第五章停留时间分布与反应器的流动模型课程.ppt

第五章 停留时间分布与 反应器的流动模型 ①停留时间分布的概念 ②理想流动反应器的停留时间分布 ③非理想流动反应器的停留时间分布 ④实际反应器的设计计算 ⑤流动反应器流体的混合 对于间歇反应器，问题比较简单，因为反应物料是 一次装入，所以在任何时刻下反应器内所有物料在 其中的停留时间都是一样的。不存在停留时间分布 问题。 对于流动反应器，由于流体连续不断的流入系统而 又连续从系统流出，流体在系统中流速分布不均匀 流体的分子扩散和湍流扩散、搅拌而引起的强烈对 流以及设备安装不良而产生死区、沟流、短路等原 因，流体粒子在系统中停留时间有长有短，有些很 快就离开了系统，有的则经历很长的一段时间后才 离开，从而形成了一个停留时间分布。 停留时间的长短直接影响到反应率（即影响到反应 进行的程度）。时间越长，反应进行的越完全，粒 子在出口时反应率就高，可见研究反应物料在反应 器内的停留时间问题具有十分重要的意义。 在第3 章中讨论了两种不同类型的流动反应器 全混流反应器和活塞流反应器。 在相同的情况下，两者的操作效果有很大的差别， 原因是由于反应物料在反应器内的流动状况不同， 即停留时间分布不同。 我们在本章对此作进一步讨论，阐述流动系统的停 留时间分布的定量描述及其实验测定方法。 5.1停留时间分布 一、停留时间的表示方法 物料粒子的年龄与寿命 连续反应器内，物料中各个粒子的逗留时间 可能并不相同，为了说明逗留时间的长短， 通常采用两种表示，年龄与寿命 年龄：指存留在器内的粒子，在器内已经逗 留了的时间 寿命：指粒子从进入反应器算起，到粒子离 开反应器，粒子总共在反应器内逗留的时间 二者的区别 年龄是对仍然停留在设备内的粒子而言。寿命则 对已经离开反应器的粒子而言。所以说寿命也可 以说是反应器出口处物料粒子的年龄。因为物料 的最终转化率取决于在器内实际停留时间的长短 也即是寿命，而不是年龄，实际测到的而应用价 值又较大的是寿命分布，所以讨论停留时间的分 布将着重讨论粒子的寿命分布。 由于物料在反应器内的停留时间分布完全是随机 的，因此可以根据概率分布的概念对物料在反应 器内的停留时间分布作定性的描述。 二、停留时间分布函数及分布密度 1.停留时间分布密度函数E t 定义 定义：在稳定连续流动系统中，同时进入 反应器的N个流体粒子中，其停留时间为 t～t+dt的那部分粒子占总粒子数N的分率 记作： E t 被称为停留时间分布密度函数。 2.停留时间分布函数F t 定义 定义：在稳定连续流动系统中，同时进入反应器 的N个流体粒子中，其停留时间小于t的那部分粒 子占总粒子数N的分率记作： F t 被称为停留时间分 布函数，无因次量。也 可以说停留时间是介于 0-t之间的物料百分率。 由于流经反应器的物料其停留时间不可能为 0，所以 t 0，F t 0 t 0~τ，F t 0~1 同样，物料也不可能在设备内停留时间无限 长 t→∞，F t 1 停留时间无限长，所有粒子都出来了，则 F t 1，概率 1 在某种情况下，要讨论年龄分布函数和年龄分布 密度 年龄分布函数G t ,年龄分布密度I t 年龄小于t的粒子所占的分率为年龄分布函数G t , 年龄在t~t+dt之间的粒子所占的分率为I t dt 三、停留时间分布的实验测定 停留时间分布通常由实验测定，主要采用的方法是 示踪响应法，即应答技术。通过用示踪剂来跟踪流 体在系统内测定停留时间。用一定的方法将示踪物 加到反应器进口，然后在出口物料中检验示踪物信 号以获得示踪物在反应器中逗留时间分布规律的实 验数据。 可以用的示踪物很多，利用其光学、电学、化学的 或放射性的特点，配合其测试装置，进行检测。 例如：最直观的方法是在物料中加入少量有色颜 料，然后用光电比色仪测定流出液颜色的变化。 采用哪种示踪物，要根据物料的物态 气、液、固 相系（均相还是非均相）以及反应器的类型（固定 床、流化床）等情况而定。 对加入的示踪物有以下要求： 1.不与主流体发生反应； 2.示踪剂浓度与要检测的物理量的关系应有较宽的 线性范围； 3.用于多相系统的示踪剂不发生从一相转移到另一 相的情况； 4.示踪剂本身易于和主流体溶为 混为 一体； 5.示踪剂浓度很低时也能够容易进行检测； 6.示踪剂本身应具有或易于转变为电信号或光信号 的特点。 示踪物输入的方法很多，如阶跃注入法、脉冲注入 法及周期输入法等。前两者方法简便易行，应用广 泛，现分别讨论。 1.阶跃法 首先观察一个简单的实验 假定某一无色液体A以稳定的流率通过一个反应器 当流动达到稳态之后，在t 0的瞬间连续加入另一种 红色液体B，从加入的瞬间开始，观察现象，并测 定出口处液体组成。（如水中加