化学反应工程-第4章.

1第四章非理想流动2本章要解决的问题：1.阐明流动系统的停留时间分布的定量描述及其实验测定方法；2.建立非理想流动模型；3.在所建立模型的基础上，说明该类反应器的性能和设计计算；4.介绍有关流动反应器内流体混合问题，阐明几个基本概念。34.1反应器中的返混现象与停留时间分布理想流动模型1、平推流模型基本假设：物料质点沿同一方向以同一流速流动。基本特征：参数在同一径向上相同，所有物料质点在反应器中的停留时间都相同，反应器内无返混。0Z/2Z42、全混流模型基本假设：加入反应器的物料能在瞬间与存留物料混合。基本特征：反应器内各处参数均相同，且等于出口物料参数，各物料颗粒在反应器内具有一定的停留时间分布，返混最大。全混流反应器CA0Q0FA0Q0T0FAQTTC,outGGTC,inVrTCAT05在实际的工业装置中由于物料在反应器内的流动速率不均匀、或因内部构件的影响造成物料出现与主体流动方向相反的逆向流动、死角等都会导致偏离理想流动。本章将定量地对非理想流动进行讨论，并考察这些非理想流动对反应器性能的影响。实际的工业装置对于所有偏离平推流和全混流的流动模式统称为非理想流动。64.1.1非理想流动与停留时间分布一、偏离理想流动的模型1、对平推流的偏离：不是均匀速度，发生涡流存在径向流速分布催化剂填充不均匀2、对全混留的偏离：搅拌不良，停留时间不同进出口管线设置不好引起短路产生死角7由于物料在反应器内的停留时间分布是完全随机的，因此可根据概率分布的概念来对物料在反应器内的停留分布做定量的描述。二、停留时间分布8()dNEtdtN0()1Etdt1.停留时间分布密度函数定义：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dN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。停留时间分布密度函数具有归一化的性质：90()tdNFtN2.停留时间分布函数定义：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。100(0)0;tF0()()1.0tFEtdt()()dFtEtdt00()()ttdNFtEtdtN3.E(t)和F(t)之间的关系分布函数是密度函数的可变上限积分密度函数是分布函数的一阶导数11停留时间分布通常由实验测定，主要的方法是应答技术，即用一定的方法将示踪物加到反应器进口，然后在反应器出口物料中检验示踪物信号，以获得示踪物在反应器中逗留的时间分布规律的实验数据。4.1.2停留时间分布的实验测定121、脉冲示踪法实验方法：用极短的时间，在定常态操作的系统入加入一定量的示踪剂，同时在系统的出口处检测示踪剂浓度的变化。测量方法：热导法，电导法，放射性同位素示踪。13示踪剂脉冲注入示踪剂检测主流体Q0QC0(t)δ(t)C(t)面积=C0t=0t0t系统Vr脉冲法测定停留时间分布14示踪剂加入量停留时间介于t～t+dt间的示踪剂的量在t～t+dt间自系统出口处流出的示踪剂量QctEtm0mQctdt0ctEtctdtm•E(t)•dt=Q•c(t)•dt15含示踪剂流体Q示踪剂检测C(∞)流体Q切换Q系统VrC0(t)t=0tC(∞)C(t)0tC(∞)阶跃法测定停留时间分布2阶跃示踪法1600000cttctct在反应器入口处即由出口的C(t)～t曲线可获得F(t)曲线。在切换成含示踪剂的流体后，t-dt～t时间间隔内示踪剂流出系统量为Qc(t)dt，这部分示踪剂在系统内的停留时间必定小于或等于t，任意的dt时间间隔内流入系统的示踪剂量为Qc(∞)dt，由F(t)定义可得()()()QctdtctFtQcdtc17示踪剂的选择条件1.不与主流体发生化学反应2.和主流体互溶3.示踪剂易被转化为电信号和光信号4.在低示踪剂浓度时易被检测到5.示踪剂浓度和检测信号具有线性关系6.多相系统的示踪不应出现示踪剂从一相到另一相的情况18脉冲法的特点由实验数据直接求得E(t)示踪剂用量少示踪剂瞬间加入困难实验特点阶跃法的特点由实验数据直接求得F(t)示踪过程易于实现示踪剂量大由F(t)求E(t)涉及求导的数值计算19000()()()tEtdtttEtdtEtdt4.1.3停留时间分布函数的数字特征为了对不同的停留时间函数进行定量比较，通常是比较其特征值。常用的特征值有数学期望和方差。1.数学期望（平均停留时间）1)(0)(0)()(tFtFttdFdtdttdFtt202.方差(对均值的二次矩)222220000()()()()()()tttEtdtttEtdttEtdttEtdt)()()()(tEttEttEtttEt若越小，则偏离程度越小，对于平推流全混留2t02t22tt21无因次化由于F(t)本身是一累积概率，而θ是t的确定性函数，根据随机变量的确定性函数的概率应与随机变量的概率相等的原则，有：令,则tt1tt()()FFt()()()()()(/)dFdFtdFtEtEtdddtt0()1Ed4.1.4用对比时间θ表示的概率函数22无因次化方差22200(1)()(1)()ttEdtEtdtt222201()()tttEtdttt可推知：平推流全混流222tt0212234.2流动模型工业生产上的反应器总是存在一定程度的返混从而产生不同的停留时间分布，影响反应的转化率。