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1、第四章 变温过程均相反应器 4.1概述 4.2通用图解设计 4.3最佳温度控制 4.4热量衡算通式 4.5间歇釜式反应器的计算 4.6平推流反应器 4.7全混流反应器CSTR的热稳定性分析 热量衡算通式 4.5间歇釜式反应器的计算 w 绝热操作 ，为常数，当 4.6平推流反应器 方程组的求解：四阶Runge-Kutta法 w 绝热操作 ，恒分子流时式中， 称作绝热温升。对于吸热反应，称作绝热温降。 4.7全混流反应器CSTR的热 稳定性分析w 4.7.1热量衡算方程 w 时间基准：取1h w 空间基准：取反应器有效体积V w 忽略,CP变化 w 原料带入热量+反应放出的热量=产物带 走的热量+
2、散热量4.7.2 CSTR的热稳定性 w 1. 放热反应 w 不可逆反应 w 放热速率 w 移热速率：QrT为一条直线； 多重定常态： 稳定定常态： 不稳定定常态： 可逆反应 w QgT出现最大值。 2、 吸热反应 w 不存在热稳定性问题。 4.7.3定常态热稳定性的判据定态稳定操作点的必要条件：不稳定操作的充分条件：第五章 非理想流动（ Nonideal Flow） w 5.1 概述 w 5.2停留时间分布的分布函数 w 5.3 停留时间分布的实验测定 w 5.4 两种理想流动模式的停留时间分布 w 5.5 非理想流动的流动模型5.1 概述 w 理想流动平推流与全混流w 平推流：所有流体质点
3、（微元）具有相 同的停留时间分布 w 全混流：各流体微元在反应器中停留时 间各不相同，即具有停留时间分布（ Residence Time Distibution ，简称为RTD ）。w 研究停留时间分布对反应器的设计和强 化的重要意义： 反应深度与反应物料在反应器中停留时间 长短有关。 w 非理想流动：所有偏离平推流和全混流 的流动模式。 原因有：流体在反应器中的流速分布不均 （层流与湍流），流体的分子扩散及对 流扩散，搅拌造成的强制对流，设备设 计、安装不良造成的短路、死区、沟流 等。操作方式连续操作间歇操作流动模式理想流动 非理想流动封闭式 PFRCSTR各流体元停留时间相同不相同不相同相
4、同5.2停留时间分布的分布函数w 闭式反应器系统：假定流体微元一旦进 入系统就再也不能返回输入流体的管道 中，而由输出管道流出的微元也再不能 返回到反应系统，即反应系统进口处的 流体微元只进不出而出口处的只出不进 。对于大多数反应器其进出口的管道相 对于设备的直径来说要小得多，这时进 出管口处的流体微元呈平推流，符合闭 式容器的假设。 5.2-1 停留时间分布函数1. 停留时间分布密度函数E(t) w 寿命分布密度函数E(t) E(t)定义：当流体以稳定的流速进入设备 而不发生化学反应时，在时间t=0时于瞬 间 dt 进入设备的流体微元中，具有停留 时间为t到 （t+dt）之间的流体微元dN占
5、 当初流入量N的分率为E(t)dt。 因次为：时间-1 归一化性质： 2.停留时间分布函数F(t) 寿命分布函数w 当流体以稳定的流速进入设备而不发生 化学反应时，在时间0t之间进入设备的 流体微元中，具有停留时间为0到 t之间 的流体微元流出量占流入量的分率。 w F(t)意义是停留时间小于t的流体微元所 占分率，是一无因次量。 w 典型的F(t)曲线： F(t)1.0t F(0)=0 ， F()=1 1-F(t)为停留时间大于t的流体质点所占的分率。 3.年龄分布密度函数I(t)w 对设备内流体微元而言。 w 当流体以稳定的流速进入设备而不发生 化学反应时，在时间t=0时于瞬间 dt 进入
6、 设备的流体微元中，具有停留时间为t到 （t+dt）之间的流体微元在设备的存留量 dN占设备内物流量的分率为I(t)dt。 4.年龄分布函数Y(t) 当流体以稳定的流速进入设备而不发生化 学反应时，在时间0t进入设备的流体微 元中，具有停留时间为0 t之间的流体微 元在设备的存留量N占设备内物流量 的分率为Y(t)。 5.2-2 停留时间分布函数的特征值1.平均停留时间 平均停留时间 的意义：E(t)曲线的分布中 心，或说E(t)t曲线所围面积的重心在时间 轴上的投影。在数学上 称为E(t)曲线对原 点的一次矩。 也是F(t)曲线上方与F()=1 横线所围面积，也是这块面积的平均宽度 。 2.
