停留时间分布与反应器的流动模型.ppt

新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 第五章停留时间分布与反 应器的流动模型 新乡学院 化学与化工学院 陈可可 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 掌握： 1. 停留时间分布的实验测定方法； 2. 两种理想流动反应器的停留时间分布； 3. 等温非理想反应器进行简单反应时最终转化率 的计算。 本章基本要求： 理解：1. 流动系统物料停留时间分布的意义及其数学表达 式； 2. 返混的概念； 3. 反应器偏离理想流动的原因； 4. 多釜串联、轴向扩散模型和离析流模型的物理意 义和建立数学模型的基本思路，能根据实验测定 的反应器停留时间分布数据来确定模型参数。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 了解：流体的微观混合与宏观混合及流体的混合态时对流 动反应器转化率的影响。 重点：停留时间分布的实验测定； 两种理想流动反应器的停留时间分布。 难点：流动系统物料停留时间分布的意义极其数学表达式 返混的概念 反应工程 新乡学院 停留时间分布与 反应器的流动模型 5.1 停留时间分布 一、 概述 活塞流和全混流反应器中流体流动可分别采用活塞流 与全混流模型描述，反应器内流动状况的不同对反应有十 分明显的影响。 反应进行的完全程度与物料在反应器内的停留时间长 短有关。 流动状况可通过停留时间分布定量表征，流动模型基 于停留时间分布。 反应工程 新乡学院 停留时间分布与 反应器的流动模型 停留时间分布的研究对象是：反应器内的流体粒子或微团 停留时间分布有年龄分布与寿命分布， 年龄分布：对存留在系统的粒子而言，从进入系统算起到 我们所考虑的那一瞬间止，粒子在系统中的停留时间。 寿命分布：对系统出口处的流体粒子而言，流体粒子从进 入系统起到离开系统止，在系统内停留的时间。 通常所说的停留时间分布均指寿命分布。 反应工程 新乡学院 停留时间分布与 反应器的流动模型 BR 停留时间一致 CSTR 存在停留时间分布 PFR 停留时间一致 连续流动 反应器 返混 返混改变了反应器内的浓度分布，使反应器内反应物 的浓度下降，产物的浓度上升。 返混带来的最大影响是反应器进口处反应物高浓度 区的消失或减低。 反应工程 新乡学院 停留时间分布与 反应器的流动模型 闭式系统：仅有一个进口和一个出口 系统进口处有进无出，出口处有出无进 停留时间分布理论的应用： 1.对现有设备进行工况分析，发现问题，优化设备/操作 2.建立合适的流动模型，进行非理想反应器的计算。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 二、 停留时间分布的定量描述 实验方法：示踪响应法 假设：定态操作、闭式系统、密度恒定、无化学反应 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 停留时间分布密度函数E（t）：在稳定的连续流动系统中 ，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。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 停留时间分布密度函数E（t） 的性质： 归一化条件 流体粒子在系统内的停留时间介于t到t+dt之间 的概率 在tt+dt之间离开系统的粒子占t=0时进入系 统的流体粒子的分率 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 停留时间分布函数F(t) 停留时间小于t的流体粒子 所占的分率 t=0时， t=时， 无量纲 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 平均停留时间： 封闭系统，=常数 无因次停留时间： 由于tt+dt和+d时间间隔内流体流出设备的 分率是一回事。 F(t)本身为一累积概率，是t 的确定性函数。 原则：随机变量的确定性函数 的概率与随机变量的概率相等 。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 5.2 停留时间分布的实验测定 3. 周期输入法 1.脉冲法 示踪响应法：通过在系统中加入示踪剂的方法来测定停留 时间分布。 2. 阶跃法 升阶法 降阶法 应答技术：用一定的方法将示踪物 加到反应器进口（输入信号），然 后在反应器出口物料中检验浓度随 时间变化（响应信号）以得示踪物 在反应器中停留的时间分布规律的 实验数据。 t=0时，示踪剂被瞬时注入，同时出 口开始检测， 检测方法：热导法、电导法、放射 性同位素示踪。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 1.脉冲法 系统出口检测 的示踪剂量 = 示踪剂加 入总量 示踪剂 分布 = 例5.1 实验方法：当被测 定的系统达到稳定 后，在系统的入口 处，瞬时注入一定 量的示踪流体同时 开始在出口流体中 检测示踪剂浓度的 变化。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 2. 阶跃法 实验方法：当系统的流 体A达到稳定流动后， 将原来在反应器中流动 的流体切换为另一种在 性质上有所不同而对流 动不发生变化的含示踪 剂的流体B,从A切换到B 的同一瞬间，开始在出 口处检测出口物料示踪 剂浓度的变化。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 升阶法 ： 输入曲线 响应曲线 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 示踪剂输入量 停留时间小于 t的示踪剂量 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 降阶法 ： 输入曲线 响应曲线 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 示踪剂输入量 停留时间大于 t的示踪剂量 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 示踪剂选择剂选择 基本原则则 ： 1.不与主流体发生化学反应； 2.和主流体互溶； 3.示踪剂易被转换成电信号和光信号； 4.在低示踪剂浓度时易被检测； 5.示踪剂浓度和检测信号具有线性关系； 6.多相系统的示踪剂不发生从一相转移到另一相的情况 。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 脉冲法和阶跃法的比较 ： 示踪剂注 入方法 E(t) F(t) 脉冲法 在原有的流股中 加入示踪剂，不 改变原流股流量 阶跃法 将原有流股换成流量与 其相同的示踪剂流股 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 5.3 停留时间分布的统计特征值 一、平均停留时间（数学期望/均值 ） 一阶原点矩 物理意义： 数学期望：代表均值（统计量的平均值），这里是指 平均停留时间。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 二、方差 二阶中心距 例5.2、5.3 物理意义： 方差：代表统计量的分散程度，这里是停留时间对其 均值的偏离程度。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 5.4 理想反应器的停留时间分布 一、模型法 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 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。