结果不但和动力学特征及停留时间分布函数相关，而且，也和微观混合程度分布函数相关，而且，也和微观混合程度相关。相关。87第87页3.凝集流物理模型：凝集流物理模型：流体以流体微团（或分子束）方式流过流体以流体微团（或分子束）方式流过反应器，这些流体微团彼此之间不发生反应器，这些流体微团彼此之间不发生混合，每个流体团相当于一个小反应器。混合，每个流体团相当于一个小反应器。因为返混作用，流体微团在反应器内停因为返混作用，流体微团在反应器内停留时间不一样，到达转化率因而不一样，留时间不一样，到达转化率因而不一样，在反应器出口处宏观转化率，就是各不在反应器出口处宏观转化率，就是各不一样停留时间流体团到达转化率平均值。一样停留时间流体团到达转化率平均值。88第88页这么就把流体停留时间分布与反应转化率联络这么就把流体停留时间分布与反应转化率联络起来了，每个流体团都作为一个间歇反应器，起来了，每个流体团都作为一个间歇反应器，它反应时间由停留时间分布决定。而流体微团它反应时间由停留时间分布决定。而流体微团在停留时间内到达转化率由反应动力学决定。在停留时间内到达转化率由反应动力学决定。最终，将二者结合起来，在出口处加权平均，最终，将二者结合起来，在出口处加权平均，得到最终转化率。得到最终转化率。89第89页写成数学公式：写成数学公式：90第90页例例3-7某某非非理理想想流流动动反反应应器器，其其停停留留时时间间分分布布规规律律同同例例3-2。在在该该反反应应器器内内进进行行一一级级反反应应，动动力力学学方方程程为为-rA=3.3310-3cA，请请确确定定该该反反应应器器出出口口转转化化率率（反反应应物物A化学计量系数为化学计量系数为1）。）。91第91页解：采取凝集流模型进行计算。解：采取凝集流模型进行计算。对对于于一一级级反反应应，在在间间歇歇反反应应器器中中转转化化率率与反应时间关系以下：与反应时间关系以下：92第92页93第93页综合上述模型计算结果综合上述模型计算结果94第94页例题例题1：对于等温恒容一级非可逆反应，证实：对于等温恒容一级非可逆反应，证实：全混流流动宏观流体和微观流体特征方程相同。全混流流动宏观流体和微观流体特征方程相同。证实：微观流体，流体流动为全混流，且等温证实：微观流体，流体流动为全混流，且等温恒容一级非可逆反应，故恒容一级非可逆反应，故95第95页宏观流体宏观流体：流体流动为全混流，其停留时间：流体流动为全混流，其停留时间分布密度函数为分布密度函数为其特征方程：其特征方程：96第96页反应为等温恒容一级非可逆反应，反应为等温恒容一级非可逆反应，97第97页例题例题2、气体物料在层流管式反应器中反应，、气体物料在层流管式反应器中反应，打算在固定平均停留时间下，将体积速率打算在固定平均停留时间下，将体积速率增加增加4倍，为此有两种不一样方案：倍，为此有两种不一样方案：（1）dt不变，反应器长度增加不变，反应器长度增加4倍；倍；（2）L不变，反应器直径增加不变，反应器直径增加2倍。倍。经过比较两种方案返混程度大小，应该推荐经过比较两种方案返混程度大小，应该推荐哪一个方案。（假定反应器较长，可用轴向扩散哪一个方案。（假定反应器较长，可用轴向扩散模型处理，模型处理，）解：解：（1）dt不变，反应器长度增加不变，反应器长度增加4倍倍98第98页（2）L不变，反应器直径增加不变，反应器直径增加2倍倍99第99页