7、方差 ：停留时间分布的离散程度。 w 数学上用对平均停留时间 的二阶中心矩 表示。 3.对比时间 闭式容器：w 以对比时间表示的停留时间分布函数具 有以下特征： 闭式容器： 闭式容器：5.3 停留时间分布的实验测定 w 物理示踪法：采用一种易观测的无化学反应活 性的物质按一定的输入方式加入稳定的流动系 统，同时在出口处观测该示踪物质浓度随时间 的变化情况以确定系统物料的停留时间分布。 w 示踪剂的选择原则： （1）与主流体不发生化学反应，且易于与主流 体溶于一体，不影响主流体的流动状况。 （2）易于检测 （3）不发生相转移 （4）易于转变为光电信号，便于实时分析。 5.3-1 脉冲示踪法 w
8、加入示踪剂量： Q(g) V0 L/min CA(t) g/LV0输入信号（激励） 输出信号（响应）CA(t) t离散型数据：等时间间隔， 等时间间隔，例：用脉冲示踪法测定反应器中物料的停留时间分布。 F(t)、E(t)、2。5.3-2阶跃示踪法 w 直接测定的是F(t)函数。 5.4 两种理想流动模式的停留时间分布 5.4-1 平推流的E(t)和F(t) w E(t)与F(t)曲线形状： E(t) 脉冲激励 p 阶跃激励p F(t) 1.0 5.4-2全混流的E(t)和F(t) w 阶跃示踪法： E(t) F(t) 1.0 工业反应器的无因次方差 为01。 5.5 非理想流动的流动模型 w
9、返混和停留时间分布之间并不存在一一对应关 系 返混将导致反应器中流体微元之间的停留时间分 布，但有停留时间分布的反应器未必一定有返 混存在（如在管内做层流流动的管式反应器） w 建立流动模型的步骤1.通过冷模实验测定装置的RTD。2.提出模型，根据实验确定模型参数。3.进行动力学实验得到的数据进行模拟计算预 测反应结果。4.通过一定规模的热模实验来验证模型的准确 性。 5.5-1 多级全混流串联模型 w 模型假设：（1）每釜体积相等 （2）釜间无返混 1.系统停留时间分布函数与模型参数的推 导。二级反应时，查图3.4-4，由N=n线与kCA0=m线的交点 对应的横坐标为1-xA=y，从而计算得
10、到xAf的数值。一级反应时，5.5-2 轴向扩散模型 w 在平推流的基础上叠加轴向的反向涡流 扩散，扩散通量符合Fick定律。 w 适用范围：反混程度不大的管式、塔式 或连续流动设备。 w 模型的基本假定：（1）流动为定常态，过程参数是管长 的连续函数；（2）径向组成与流速均匀；（3）扩散系数视为常数。1.物料衡算模型参数Pe：2.模型参数Pe的求取： （1） 返混较小，Pe100方差具有加和性。(1)返混较大，Pe100闭式边界开闭式边界开开式边界1. 轴向扩散模型的应用 w 一级反应： 式中， 例：脉冲示踪法测得无反应时的连续流动反应 器出口示踪剂浓度与时间的对应值为：今在同样流动状态下于
11、反应器中进行一级和二级 不可逆反应，一级反应k=2,二级反应 kCA0=10，用轴向分散模型和多釜串联模型计 算反应器出口转化率，并且与平推流及全混流反 应器的结果比较。t/min05101520253035C(t)/g/l035542105.5-3 层流模型5.5-4 组合模型 w 工业反应器内的流动偏离理想流动的原 因：（1） 死区（2） 沟流与短路（3） 循环流 w 组合模型就是在模拟工业反应器的流动 状态过程中将流动分为理想模式（PFR 或CSTR）与非理想因素的组合。w 几种常见的单参数模型：（1） 具有死区的PFR模型：（2） 带有短路流的PFR模型：（3） 具有死区的CSTR模型
12、：（4） 带有短路流的CSTR模型：（5） 平推流和全混流串联的组合模 型（6） 平推流和全混流并联的组合模 型5.5-5宏观流反应器的计算 w 微观流体：达到分子水平的均匀混合。 w 宏观流体：宏观上是均匀混合的，但在微观上 却是由许多互相独立的微团所组成，微团内混 合均匀，微团间没有质量交换。在流动和反应 过程中，每个微团相当于一个微型的间歇釜。 转化率取加权平均。 w 部分离集流：既有微观流体部分又有宏观流体 部分。 w 未转化率： w 动力学方程与流动模型（CSTR的E(t)） 的联立。 w 一般来说，大于一级的反应，宏观流体 的转化率大于微观流体的转化率，宜采 用先分开反应再混合的办法；小于一级 的反应，宏观流体的转化率小于微观流 体的转化率，宜采用先混合再反应的办 法；零级和一级反应时宏观流体与微观 流体反应性能相同。
