反应2-2讲述.docx

《化学反应工程》通关任务 项目说明书 级　　别： 作　　者： 专业班级： 指导教师：　　 　 年 月 日 目 录 1 平推流流动模型 1 2 全混流流动模型 1 3 多级混合模型 2 4 轴向分散模型 3 5 停留时间分布曲线的应用 5 6 流体的混合态及其对反应的影响 5 6.1 流体的混合态 5 6.2 流体的混合态对反应过程的影响 6 7 计算 8 1 平推流流动模型 由于，当； 当 2 全混流流动模型 一般连续釜式反应器可选用如图2-1所示的模型，在某一瞬间即t=0，用示踪物料B切换原来的物料A，并同时测定出口流中示踪物料占的分率c(t),已知。 图2-1 全混流的示踪实验 在t=0时，因为物料A全部切换为物料B，故进口处示踪物料占的分率c(0)=1，对t至t+dt时间间隔内作示踪物料B的物料衡算，可有： 加入量： 流出量： 存留在反应器中的量： 单位时间内反应器内示踪剂做物料衡算得： 积分得： 边界条件为： 所以：，，。 3 多级混合模型 如图3-1所示为多级混合模型，它是以每级内为全混流、级际无返混、各级存料量V相同的假定为前提的，其F曲线可通过物料衡算而导得。 图3-1 多级混合模型 先考虑较简单的二级串联情况。从物料A切换为示踪物料B的瞬间算起，在某一dt时间内，进入第二级的量为，离开第二级的量为，在第二级中累积量为，物料衡算得： 初始条件： t=0，第一级进料口处所占分率为； t=0，。 因为，此处是对单个釜而言的平均停留时间，故： 解之可得： 同理推广到N釜，各釜对示踪物料B作物料衡算，可得： 其中代表整个系统的平均停留时间。上式换算为无量纲时则为： 随机变量θ的方差 当N=1时，，与全混流模型一致；当时，，与平推流模型一致。 当N为任何正数时，其方差应介于0与1之间，对N的不同取值可模拟不同的停留时间分布。 4 轴向分散模型 轴向分散模型是仿照一般的分子扩散中用分子扩散系数D来表征那样，用一个轴向有效扩散系数EZ来表征一维的返混，也就是在平推流流动中叠加一个涡流扩散项并假定： a． 沿着与流体流动方向垂直的每一个截面上，具有均匀的径向浓度； b． 在每一截面上和沿流体流动方向，流体速度和扩散系数均为一恒定值； c． 物料浓度为流体流动距离的连续函数。 根据假设，取dl的微元管段，作物料衡算： 进入量=流动+扩散 离开量=流动+扩散 积累量 根据进入量＝离开量＋积累量，整理可得： 将模型化为无因次量： ，称为贝克来数。它的倒数是表征返混大小的无量纲特征数。愈大，则返混愈小。 轴向分散模型的求解和应用可分两种情况： a. 返混程度很小，其数学期望和方差分别为： b. 返混程度较大 对于“闭”式容器，可有： 对于“开”式容器，可有： 对于“开-闭”式容器，可有： 5 停留时间分布曲线的应用 在实际应用上，往往不是如何寻找一个复杂的模型去描述非理想流动，而是如何去设法避免非理想流动，在反应器的结构等方面予以改进以期接近于理想流动状况。所以，根据测定的停留时间分布曲线形状来定性地判断反应器内的流动状况，具有实用上的意义。 a. 出峰太早，说明反应器内存在短路、沟流或死区现象； b. 出现几个递降的峰形，表明反应器内可能有循环流动； c. 出峰太晚，可能是计量上的误差，或为示踪剂在反应器内被吸附与器壁而减少所致； d. 出现多个峰，存在平行流。 从停留时间分布曲线形状进行分析后，就可以针对存在的问题，设法客服或加以改进。比如用增加反应管的长径比、加入横向挡板或将一釜改为多釜串联等手段，可使流动状况更接近于平推流。反之，设法加强返混，亦可使流动状况接近于全混流。 6 流体的混合态及其对反应的影响 6.1 流体的混合态 混合是指两种或更多的物料在同一容器中通过采用搅拌等措施，使之达到均匀的程度，称之为混合过程。 亦今为止，所进行的分析和计算，都是建立在物料颗粒呈分子状均匀分散的概念上的，对大多数均相系统来讲，都可以这样处理。但如果两种粘度相差很大的液体搅拌在一起，在没有达到充分的的均匀之前，一部分流体常是成块，成团地存在于系统中，即使采用搅拌等措施，也可能无法达到分子状的均匀分散。进一步讲，即使外表均一的一种流体，其中不同的分子也可能是部分离集成微小的基团而存在着的，至于极限情况，比如油滴悬浮在水中，，两者互不混溶，这就是完全离集的流体，这种离集流体的流动，叫做离集式流动。如果流体中所有分子都以分子状态均匀分散，这种流体称为微观流体，即达到完全的微观混合；反之，如果全部以离集态存在，即只有宏观混合，又称为宏观流体。 6.2 流体的混合态对反应过程的影响 对一