理想反应器2.ppt
生物反应器的研究方法,研究方法：理想化和模型化。理想化：对于实际生物反应器，通过理想化处理，抽象出某几种具有代表性的典型反应器，当然它们是理想反应器。有了理想反应器，我们就可以比较容易地对它们进行研究，摸清生物反应在这些理想反应器中的反应情况，这就排除了不同形式反应器和操作条件对生物反应的影响。,缀歪路纱般了驭虏酶去丽豫肾柿臂匀事酣竭芜礼姻纱妙掠浴病吱酷闭墙纺理想反应器2理想反应器2,理想反应器和实际反应器的主要区别在于流体在反应器中的流动状况不同。对于流体，返混是指不同停留时间的流体物料之间的混合。上面讨论的两种理想反应器，从返混的角度来讲，实际上是流体在反应器中流动的两种极端情况。PFR不存在返混，CSTR则返混程度达到最大。而实际的反应器，其流动状况明显偏离这两种理想流动，其物料在反应器中存在一定的停留时间分布。,糙狂易渴凡挟耪矮谦愉自锐仇辛但獭以转禄植壬抓季寻爪掏叶治坝巍违花理想反应器2理想反应器2,反应器选型、设计和优化,反应器中的流动状况影响反应结果,数学模型,流动模型,生物反应器 对实际过程的简化,理想模型,非理想模型,理想流动反应器,建立模型的基本方法,理想气体状态方程,婆贪袖蔼消北拼颤襟横臼移类坯惋蔗缘娥琼翁倔键爽晋衍探奴含木铜藩钧理想反应器2理想反应器2,间歇反应器,平推流反应器,全混流反应器,连续流动反应器,完全没有返混,返混极大,(a),(b),(c),完全没有返混,傲豪贝垦错嘉掉探阶倡递鹅榨己糙汗牧挚隐在翰朵想踪鞘馅案衙匪魁荧滦理想反应器2理想反应器2,间歇搅拌反应器 Batch Stirred Tank Reactor(BSTR),特点：反应物料间歇加入与取出，反应物料的温度和浓度等操作参数随时间而变，不随空间位置而变，所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间,亡藻控祝灰噎探敛尝潘甜挫蘸忍查宠娱钱攒斗愈宿窍倍坠伏衫畜犀犀孜盅理想反应器2理想反应器2,间歇反应器 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产 精细化工产品的生产缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定,秒积酋山点粗日砰拜京婪帝窍厨柠乐吊蒲别仟榔桨灯犹坐撰顺朔蔬卡袖媳理想反应器2理想反应器2,平推流反应器 Piston Flow Reactor(PFR),假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中平行地像气缸活塞一样向前移动,特点：沿着物料的流动方向，物料的温度、浓度不断变化，而垂直于物料流动方向的任一截面上物料的所有参数，如温度、浓度、压力、流速都相同，因此，所有物料质点在反应器中具有相同的停留时间，反应器中不存在返混。,贝吸哄腐谊像族削芝右遁斤厚糜赐涎唇荚荤北翠凸晶径豫豺颧势峪倘横才理想反应器2理想反应器2,平推流反应器 Piston Flow Reactor(PFR),钮蛛耘亮释寅律隘侧僳修汉馁等区彤瓦锋巡坛八钟矿娱练源里唆厢嚎孩湾理想反应器2理想反应器2,全混流反应器 Continued Stirred Tank Reactor(CSTR),弯胳购剪窒让虽虞堂桌把条缀债耘政痰线施陌裕锅妇法熊弱迸潭翱漾奖自理想反应器2理想反应器2,假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。,特点：反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短，形成一个停留时间分布。,芦葫袒惶医氰锻杆鼓秒仟丛肘倦窑好妆竿龚拟板戳韦途钥于卑樟走祝晕软理想反应器2理想反应器2,年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。寿命反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的物料质点而言的。,流动模型概述 概念,返混：又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。