3.1-3.2非理想反应器解析.ppt

第三章 非理想流动反应器 3.1 概述 3.2 流体在反应器内的停留时间 3.3 非理想流动模型 3.1 概述 3.1.1 返混 原来在反应器不同位置的物料在同一时间进入反应器，发生的混合作用 如果原来在不同位置的物料是在不同时间进入反应器的，由于反应时间不同，因此物料的浓度是不同的，两者混合后混合物的浓度与原物料的浓度不同，这种混合过程称为返混。 3.2 流体在反应器内的停留时间分布 停留时间规律→定量确定返混程度。 由于物料在反应器内停留时间是一个随机过程，用概率描述，即二个函数及二个特征值予以描述 概率函数+概率密度函数 数学期望+方差 3.2.1 停留时间分布函数F(t) 当物料以稳定的流量流入反应器而不发生化学变化时，在流出物料中停留时间小于t物料占总流出物的分率： F(t)为时间t的停留时间分布概率；Nt为停留时间小于t的物料量；N∞为流出物料的总量。 停留时间分布密度函数E(t) 则存在 及 平均停留时间 平均停留时间，即数学期望 。变量（时间t）对坐标原点的一次矩。 散度（方差） 散度，即方差 。 变量（时间t）对数学期望的二次矩。 为了运算方便，可改换成如下形式： 3.2.2停留时间分布规律的实验测定 示踪法，进口处给系统输入一个讯号（激励），然后在反应器的物料出口处测定输出讯号（响应）的变化。 根据输入讯号的方式及讯号变化的规律来确定物料在反应器内的停留时间分布规律。 示踪剂应满足以下要求： ①示踪剂与原料互溶，无化学反应发生； ②对主流体的流动形态没有影响； ③能用简便、精确的方法加以确定的物质； ④无毒、不燃、无腐蚀、价格较低 阶跃输入法 示踪剂浓度从一种稳态到另一种稳态的阶跃变化。不含或含低浓度的示踪剂，从某一时间起，全部切换为示踪物（或提高示踪物浓度）并保持不变，使进料中示踪物的浓度有一个阶跃式突变。 进口物料以体积流量V送入反应器，在时间为t时，出料的示踪剂总量应该是VC 可得 如果阶跃输入前进口物流中不含示踪剂，即 ，上式可以写成： 有了t-c值，即可绘出F(t)-t曲线和E(t)-t曲线，并求出特征值 和 。 例3-1 测定某一反应器停留时间分布规律，采用阶跃示踪法，输入的示踪剂浓度c0=7.7kg·m-3，在出口处测定响应曲线如表所示。 求在此条件下F(t)，E(t)及 与 值。 解：本实验测定的数据并非连续曲线而是离散型的。则F(t)，E(t)， ， 的计算式如下： 具体计算结果如表 脉冲输入法 在尽可能短的时间内(Δt→0)把示踪物注入到进口流中，后立刻又恢复原来的进料。 因为示踪剂是同一时间进入反应器的，因此停留时间小于t的示踪剂量应该是： 脉冲输入法 示踪剂的总量显然是： 平均停留时间与散度可按下式计算： 散度 例3.2在稳定操作的连续搅拌式形反应器的进料中脉冲注入染料液(m∞=50g)，测出出口液中示踪剂浓度随时间变化关系如表所示。 请确定系统的F(t)，E(t)曲线及 ， 值。 解：本实验采用脉冲示踪法，测定的时间间隔相同(Δt=120s)，计算式为： 计算值如表所示。 3.2.3 用对比时间表示停留时间分布 目的：将停留时间分布无因次化。 对比时间： 换算：将所有关系式中t用τθ替换。 理想反应器的停留时间分布 1、PFR 理想反应器的停留时间分布 脉冲示踪 示踪只是显示停留时间分布规律，规律不随示踪方法而变。 全混釜式反应器的停留时间分布 2、全混流反应器 采用阶跃示踪法测定停留时间分布 在t时刻对示踪剂做物料衡算： 解上述方程 两种理想反应器停留时间分布对照 两种理想反应器停留时间分布对照 用来判断反应器内的流型，并判断其偏离理想流动的程度。 停留时间分布函数 停留时间分布密度函数 平均停留时间 散度 t t=0 F(t) 1 激励曲线 t t = F(t) 1 响应曲线 平移 t=0 t F(t) 1 激励曲线 t t = F(t) 1 响应曲线 t t=0 E(t) 激励曲线 t t= E(t) 响应曲线 * 简单混合： 返混： 物料同时进入（t、c、r一致）——简单混合 t1物料和t2物料混合（t、c、r不一致）——返混 PFR BR CSTR 非理想流动反应器 返混 完全不返混 充分返混 部分返混 cA0 cA A B tA tB t、c、r完全一致 3.1.3 按返混程度对反应器的分类 激励 响应 t 入口 出口：检测到流出反应器中的物料 t=0 F(t) t 阶跃输入