第四章-非理想流动及其反应器设计.

Chapter4非理想流动及其反应器设计Non-idealFluidFlowanditsReactorDesign4.1概述4.2停留时间分布及其性质4.3停留时间分布的测定4.4理想流动模型4.5非理想流动现象4.6非理想流动模型4.7非理想反应器的计算4.8流体混合对反应的影响本章内容4.1概述Introduction基本概念返混：具有不同停留时间的物料间的混合。理想流动与实际流动全混流：瞬间能达到全部混匀，返混程度最大，一种极限；平推流：前后物料间毫无返混，返混为零，另一种极限；实际流动：即非理想流动，偏离平推流和全混流，返混程度介于两者之间。4.1概述工业生产中的非理想流动现象①设备的死角；②反应器内的短路；③反应器内的旁路；④反应器内的沟流，等等。共同特征在反应器内物料流体粒子的停留时间不一。4.1概述4.2停留时间分布及其性质RTDanditsCharacteristic引言间歇反应器：物料颗料停留时间相同，其停留时分布呈现一个数值。连续反应器：流体粒子的停留时间可能长短不一，有的粒子停留时间长，有的可能极短，其停留时间参差不齐，呈现一个分布状态（停留时间分布）。停留时间影响反应转化率，停留时间分布影响反应的综合结果。4.2停留时间分布及其性质全混流反应模型：全混流流体（返混最大）；平推流反应模型：平推流流体（返混最小）；实际反应流体介于上述两者之间。需从停留时间分布入手，讨论实际反应流体计算及其反应器的设计。4.2停留时间分布及其性质①停留时间寿命：流体粒子经过系统（由入口至出口）的时间；寿命有长有短。年龄：流体粒子在系统内逗留的时间；年龄有长有短。1.基本概念闭式系统入口出口4.2停留时间分布及其性质②停留时间分布寿命分布：系统出口粒子不同寿命的分布；粒子有多有少，寿命有长有短，连续分布。年龄分布：系统内粒子不同年龄的分布。③作用利用其可分析现有设备的工况；依据停留时间分布，建立适宜的流动模型，设计计算非理想反应器。对于一个稳定的连续流动系统，当在某一瞬间同时进入系统的一定量流体，其中各流体粒子将经历不同的停留时间后依次由系统流出。2.停留时间分布的定量描述4.2停留时间分布及其性质停留时间分布密度函数E(t)：在同时进入的N个流体颗粒中，停留时间介于t和t+dt间的流体颗粒所占的分率dN/N，记为E(t)dt。停留时间分布函数F(t)：流过系统的物料中所有停留时间小于t的物料百分率。tttEtF0d)()(＝介于t和t+dt之间的流体分率E(t)=0t0E(t)≥0t≥001)(dttE归一化性质1＝NNtttEtF0d)()(＝)(d)(dtEttF＝相互关系4.2停留时间分布及其性质统计特征000d)(d)(d)(tttEttEtttEt＝＝数学期望1)(0)()(ddd)(d＝＝０＝＝tFtFtFttttFtt)()()()(tEttEttEtttEt＝＝方差202020022d)(d)()(d)(d)()(tttEtttEttttEttEttt－＝－＝－＝4.2停留时间分布及其性质无因次表达)(d)(d)/(d)(dd)(d)(tEttFttFFE＝＝＝＝1＝＝tVvtt＝＝)()(tFF＝01d)(＝E22t02202022d)()ˆ(1d)()1(d)()1(　＝－　＝－＝－＝ttEtttEE全混流12＝02t2＝＝平推流102实际流体2表明流体分布的分散程度4.2停留时间分布及其性质4.3停留时间分布的测定DeterminationofRTD脉冲法输入曲线响应（输出）曲线c0(t)4.3停留时间分布的测定dttcQdttEm0)()()(dttctctEmtQctE)()(0)(dttQcm示踪剂加入量m4.3停留时间分布的测定升阶法主流体Q0Q系统检测器含示踪剂的流体（C(∞)）c(∞)c0(t)tt=00输入曲线c(∞)c(t)t0响应曲线tcQtFcQ)()()(ctctF4.3停留时间分布的测定)0()()(1ctctF降阶法主流体QQ系统检测器含示踪剂的流体（C(0)）tcQtFcQ100c(0)c0(t)tt=0输入曲线0c(0)c(t)t响应曲线4.3停留时间分布的测定脉冲法简单、示踪剂用量少，可直接测出停留时间分布密度函数；要求输入理想脉冲。示踪方法比较4.3停留时间分布的测定阶跃法操作容易；示踪剂用量大，直接测出的是停留时间分布函数。000)()()(dtttEdttEdtttEt022022)()()(tdttEtdttEttt1.平均停留时间2.方差00)()(dttcdtttct20022)()(tdttcdttctt脉冲法dtctctT002020)(2tdtcttcTt降阶法dtctctT0120212tdtctctTt升阶法相关特征值4.3停留时间分布的测定出口流中示踪剂的浓度等于c(∞)时的时间出口流中示踪剂的浓度等于0时的时间4.4理想流动模型ModelofIdealFlowFluid典型流体模型平推流模型全混流模型数学模型法通过对复杂的实际过程进行分析、合理简化，然后采用一定的数学方法和语言描述出来，建立模型，使其符合实际过程的规律特性，再加以求解。