[工学]5 停留时间分布与反应器的流动模型.ppt

第五章 停留时间分布与反应器流动模型 重点掌握： 停留时间分布的实验测定方法和数据处理。 理想反应器停留时间分布的数学表达式。 返混的概念。 非理想流动模型（离析流模型、多釜串联模型和扩散模型）的模型假定与数学模型建立的基本思路，模型参数的确定。 利用扩散模型和多釜串联模型的反应器计算。 深入理解： 停留时间分布的概念和数学描述方法。 停留时间分布的数字特征和物理意义。 广泛了解： 流动反应器中的微观混合与宏观混合及其对反应器性能的影响 5.1 停留时间分布 1.停留时间及其分布 ： 间歇系统：不存在RTD； 流动系统：存在RTD问题 2.可能的原因有： 不均匀的流速（或流速分布） 强制对流 非正常流动-死区、沟流和短路等 3.流动状况对反应的影响 釜式和管式反应器中流体的流动状况明显不同，通过前面对釜式和管式反应器的学习，可以发现： 对于单一反应，反应器出口的转化率与器内的流动状况有关； 对于复合反应，反应器出口目的产物的分布与流动状况有关。 5.1.2寿命分布和年龄分布 区别在于：前者指反应器出口流出流体的年龄分布，而后者是反应器中流体的年龄分布。 5.1.3系统分类 　　系统有闭式系统和开式系统之分。闭式系统具有闭式边界，即进口和出口没有返混。反之，则为开式边界。 5.1.4 RTD的应用 对已有设备的RTD诊断，发现可能的问题； 设备的设计与分析，建立适当的数学模型。 将示踪颗粒（比如带颜色的小球等）一同加入流动系统中，假定流体微团和失踪颗粒性质相同，这样示踪物的停留时间分布即可认为是研究流体的停留时间分布。在设备出口观察示踪颗粒在设备中的停留时间，比如得到了下图所示的分布图。那么，在时间 内流出的失踪物占总示踪物的百分数为 停留时间分布密度，单位是（时间）-1。 停留时间分布密度具有如下的特性： 这是因为 和 时间间隔内流体流出设备的分率是一回事。 另外，还有 5.2 停留时间分布的实验测定 5.2.1 一般方法介绍 　常见的示踪响应法包括：脉冲、阶跃和周期方法等等。 5.2.2 脉冲法 这样最后得到： 阶跃法有升跃法和降跃法之分，如下图所示。 不与研究的流体发生化学反应； 易溶于流体中； 其浓度低时容易检测； 其浓度与待检测的物理量成线性关系； 对于多相系统，示踪剂不发生从一个相到另一 个相的转移（即不挥发到另一相或不被另一相吸等）。 5.3 统计特征值分析 －统计量对原点的一阶矩，定义为： 统计量的物理意义 数学期望：代表均值（统计量的平均值），这里是 平均停留时间。 方差：代表统计量的分散程度，这里是停留时间对 均值的偏离程度。 5.4 理想流动模型 5.4.1 活塞流模型 活塞流的停留时间分布密度为： 使用阶跃法建立全混流的流动模型，如果所示，将全釜作为控制体，对示踪剂作物料衡算，有： 全混流的E(t)和F(t)图示 5.5 非理想流动模型 下面是常见的几种非理想流动模型。 其中CA(t)由反应动力学决定，而E(t)由RTD确定。 实际反应器的流动状况可以用多个串联的同体积全混反应器来描述，串联的釜数N就是模型参数。对于两种理想的反应器，其模型参数分别为:全混釜：N=1；活塞流：N= ∞；而对于实际反应器：1≤ N ≤ ∞ 。 其中， ，为单一釜的平均停留时间 由此推导出：  如果用系统的平均停留时间来表示，即 多釜串系统的停留时间分布函数和分布密度随釜数的变化关系如图5-17所示，全混流和活塞流是两种极端情况，其余的情况均介于两者之间。 模型参数的估算可以使用矩法，多釜串联系统的均值和方差分别为： 方差随釜数的变化情况如图5-18所示，全混流和活塞流是两种极端情况，其余均介于两者之间。 多釜串联模型的实际应用 若此时进行一级不可逆反应，则： 具有死区的全混流模型 具有短路流的平推流模型 具有短路流的全混流模型 全混流与平推流串联模型 全混流与平推流、短路流并联模型 5.6 非理想反应器的计算 到目前为止，我们已经学习过的非理想流动模型有： (1)离析流模型;(2)多釜串模型;(3)扩散模型。对于离析流模型，只要知道反应器的停留时间分布和反应动力学方程，就可以直接利用离析流公式进行求解。对于多釜串模型,只要模型参数N和反应动