也就是说，一定的返混必然会造成确定的停留时间分布，但是同样的停留时间分布可以是不同的返混所造成，所以停留时间与返混之间不一定存在对应的关系。因此，不能直接把测定的停留时间分布用于描述返混的程度，而要借助于模型方法。24模型法:通过对复杂的实际过程的分析，进行合理的简化，然后用一定的数学方法予以描述，使其符合实际过程的规律性，此即所谓的数学模型，然后加以求解。25在建立流动模型时通常采用下述四个步骤：1.通过冷态模型实验测定装置的停留时间分布；2.根据所得的有关E(t)或F(t)的结果通过合理的简化提出可能的流动模型，并根据停留时间分布测定的实验数据来确定所提出的模型中所引入的模型参数；3.结合反应动力学数据通过模拟计算来预测反应结果；4.通过一定规模的热模实验来验证模型的准确性。264.2.1常见的几种流动模型根据平推流的定义，同时进入系统的流体粒子也同时离开系统，即平推流反应器不改变输入信号的形状，只将其信号平移一个位置。1.平推流模型0ttttttE(t)tttF(t)1t一、理想流动模型28()0ttEttttt0()1ttFttt1()101E01()11F统计特征值：210292.全混流模型考察有效体积为Vr、进料体积流量为Q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的流体，同时检测流出物料中示踪剂浓度变化。含示踪剂流体C0Q流体检测CQ31全混流的停留时间分布单位时间内流入、流出反应器的示踪剂量分别为QC0、QC单位时间内反应器内示踪剂的累积量为，因此有：rdVCdt000[/]()1()(1)rdCCdVCCQCCdtdtC0()1()[1()]CdFtFtFtCdtQ()00()1ln[1()]1()FttdFttdtFtFt32()1exp[]tFt()1()[1exp()]exp()dFtdttEtdtdtE(t)0tt1F(t)1.0tt033将代为则有：tttettttE0101)(ttttettF1100)(134无因次化()1exp[]()exp[]FE统计特征值00()1Eded222200()111Eded2221tt1.全混流2200t2.平推流222001tt3.工业反应器小结35二、非理想流动模型建模的依据：该反应器的停留时间分布应用的技巧：对理想流动模型进行修正，或将理想流动模型与滞留区、沟流和短路等作不同的组合。测算非理想反应器的转化率及收率，需要对其流动状况建立适宜的流动模型，本节讲述三种非理想流动模型。36（一）多级混合模型(N为模型参数)多釜串联模型是用N个全混釜串联来模拟一个实际的反应器。N为模型参数。1.模型假定条件：①每一级内为全混流；②级际间无返混；③各釜体积相同37C0C1C2Q0CNQ0Q0Q0CN-1V1V2VN2.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。若对系统施加脉冲示踪后，作示踪剂的物料衡算：图多釜串联模型Q0Q0C0M检测脉冲示踪38(1)11010dVCQCdt初始条件：(示踪剂流入速率)－(示踪剂流出速率)=(示踪剂累计速率)在t时刻，对第一全混流区(i=1)应有：0101100()CMMtCCVtQ(2)作示踪剂的物料衡算将式(1)积分后可得：(3)10111exp()CtCtt39对第二全混流区(i=2)应有：220102dVCQCQCdt(4)将(3)代入(4)得：0020221121exp()QQdCtCCVttdtV(5)解式(5)一阶线性微分方程得：02212exp()[]CtCtCttt2000tCC以及20122exp()CttCttt(6)40对第三全混流区(i=3)应有：300tC330203dVCQCQCdt(7)解式(7)一阶线性微分方程并整理得：2301233exp()2CttCtttt(8)……第N釜流出的物料中示踪剂浓度为：101exp()1!NNiiiCttCNttt(9)12iNtttt41脉冲示踪101()exp()1!NNiiiCttEtCNttt000,irrriiVVVVttVtQNQNQN又1()exp()1!NNNtNtEtNttt∴或：1()()exp()1!NNNEtEtNN11()()1exp()1!PNPNFNP积分得：4200()()e()1!NNNEddNNN1222200()()e()11!NNNEddNNN(2)(1)!11111!!NNNNNNNNN3.多釜串联模型特征值及模型参数①无因次平均停留时间：(1)!1!!NNNN②无因次方差：4321N③模型参数N所以，实际反应器方差应介于0与1之间211N当与全混流模型一致与活塞流模型相一致20N当44用多釜串联模型来模拟一个实际反应器的步骤①.测定该反应器的停留时间分布；②.求出该分布的方差；③.将方差代入式(4-28)求模型参数N；④.从第一釜开始，逐釜计算。采用上述方法来估计模型参数N的值时，可能出现N为非整数的情况，用四舍五入的办法圆整成整数是一个粗略的近似处理方法，精确些的办法是把小数部分视作一个体积较小的反应器。45多釜串联模型的E（θ）和F（θ）图46（二）轴向分散模型1.模型假定：①流体以恒定的流速u通过系统；②垂直于流体流动方向的横截面上径