4.4理想流动模型平推流模型)t-(=)E(tt)(,1)(,0)(tttttF1|)1(10d01|1)1(102022dθ；＝，＝，0)(0)(tEtFt＝，＝，＝，＝)(1)(1tEtFt4.4理想流动模型全混流模型tvtvcdd)0(＝)(dtcV)(1d)(dtcVvttc－＝流入=流出+积累4.4理想流动模型)()(tVdcdttvcvdtdttvc)(tVvtc＝－－)](1[ln0)(0＝，＝tctB.C.:－＝e)(E4.4理想流动模型边界条件/)(1tetc/1)()(tetFtc/1)()(tedttdFtE1tEte01tCtCtFteCC1ed（最大值）/1)(tetF4.4理想流动模型11022deθ假设示踪剂进口浓度为c(∞)或c04.5非理想流动现象PhenomenaofilIdealFlowFluid4.5非理想流动现象实际反应器流动状况偏离理想流动状况的原因：死区（滞留区）的存在存在沟流与短路循环流流体流速分布的不均匀扩散死区（滞流区）4.5非理想流动现象死区的存在使得一部分流体的停留时间极长，其停留时间分布密度函数E(t)图的特征是拖尾很长。CSTR沟流4.5非理想流动现象双峰短路4.5非理想流动现象接近平推流①曲线的峰形与位置与预期的相符；②出峰太早，说明可能短路或沟流；③出现几个递降峰形，表明反应器内可能存在循环流动；④出峰太晚，可能计量误差，或可能示踪剂在反应器内被吸附减少所致；⑤反应器内存在两股平行的流体。4.5非理想流动现象接近全混流正常形状、出峰太早、内循环、出峰太晚、仪表滞后而造成时间推迟等。4.5非理想流动现象层流5.0,0)(E5.0,21)(2E其它流体4.5非理想流动现象流体在圆管内作层流流动时的停留时间分布当流体在管内作层流流动时，管内流速随距管轴心的速度分布为：2max1Rruu平均流速：max5.0uu在管出口的流体质点在管内的停留时间t2max1RruLuLt平均停留时间：AuLAuLt管轴心上的流体粒子的停留时间最小，为mint22maxmintuLttt21时，0tF，只有在tt21物料中才会有A，根据时，管的流出当tF的定义有：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2max1uLuLtFdttdFtErdrRrrdrRrRr0202112211Rr2max1uu221t221t322t0.1tF00t221ttFt210vVt两个阴影面积相等322tdttdFtEtEt00t214.6非理想流动模型ModelofilIdealFlowFluid概述建模的要求：等效性（能够正确反映模拟对象的物理实质）；合理简化便于数学处理（模型参数不应超过两个）建模的依据：反应器内停留时间分布常用技巧：对理想模型进行修正，或将理想流动模型与滞流区、短路和沟流等作不同组合常用的非理想流动模型：轴向扩散模型多釜串联模型离析流模型4.6非理想流动模型轴向扩散模型基本假定径向浓度分布均一，轴向上流体的流速和扩散系数均为恒定值。lcDa)(dllccuuc0lLldluvuv)(dllcclDa4.6非理想流动模型ZcZcPce221ZcuZcDtca22轴向扩散项，反映系统内返混程度的大小。,,,0LlZcccLtutPeePePe12222Pe(Peclet)准数表示对流传递速率和扩散传递速率的相对大小4.6非理想流动模型aeDuLP轴向扩散模型的停留时间分布密度函数4.6非理想流动模型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：1N多釜串联模型4.6非理想流动模型基本假设：级内为全混流级间无返混各级存料量相同4.6非理想流动模型初始条件（升阶）：t=0,c0(0)=1,cP(0)=0,P=1,2,…N数学模型对示踪剂做物料衡算：量输入量－输出量＝累积dttdcVtQctQcPprpp1釜：对第tctcdttdcppp11即：rVcPcp-1c0cN4.6非理想流动模型ttectcectctctcdttdcP1)()1()()()(1)(,10101101tetctctctcdttdcP11)()()(1)(,202212NPPtNptectctFNP110!11)()(,tctcdttdcppp114.6非理想流动模型NNNNPPNeNNddFEpNeF111!1)()()(!1)(11)(00dNeNdENNN!NdNeNdENNN11!11)(010224.6非理想流动模型多釜串联模型的E（）4.6非理想流动模型)(E)(F多级全混釜串联模型的和4.6非理想流动模型4.7非理想反应器的计算CalculationofilIdealFlowReactor11111NANXk若一级不可逆反应为单釜空时利用多釜串联模型进行反应器计算步骤：测反应器的停留时间分布，求出根据，求出模型参数N逐釜计算求出最终转化率N122适用于微