反应工程(真的很有不用).

1本章内容1停留时间分布2停留时间分布的实验测定3停留时间分布的统计特征值4理想反应器的停留时间分布5非理想流动现象6非理想流动模型和非理想反应器的计算7流动反应器中流体的混合第五章停留时间分布与反应器的流动模型2u沟流回流存在速度分布DeadzoneShortcircuiting形成停留时间分布可能的原因?5.1停留时间分布（RTD）强制对流非正常流动3停留时间分布的分类?年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间（仍留在反应器中的物料质点）。寿命反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间（已经离开反应器的物料质点）。停留时间分布一般指的是寿命分布。5.1停留时间分布（RTD）45.1.2停留时间分布的定量描述5.1停留时间分布（RTD）(1)停留时间分布的密度函数E(t)(2)停留时间分布函数F(t)5停留时间分布的定量描述例：在连续操作的反应器内，如果在某一瞬间（t=0）极快地向入口物流中加入100个红色粒子，同时在系统的出口处记下不同时间间隔流出的红色粒子数，结果如下表。停留时间范围t→t+△t0-22-33-44-55-66-77-88-99-1010-1111-1212-14出口流中的红色粒子数02612182217126410分率△N/N00.020.060.120.180.220.170.120.060.040.010料量时瞬间进入反应器的物的物料量停留时间为0ttttNN6以时间t为横坐标，出口流中红色粒子数为纵坐标，作图。tEttdttEdtt7定义：在定常态的连续流动系统中，相对于某瞬间t=0的流入反应器的流体，在反应器出口的流体质点中在器内停留了t与t+dt之间的流体的质点所占的分率记为E(t)dt。01)(dttEtEttdttEdttE(t)的性质：停留时间分布的密度函数E(t)E(t)=0（t＜0）E(t)≥0（t≥0）8其定义为：在定常态的连续流动系统中，相对于某瞬间t=0的流入反应器的流体，在反应器出口的流体质点中在器内停留时间少于t的质点所占的分率。F(t)的性质：停留时间分布函数F(t)tdttEtF0)()(9tdttEtF0)()(dttdFtE)()(或t)(tE1t)(1tE)(1tFt)(tF11t)()(tEdttdFt1)(FE(t)与F(t)的关系10平均停留时间t令：无因次时间:tt()()dtEdEtdtdttEtE停留时间分布函数的无因次化tFF0)d()EF（11图5.2示踪剂输入法5.2停留时间分布的实验测定12脉冲示踪法示踪剂脉冲注入示踪剂检测ACA(t)主流体QQCA(t)δ(t)CA(t)t=0t0t系统VR脉冲法测定停留时间分布示意图特点：在定常态操作的系统瞬间加入一定量的示踪剂。响应曲线13设加入示踪剂A的量为m。()()QctdtmEtdt0()mQctdt0()()()()QctctEtmctdt由响应曲线计算停留时间分布曲线14复习上节课主要内容1.停留时间分布密度函数E(t)2.停留时间分布函数F(t)tdttEtF0)()(ttFtEd)(d)(3.脉冲法15图5.2示踪剂输入法5.2停留时间分布的实验测定16例5-1流化床催化裂化装置中的再生器，其作用系用空气燃烧硅铝催化剂上的积炭使之再生。进入再生器的空气流量为0.84kmol/s。现用氦气作示踪剂，采用脉冲法测定气体在再生器中的停留时间分布，氦的注入量为8.8410-3kmol。测得再生器出口气体中氦的浓度c（用氦与其他气体的摩尔比表示）和时间的关系如下：试求t=35s时的停留时间分布密度和停留时间分布函数。mtQctE)()(解：1735035FEtdt脉冲法直接求得E(t),间接求F(t)18阶跃示踪法输入函数19在切换成第二流体后的t-dt～t时间间隔，示踪剂流入系统量为QC()dt，示踪剂流出系统量为QC(t)dt，可得:升阶法：20对示踪剂的要求：1)与主流体物性相近；2)示踪剂守恒（不参与反应，不挥发，不被吸附等），进入多少，出来多少；3)易于检测，包括可以转变为其他信号的特点。4)高低浓度均易检测，以减少示踪剂的用量；21脉冲法和升阶法的比较脉冲法升阶法示踪剂注入方法瞬间加入，较困难将原有流股换成流量与其相同的示踪剂流股，易于实现E(t)可直接测得F(t)可直接测得000()()()()ttCtdtFtEtdtCtdt0()()()ctEtctdt22)(tEt面积重心平均停留时间000()()()tEtdtttEtdtEtdt5.3停留时间分布函数的统计特征值数学期望23222220000()()()()()()tttEtdtttEtdttEtdttEtdt方差越小，越接近活塞流。5.3停留时间分布函数的统计特征值方差方差是停留时间分布离散程度的量度。活塞流，方差为零。2422t2t无因次方差2t2102全混流活塞流一般实际流况12022t5.3停留时间分布函数的统计特征值25024681012141618202224014798521.510.60.20t/min3//mgtcA试计算平均停留时间及方差。