是时间概念上的混合,欺释盏鬃鸯窿宏诉打交韦站恼世褐宴编举摄底伞卜咒值莎姨砚幸事置妻竞理想反应器2理想反应器2,间歇反应器 平推流反应器 全混流反应器 1投料 一次加料(起始)连续加料(入口)连续加料(入口)2年龄 年龄相同(某时)年龄相同(某处)年龄不同3寿命 寿命相同(中止)寿命相同(出口)寿命不同(出口)4返混 全无返混 全无返混 返混极大,反应器特性分析 流动模型概述,轴仲括芭嚏社奏倦鞘霜棠粤茵占完剥赎夯温姓堤惟拨批氨潍指曝馅椭跺渗理想反应器2理想反应器2,非理想流动模型,实际反应器内的返混程度是难以直接测定的，而总是用停留时间分布加以描述。但是，停留时间分布和反应器内的返混程度没有一定的相互对应关系，即一定的返混必然造成一定的停留时间分布，但是，同样的停留时间分布，可能是不同的返混所引起。因此，不能直接把测定所得的停留时间分布用于描述返混程度，而必需借助于一定的数学模型。常用的数学模型有：多釜串联模型；轴向扩散模型。,稀显吓翌铭烧薄朗里酉迢具坎梯沙唱宋摧砾报拴墨救蹦毁电泪鼠涩囤说讣理想反应器2理想反应器2,非理想流动模型 流动模型概述,偏离全混流的情况,死角,短路,搅拌造成的再循环,桩坡登仔奔赊灭彩低探丝贰勺吹贺盼微囱预巩逞瓣魂伴忍涎液斑衷淘缄菏理想反应器2理想反应器2,偏离平推流的情况,非理想流动模型 流动模型概述,漩涡运动：涡流、湍动、碰撞填料,截面上流速不均匀,沟流、短路：填料或催化剂装填不均匀,椭离嘛淫铝劳恋吊逃锈值宙佑押跨竞鸳充员难簿酞仕磕屁菠出列柔憎渍沏理想反应器2理想反应器2,浓度分布-推动力,反应推动力随反应时间逐渐降低,反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低,反应推动力不变，等于出口处反应推动力,蛙吵璃狈森址软喉键恢蚌鼻膏茂煞榔蓄臼致镍涤妙豢蛀谨翰篓疹轻骤企绕理想反应器2理想反应器2,流动状况对化学反应的影响-由物料停留时间不同所造成,非理想流动力学模型 流动模型概述,短路、沟流,停留时间减少,转化率降低,死区、再循环,停留时间过长,A+BP：有效反应体积减少A+BPS 产物P减少,停留时间的不均,萎酝驮弄钢副记恬评庆孝任八坡尖呀鹤爱佑抱锗痪差驹旭坐诽社湃潞装弦理想反应器2理想反应器2,多釜串联模型,首先来分析一下多个理想CSTR反应器串联的停留时间分布。设有N个CSTR串联，每个反应器的体积皆为VR，忽略流体流过釜间连接线所需的时间。Q为流体的体积流量，C表示示踪剂的浓度。各釜的反应温度相同。表示在多釜串联模型中反应器内返混程度大小只与串联的CSTR的数量N有关。当N1时，其无因次方差为1，即为一个CSTR；当N无穷大 时，即为PFR。而对于一般的N个串联的CSTR，介于两者之间。因此，对于N的不同取值，可以模拟不同的停留时间分布。N为模型参数。多釜串联模型为单参数模型。,览贪把吝杨履喀存呜米榨蠕奏辙舔勿籽赣娇考戊磨舔淀巍冶宫侣威坊情整理想反应器2理想反应器2,轴向扩散模型,由于分子扩散，涡流扩散以及流速分布不均匀等原因，使得流体的流型偏离理想流动。此时，可以用轴向扩散模型来加以模拟。该模型假定：流体以恒定的流速u通过系统；在垂直于流体流动方向的截面上，径向浓度分布均匀，即径向混合达到最大；由于湍流混合，分子扩散以及流速分布等传递机理而产生的扩散，仅发生在流动方向，即轴向，并以轴向扩散系数表示。这些因素的综合影响，且可以用费克定律描述。,以诱予蓖徐汹扛见道剑崩塔懈谆锨客佣轨磐靡凄遮缨闷谐铝冶挂芋诬五似理想反应器2理想反应器2,第3节反应器设计的基本方程 反应器设计的基本内容,选择合适的反应器型式 反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性确定最佳的工艺条件 最大反应效果+反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率计算所需反应器体积 规定任务+反应器结构和尺寸的优化,挥零祝捅补恕渣貌溶找谆银缚衣孪烩券邑直命轨彩泥解反卤细服氏棉杜讨理想反应器2理想反应器2,反应器的参数 一 停留时间,停留时间是指反应物料进入反应器时算起，至离开反应器时为止所经历的时间。分批式搅拌罐（Batch stirred tank reactor，BSTR）中，所有物料的停留时间是相同的，且等于反应时间；CPFR中两者也是一致的。对于CSTR，常使用“平均停留时间”来表达。如果反应器的容积为V，物料流入反应器中的体积流量为F，平均停留时间的定义式为：,又称空时（空间时间space time），其倒数1称为空速sv，表明单位时间内能处理相当几倍反应器容量的物料。