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1、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。,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
2、物料在反应器中存在一定的停留时间分布。,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,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,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,间歇反应器 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度
3、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,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
4、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。,平推流反应器 Piston Flow Reactor(PFR),全混流反应器 Continued Stirred Tank Reactor(CSTR),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。,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
5、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,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,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
6、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。,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,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,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,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
7、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,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。
8、N为模型参数。多釜串联模型为单参数模型。,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。,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
9、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,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。,二、转化率,转化率
10、（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:,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。,选择性Sp,选择性Sp（selectivity）是在有副反应发生的复合反
11、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。,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,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
12、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。,对PFR进行物料衡算,活塞流式反应器物料恒算示意图,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,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,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，,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,三）CSTR型反应器,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,
