第四章　反应器中的混合及对反应的影响

第四章　反应器中的混合及 对反应的影响讨论：非理想流动和反应器的混合及其对反应的影响。

第一节连续反应器中物料混合状态分析 • 4-1混合现象的分类 • 按混合对象的年龄分： • 同龄混合：相同年龄物料之间的混合。 • 返混：不同年龄物料之间的混合（不同时刻进入反应器的物料的混合） • 按混合发生的尺度分： • 宏观混合：设备尺度。全混流和平推流是宏观混合的两种极限流动状态。 • 微观混合：物料微团尺度。微团——固体颗粒、液滴或气泡等尺度的物料聚集体。 • （微团间完全均一混合→均相反应过程； • 微团间完全不混合→固相加工反应过程； • 互不相溶的液－液反应过程介于两者之间。）

4-2连续过程的考察方法 • 一、以反应器为对象的考察方法：均相反应过程。前提：微团间的充分混合。以反应器容积或微元为考察对象。 • 二、以反应物料为对象的考察方法：微团间（完全）不混合。固相加工反应过程=>需知物料在反应器中的停留时间分布情况及反应的动力学性质。

第二节停留时间分布的测定及其性质 • 4-3 停留时间分布 • 物料在反应器中的最终转化率，取决于质点的寿命，而非质点的年龄。 • 停留时间→质点的寿命；停留时间分布→质点的寿命分布。 • 随机过程→概率论：停留时间分布密度；停留时间分布函数。

4-3 停留时间分布 • 一、停留时间分布密度E(t)：概率密度函数 • 定义：同时进入反应器的N个流体质点中，停留时间介于间的质点所占分率为 ,即为停留时间分布密度。 • 关系曲线 • 归一化性质：

4-3 停留时间分布 • 二、停留时间分布函数F(t)：概率函数 • 定义：流过反应器的物料中，停留时间小于t的质点（或停留时间界于０～t间的质点）所占的分率。 • Ｆ(t)～t关于曲线： • Ｆ(t)～E(t)关系： • 　　　　（4-4）

4-4停留时间分布的实验测定 • 借助于“示踪物”的应答技术。 • 示踪物：光子的、电子的、化学的、放射性的特点。 • 据示踪物输入方法，分为：阶跃注入法；脉冲注入法；周期注入法等。

4-4停留时间分布的实验测定 • 一、阶跃法：设备内处于定态流动后，自某瞬间（t=0）起连续加入示踪剂（Ｃo）,并分析出口示踪剂浓度（Ｃ）随时间的变化。　 • 阶跃注入曲线(b) • 出口应答曲线：形状取决于反应器类型。 • 可导得：＊　　（4-6） • 特点：直接、方便测定

4-4停留时间分布的实验测定 • 二、脉冲法：当反应器处于定态流动时后，在某极短时间内，将示踪剂注入进料中，同时分析出口流体中示踪物浓度随时间的变化。 • 脉冲注入曲线(a) • 出口应答曲线：形状取决于反应器类型。

4-4停留时间分布的实验测定 • 可导得：特点：既可测，又可测

4-5停留时间分布的数字特征 • 一、教学期望* 据概率论，停留时间分布的数学期望就是物料在反应器中的平均停留时间tm（即 =tm） • 平均停留时间tm：tm指整个物料（而非个别质点）在设备内的停留时间。不管流型如何，皆可导出：

4-5停留时间分布的数字特征 • 数学期望： • (4-17) • 对离散型测定值： • （4-18）

4-5停留时间分布的数字特征 • 二、方差（离散度）： • 定义： • 对离散型测定值： • 或 • 物理意义：停留时间分布离散程度的量度。（表示物料停留时间对平均停留时间偏离的某种量度）

4-5停留时间分布的数字特征 • 三、对比时间： • 定义：无因次对比时间 • 关系： • （1） • （2） • （3） • （4）

4-5停留时间分布的数字特征 • 平推流： • 全混流： • 中间流：

4-6理想流型的停留时间分布 • 一、平推流：

4-6理想流型的停留时间分布 • 二、全混流：

第三节非理想流动模型 • 4-7 数学模型方法 • 利用返混程度的数学描述和反应动力学关系,对反应过程进行定量设计计算。 • 对几种典型的非理想流型，在理想流型基础上，作适当修正。

4-8轴向混合模型 • 描述非理想流动的主要模型之一。特别适用于返混程度不大的系统，如管式、塔式反应器。 • 要点： • ①径向浓度均匀 • ②轴向：流速、扩散系数相同 • ③浓度是流动距离的连续函数。 • 在平推流模型基础上，再迭加一个轴向混合的校正。 • 模型参数——轴向混合弥散系数Ez

4-8轴向混合模型 • 数学模型 • 式中， Peclet准数，表示轴向对流流动与轴向弥散流动的相对大小。 • 表示返混大小； • 时，无轴向混合（平推流型） • 时，轴向混合最大（全混流型）。

4-8轴向混合模型

4-8轴向混合模型 • Erf为误差函数： • * 当返混程度较小时，数学期望； • 方差由停留时间分布测定，进而求Pe,再求模型参数Ez。

4-9多级串联全混流模型 • 用m个等体积全混流模型来模拟实际反器，使总体积=实际反应器体积；模型参数为m • ，可见，m=1 时，全混流； • m→∞时，平推流。

第四节混合程度对反应结果的影响 • 不同的返混程度与不同的微观混合状态，其反应结果不同。本节讨论不同宏观混合程度下，微团尺寸上完全不混合、不完全混合过程的反应结果。

4-10停留时间分布对固相加工过程反应结果的影响4-10停留时间分布对固相加工过程反应结果的影响 • 宏观混合――返混――停留时间分布； • 微观状态――固体颗粒，不发生微观混合　　停留时间分布影响反应总结果。 • *　不同函数特征时，变量不均匀性的影响： • 对， • 对固相加工反应过程，颗粒停留时间分布对反应结果的影响，依赖于反应过程的特征，即反应结果与停留时间的关系。

4-11微观混合及对反应结果的影响 • 宏观混合——返混－停留时间分布； • 微观状态－液滴、气泡，微观混合→消除各滴浓度水平差异。 • 滴际混合：液滴间合并——再分散过程 • 滴际混合程度不同，情况不同：

4-11微观混合及对反应结果的影响 • 结论： • ①滴际混合和微团间混合状态，只有在返混存在情况下，才会对化学反应结果产生影响。 • ②滴际混合：对一级反应速率无影响；对大于一级反应速率不利；对小于一级反应速率有利。级数偏离一级愈远，影响愈大。 • ③转化率愈高，影响程度愈大。

第五节非理想流动反应器的计算 • 计算思路：借助某种非理想流动模型，通过实测的停留时间分布，求得模型参数，再计算反应结果。 • 4-12 轴向混合反应器的转化率 • 一级不可逆反应：计算公式：P144（4-71） • 非一级反应：无计算公式，数值解；二级反应：见曲线图

4-13多级串联全混流反应器的转化率 • 一级不可逆反应： • 串联级数：

第四章 反应器中的混合及 对反应的影响