化学反应工程第4章.ppt

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1、第四章非理想流动反应器1第一节概述一、返混物料在反应器内不仅有空间上的混合而且有时间上的混合。1.简单混合：相同停留时间物料间的混合。2.返混：不同停留时间物料间的混合。3.返混产生的原因：（1）反应器中物料的循环流动（2）湍流（3）分子扩散（4）催化剂或填料的碰撞（5）不均匀的流速分布（如层流）（6）反应器的结构23二、返混对化学反应的影响返混是不同停留时间物料间的混合。即不同转化率，不同温度的物料粒子间的相互混合。返混会改变反应器内物料浓度的分布，因此是影响反应器性能的一个重要参数。1.单一反应（1）

2、n>0返混降低了反应的推动力，－rA，XA（2）n＜0返混降低了反应的推动力，－rA，XA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42.复合反应（1）平行反应：主反应级数大于副反应级数，返混使主产物的选择率下降；主反应级数小于副反应级数，返混使主产物的选择率提高。（2）连串反应：返混是中间产物浓度降低，因而，使中间产物的选择率下降。56三、按返混程度对反应器的分类1.完全不返混型反应器2.充分返混型反应器3.部分返混型反应器在这类反应器中物料之间存在一定程度的返混，但并未达到充分返混的程度

3、，现将这类反应器称为非理想流动反应器。7四、停留时间分布停留时间分布（简称RTD）:由于反应器中物料的返混，造成了所有流体微元的停留时间有长有短，呈现了一种概率分布。即返混造成了停留时间分布。但并非只有返混才可以引起停留时间分布。如：层流：无返混，但却存在着停留时间分布。由此可知，返混与停留时间分布并无确定的一一对应关系，一定的返混必然形成确定的停留时间分布，但是一定的停留时间分布并不一定由确定的返混引起的。8返混程度的大小很难通过实验直接测定，而停留时间分布可以实验直接测定，故总是设法用停留时间分布来描述

4、返混程度的大小。可是由于停留时间分布与返混不是一一对应关系，不能直接把实验测定的停留时间分布用于描述返混程度的大小，而要借助于流体的流动模型来表示。由于停留时间分布常用概率予以描述，即用二个函数及二个特征值予以描述。二个函数分别是停留时间分布函数和停留时间分布密度函数，二个特征值则是数学期望和方差。9第二节：流体在反应器内的停留时间分布一、停留时间分布（简称RTD）的表示方法通常，停留时间分布依据其测定方法，有着不同的表示方法。对于“出口流体”：E(t)－RTD密度函数F(t)－RTD函数对于“器内流体”

5、：I(t)－年龄分布密度函数Y(t)－年龄分布函数101.RTD密度函数E(t)定义：在定常态下的连续流动的系统中，停留时间在t－t+dt范围内的瞬时物料占总进料的分率为E(t)dt。注意：E(t)的大小并不是分率的大小，只有在E(t)曲线下方，在t－t+dt间的面积才是分率的大小，所以，把E(t)叫做RTD密度函数。11122.RTD函数F(t)当物料以定常态的流量流入反应器而不发生化学变化时，在流出物料中停留时jian小于t物料占总流出物的分率：F(t)为时间t的停留时间分布概率；Nt为停留时间小于t的

6、物料量；N∞为流出物料的总量，也是流出的停留时间在0与无限大之间的物料量。133.E(t)和F(t)的关系则存在及14154.停留时间分布的数字特征（1）数学期望（平均停留时间）：变量（时间t）对坐标原点的一次矩。16（2）散度散度，即方差。变量（时间t）对数学期望的二次矩。为了运算方便，可改换成如下形式：17（3）离散数据时的停留时间分布的数字特征数学期望（平均停留时间）：散度18统计量的物理意义:数学期望：代表均值（统计量的平均值），这里是平均停留时间。方差：代表统计量的分散程度，这里是停留时间对均值

7、的偏离程度。19二、停留时间分布的实验测定目前采用的方法为示踪法。即在反应器物料进口处给系统输入一个讯号，然后在反应器的物料出口处测定输出讯号的变化。根据输入讯号的方式及讯号变化的规律来确定物料在反应器内的停留时间分布规律。由于输入讯号是采用把示踪剂加入到系统的方法产生的，故称示踪法。20示踪剂应满足以下要求：①示踪剂与原物料是互溶的，但与原物料之间无化学反应发生；②示踪剂的加入必须对主流体的流动形态没有影响；③示踪剂必须是能用简便而又精确的方法加以确定的物质；④示踪剂尽量选用无毒、不燃、无腐蚀同时又价格较

8、低的物质。21221.阶跃输入法本法是系统内流体达到定常态后，将原来流入反应器中的流体瞬间切换为另一种在某些性质上有所不同而对原流动不发生变化的含有示踪物料的流体（如第一种流体为A,另一种流体为B，A切换B），切换的同时开始计时，检测不同停留时间下出口处示踪物料的浓度，直到进出口浓度相同为止。2324因为在切换成另一种含有示踪物料的流体后t时刻，其出口物料在系统中的停留时间均小于t，而所占的分率为F(t)。假设进