5.3脉冲法测得的停留时间分布265.4.1活塞流模型E(t)F(t)1.0tt0tt活塞流反应器的停留时间分布函数为：tttttEtE)(0)(tttttF10)(022t5.4理想反应器的停留时间分布275.4.2全混流模型有效体积为VR、进料体积流量为Q0的全混流反应器，若在某一瞬间t=0，将流体切换成流量相同的含有示踪剂A的流体，同时检测流出物料中示踪剂A浓度变化。5.4理想反应器的停留时间分布285.4.2全混流模型QCQCVdtdCR0/10tCCe物料衡算方程:eEetEeFetFtt)()(1)(1)(/1/eEetEeFetFtt)()(1)(1)(/1/eEetEeFetFtt)()(1)(1)(/1/29含示踪剂流体CA0Q0流体检测CA(t)Q0E(t)F(t)1.01t0tt0tt•图5.2-2全混流的停留时间分布30从停留时间分布角度讨论活塞流与全混流反应器？632.011etFeEetEeFetFtt)()(1)(1)(/1/对于全混流反应器，停留时间小于平均停留时间的流体粒子占全部流体的分率为：3112返混程度达到最大时，停留时间分布的无因次方差12活塞流时方差02实际反应器停留时间分布的方差应介于0～1之间，值越大则停留时间分布越分散。22tt5.4.2全混流模型方差32思考：流体在圆管内作层流流动时的停留时间分布？在管出口的流体质点在管内的停留时间t？2max1RruLuLtmax0.5LLtuu平均停留时间？流体粒子最小停留时间？22maxmintuLt33思考：流体在圆管内作层流流动时的停留时间分布？容积流量整个管截面在出口处的口处）截面内的容积流量（出rtF~0RrrudrrudrtF0022rdrRrrdrRrRr0202112211Rr2max1uu2max1Rruu37上节内容活塞流模型全混流模型eEetEeFetFtt)()(1)(1)(/1/eEetEeFetFtt)()(1)(1)(/1/eEetEeFetFtt)()(1)(1)(/1/1222tttttttEtE)(0)(tttttF10)(022t实际反应器：10238停留时间分布?实际反应器偏离理想流动的原因？滞留区(死区)5.5非理想流动现象沟流与短路循环流流体流速分布不均匀扩散39DeadzoneShortcircuiting滞留区(死区)指反应器中流体流动慢至几乎不流动的区域。主要产生于设备的死角中。2-1-0.40.81.21.62.00E(θ)θ固定床停留时间分布密度函数曲线出现严重拖尾0/QVtR40DeadzoneShortcircuiting短路：流体在设备内的停留时间极短。沟流：部分流体快速低阻力通过低阻力通道。tE(t)tE(t)沟流与短路时的E(t)曲线（a）沟流，（b）短路0/QVtR41循环流tE(t)存在循环流时的E（t）曲线特征：停留时间分布密度函数曲线存在多峰。42流体流速分布不均匀0.20.40.60.81.01.21.4OE(θ)θ层流反应器的停留时间分布扩散由于分子扩散及涡流扩散的存在而造成了流体微元间的混合，使停留时间分布偏离理想流动状况。435.6非理想流动模型1.离析流模型2.多釜串联模型3.轴向扩散模型停留时间分布曲线44模型陈述：流体微元间没有微观混合，看做一个小的间歇反应器，或由不同长度管式反应器并联组成。0()()AACCtEtdt一、离析流模型0()()AAxxtEtdt离析流模型方程积分上限：完全反应（CA=0）的时间。45例：等温下在反应体积为4.55m3的流动反应器内进行液相反应：PRA2该反应为二级反应，min/104.233molmkmin,/5.03mQo30/6.1mkmolcA停留时间分布为：t/min024681012141618202224CA(t)014798521.510.60.20试计算离析流模型反应器出口处A的转化率.46解：dtdcrAA积分：AAcctAAkdtcdc002得：tkcctcAAA0012Akc1.cA与t的关系472.离析流0dttEtccAAtkcctcAAA0010dttctctE)4......2424[3)(1432100nnxxfffffffhdxxfnnxxhn/)(00001dttEtkcccAAA3/05447.0mkmolt024681012141618202224C(t)E(t)C(t)×E(t)966.000AAAAcccx480QVR001AAAkccc00AAAAcccxmin11.95.055.43/04374.0mkmol9728.03.活塞流两者结果相近。49二、多釜串联模型1.模型假定条件：①每一级内为全混流；②釜间无返混；③各釜体积相同模型陈述：实际反应器的流动状况可以用N个串联的同体积全混反应器来描述，串联的釜数N为模型参数。全混釜：N=1；活塞流：N=∞。502.多釜串联模型的停留时间分布设反应器总体积为VR，并假想由N个体积相等的全混釜串联组成，釜间无任何返混。对系统施加阶跃示踪剂A后，作示踪剂的物料衡算:C1C2Q0CNQ0Q0Q0C0CN-1V1V2VN多釜串联模型51对第p釜作物料衡算：010ppprdCtQCtQCtVdt11pppdCtCtCtdt或P=1:1011dCtCtCtdt1/01tCteCP=2:2121dCtCtCtdt2/011tCtteC利用数学归纳法可得第N个釜的结果为：1/10/11!pNtnpeCFCtttp52