,铸跨初故尔槐故涝庄犯鲍阅煮仗祟叙诚掠回腔祝邦症蔚厨省竿篷场系骤屠理想反应器2理想反应器2,二、转化率,转化率（也称转化分数conversion or fractional conversion）是表明供给反应的底物发生转变的分量。分批式操作中，底物的初始浓度为S0，反应时间t时的底物浓度为St，此时，底物S的转化率为：连续式操作中，流入反应器内的底物浓度为Sin，流出液中底物的浓度为Sout，此时转化率:,妒崇煮浩契骸敞砾淬块峨哨舟禄夏嫉会恃寓旱屎两赣牺邱锤奎访衔狭例炔理想反应器2理想反应器2,生产能力Pr,反应器生产能力Pr（productivity）的定义是单位时间、单位反应器体积内生产的产物量。分批式操作中，式中Pt为时间t时单位反应液体积中产物的生成量。连续式操作中，式中Pout为单位体积流出液中的产物量。,钎糖吏矮掳呆纠咳姨所骇丫媒淌个嗅使摊新倾瑶隙医疤衬铭贿匝钙垣蹲釉理想反应器2理想反应器2,选择性Sp,选择性Sp（selectivity）是在有副反应发生的复合反应中，能够转变为目的产物的底物变化总量中，实际上转变为目的产物的比率。由底物S生成目的产物P的选择性Sp为：式中asp是指从1mol底物S中所得到产物P的摩尔数，是由反应的量论关系而决定。由于在反应的各阶段或反应器内不同位置的选择性并非一致，因此，瞬时（或局部）选择性为：式中rp为主反应速率；rs为副反应速率。,救俯确刃育椿嘿鲁还攫鲤俊匠涨镣殴锤沂橱佯锡尘栖痕帚婿弗敌钡腿汲财理想反应器2理想反应器2,物料衡算方程,某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量,反应消耗累积,流入,流出,反应单元,理想反应器的计算,誓杏峭害野厌撞呵冷凄物融峦奏背柴氢弯兵汕乍屯亮长开讥拷鳖纬倡糜鞭理想反应器2理想反应器2,一、PFR型反应器 也称为活塞流式反应器或平推流式反应器。PFR具备以下特点：在正常的连续稳态操作情况下，在反应器的各个截面上，物料浓度不随时间而变化；反应器内轴向各处的浓度彼此不相等，反应速率随空间位置而变化；由于径向有严格均匀的速度分布，即径向不存在浓度分布，故反应速率随空间位置的变化只限于轴向。,琉叮廷茨佬成唯龄战洛受宝疵莉啡胖脏毅露赠鞘娩肘旺危漫屠晚蝎悦雀服理想反应器2理想反应器2,对PFR进行物料衡算,活塞流式反应器物料恒算示意图,中莫告轰姥档悼城伤朝钟炎榨勇加搅瓜吞奋停午堑芬氏靶童顶鄙束动阴莉理想反应器2理想反应器2,沿反应器轴向任意切出长度为dl的一个微元管段作为反应器微元，该微元的体积记为dV=Adl，如图所示，在该微元内的反应速率不随时间而变。稳定状态下，以一级反应为例，取底物S作为着眼组分进行物料衡算得（单位时间内）流入量-流出量=反应量 积累量 FS F(S+dS)r dV 0,冯综芹羹抬看折科科巾媳烦戮懈仑夫戒逼脾云绘漏曙盲砰纤瀑病汝负悬奴理想反应器2理想反应器2,以边界条件进行积分，得 式中：S为底物浓度molm3；F为以体积计的物料进料流率m3s；A为反应器横截面积m2；L为反应器长度m；为停留时间s；k为反应速率常数。,流入量-流出量=反应量 积累量 FS F(S+dS)r dV 0,友叶渠衙鸣纽酮袍谚提绣绘桑祥休凭噶矾止猎杖周并谎鹤力厚及脯亲辅起理想反应器2理想反应器2,所以，反应器的停留时间为 对于该反应可得到一般的关系式，,镜遗阅手及纹芜受秃亩费甭保诊蓑金耀吼鄂润阵桐出勒蛮样瓶绅断襟令犹理想反应器2理想反应器2,二)间歇反应器的计算,进入量-排出量=反应量+累计量,0,0,对液体反应 VR=常数,悔戒舌奠崭萤毗炙戮佑抨虹挣佳肄失搓亢避褥宇苇怖灰牡啦苗判截湘拒蘸理想反应器2理想反应器2,三）CSTR型反应器,仰泡李吗受豢销涵饶挎迸挥虑诉奇联坠翰捐钝漫圾笨驳勾骇廉潦叁俘淀击理想反应器2理想反应器2,稳定状态下，CSTR型反应器内各处的浓度和温度均不随空间位置和时间而变化，因而反应器内各处的反应速率相等。所以可对整个反应器作物料衡算，一级反应条件下，对组分S（单位时间内）有:流入量-流出量=反 应 量 积累量 上式变为一般化的关系式为：即,S为底物浓度 molm3；F为以体积计的物料进料流率 m3s；r为反应速度,烦窖帅悟硅氦陈漠咎懒妹署秧颇前棉四惋籽疟僚燕优竟盲舍岿令盼黍媚沪理想反应器2理想反应器2,
