化学反应工程原理——反应过程中的混合现象及其对反应的影响

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1、第六章非理想反应器和反应过程中的混合现象重点：停留时间分布的定义、物理意义、测试方法停留时间分布的数字特征及其应用非理想流动模型及其在实际反应器计算中的应用停留时间分布应用于连续釜式反应器中的固相反应微观混合对反应结果的影响1理想状态的反应器BR—物料具有相同的停留时间，无返混PFR—物料具有相同的停留时间，无返混CSTR—物料具有停留时间分布，返混最大非理想反应器——工业反应器特点：偏离理想状态，存在返混概述2描述非理想反应器的三个要素：停留时间分布混合程度反应器模型非理想流动反应器的研究思路：首先考虑反应器流动模型，将其近似为PFR和CSTR非理想流动，需要考虑宏观混合和微观混合停留时间分

2、布3A按混合对象的年龄分：相同年龄物料之间的混合—同龄混合，如BR不同年龄物料之间的混合—返混，如CSTR年龄物料在反应器中已停留的时间，针对在反应器中的物料而言。6.1混合现象分类4物料混合均匀程度与考察混合的尺度有关5B.按混合尺度大小分：宏观混合—指设备尺度上的混合现象CSTR—使物料在设备尺度上达到混合PFR—使物料在设备尺度上无任何混合微观混合—指物料微团尺度上的混合现象微团之间完全均一混合状态—均相反应微团之间完全不混合状态—固相反应介于中间混合状态—互不相溶液液反应66.2.1停留时间分布的表达物料在反应器内的停留时间的长短—随机物料在反应器内的停留时间的分布—随机随机函数的表达

3、方式停留时间分布密度ƒ(t)、E(t)停留时间分布函数F(t)6.2停留时间分布及其性质7定义：t=0时瞬间流入反应器的物料中，停留时间介于t与t+dt之间的物料所占的分率为ƒ(t)dt。归一化的性质：1.停留时间分布密度ƒ(t)82.停留时间分布函数F(t)定义t=0瞬间流入反应器的物料中，停留时间小于t的物料所占的分率。由定义可知：0.840min93.ƒ(t)和F(t)的关系F(t)tƒ(t)曲线上t时的值＝F(t)曲线上对应点的斜率图中的阴影面积＝F(t)10小结停留时间分布表征了发生在化学反应器内物料混合的特性。f(t)是指出口处物料的停留时间分布密度在分析反应器特性时，f(t)是最

4、有用的参数，它描述了反应物流参与化学反应的时间长短116.2.2停留时间分布的实验测定方法—应答技术用一定的方法将示踪物加入反应器进口，然后在反应器出口物料中检测示踪物的信号，以获得示踪物在反应器中停留时间分布规律的实验数据。示踪物的输入方法阶跃法；脉冲法。12示踪物的基本要求示踪物与进料具有相同或非常接近的流动性质和物理性质；示踪物具有易于检测的特殊性质如光学的、电学的、化学的或放射性的；示踪物不能与物料发生化学反应或被吸附；用于多相系统检测的示踪物不发生由一相转移到另一相的情况。131.脉冲法当反应器中流体达到定态流动后，在某个极短的时间内，将示踪物脉冲注入进料中，然后分析出口流体中示踪物

5、浓度随时间的变化，以确定停留时间分布。反应器检测器示踪物脉冲输入出口响应14设：物料流量v脉冲注入示踪物总量Q出口处示踪物浓度C（t）当t=时，加入系统中的示踪物全部离开15停留时间介于t~t+dt之间的示踪物量用脉冲法可测得停留时间分布密度函数ƒ(t)16流体达到定态流动后，自某瞬间起连续加入示踪物流，然后分析出口流体中示踪物浓度随时间的变化，以确定停留时间分布。2.阶跃法17设：混合物流量=v出口物料中示踪物浓度=C（t）示踪物流出量=vC（t）根据F（t）定义：∵出口处停留时间

6、函数F(t)186.2.3停留时间分布的数字特征1.数学期望对原点的一阶矩，即平均停留时间意义：随机变量的分布中心曲线下面积的重心在横轴上的投影19上式也可写为：对离散测定值则有：202.方差停留时间分布对于数学期望的二阶矩，离散度。PFR：所有物料的停留时间相同＝方差愈小，流动状况愈接近PFR21对离散型实验数据223.对比时间（无因次时间）定义：平均停留时间：ƒ(t)具有归一性23在对应的时标处，F()=F(t)以为自变量时ƒ(t)数值比以t为自变量时大倍24方差25数字积分公式26t/min05101520253035CA/g.L-103554210=5/3[C(0)+4C(1)+2

7、C(2)+4C(3)+2C(4)+4C(5)+2C(6)+C(7)]=5/3[0+4(3+5+2)+2(5+4+1)]=100g.min/L01234567f(t)00.030.050.050.040.020.010F(t)00.0750.2750.5250.7500.9000.9751.0F(5)=5/2[f(0)+f(1)]=5/2[0+0.03]=0.075F(10)=5{[f(0)+f(2