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 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。 数学模型简化模型 模型检验 模型计算 实际应用 修改 真实过程 数学模型方法是化学反应工程的基本研究方法，由四 部分组成： 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 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。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 二、活塞/平推流模型 特点：所有流体粒子的停留时间都相同，且等于整个流体的平均停 留时间 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 点函数性质 ： 活塞流反应器中， 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 含示踪剂流体C0 Q 流体 检测C Q 三、全混流模型 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 使用阶跃法建立全混流的流动模型，将全釜作为控制 体，对示踪剂作物料衡算，有： 流入的摩尔流率=流出的摩尔流率+积累的摩尔流率 边界条件： 积分上式，得： 由F(t)定义知： 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 用无因次表示为： E(t) 0 t t F(t) 1.0 t t0 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 1、全 混 流 2、平 推 流 3、工业反应器 小结： 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 对于物料的流动状况，可以用流动模型描述。平推 流和全混流是流动状况的两种极端状况。平推流和全混流 是理想流动模型，它们没有模型参数，因此可以直接对平 推流反应器和全混流反应器进行计算。 对于非理想流动，可以用非理想流动模型描述，非理 想流动模型中含有模型参数。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 5.5 非理想流动现象 实际反应器流动形式： 反应器中的死角；物料流经反应器出现的短路、旁路或沟路 等，都导致物料在反应器中停留时间不一，偏离了理想流动模式 ，使得反应结果与理想反应器的计算值具有较大的偏差。 存在速度分布 存在死角区和短路现象 存在沟流和环流 死角 (滞流) 短路 沟流 环流 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 5.6 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。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 一、离析流模型 假设：流体粒子之间不发生微观混合，即流体粒子之间 不发生质量交换。一个流体粒子就像一个间歇反应器， 这时 。 其中CA(t)由反应动力学决定 ，而E(t)由RTD确定。 之间的流体粒子所占的比率为 所以反应器出口的平均浓度可以表示为： 停留时间介于 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 积分上限是最大反应时间 ，其最大值可以到。 可以表示成转化率的形式： 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 注意：离析流模型 1 把每一个流体粒子（或微团团）看成是一个间间歇反应应器， 在流体流动时动时 ，流体粒子内部的分子不参与混合，它们们 只是边边流动边进动边进 行内部反应应。其反应结应结 果仅仅取决于各流 体粒子在反应应器内的停留时间时间 和反应应速率方程 2流体粒子在反应应器内的停留时间时间 存在一个停留时间时间 分布 （此分布函数与反应应器型式有关） 但各流体粒子内部的分子具有相同的停留时间时间 与浓浓度（ 此为为BR之特点） 3 总总反应结应结 果则则是出口处处所有流体粒子的反应结应结 果的集 合 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 P145 例题题5.5、5.6 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 二、多釜串联模型 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。 模型假定条件： 每一级内为全混流； 级际间无返混； 各釜体积相同，连接管体积不计 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 图 多釜串联模型 Q0 Q0 C0 M 检测 阶跃示踪 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 。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 现在讨论模型参数与停留时间分布函数的关系，对 其中的第p个釜作示踪剂的物料衡算，那么 整理后得到 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 P=2 P=1 初始条件: 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 即： ，为单一釜的平均停留时间 由此推导出： 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 如果用系统的平均停留时间来表示，即 或 。相应的分布密度函数为：其中， 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 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5-18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。 图 5-18 多釜串联模型的 图 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 模型参数的估算:多釜串联系统的均值和方差分别为 所以，参数模型 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 方差随釜数的变化情况如图5-19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。 图 5.19 多釜串联模型的 图 反应工程 新乡学院 停留时间分布与 反应器的流动模型 下面是两种特例： 实际反应器的方差介于上述两个极端情况之间，即 (全混流) (活塞流) 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 用多釜串联模型来模拟一个实际反应器的步骤: .测定该反应器的停留时间分布； .求出该分布的方差； .将方差代入式(5-50)求模型参数N； .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。 例5.7 反应工程 新乡学院 停留时间分布与 反应器的流动模型 例：在某流动动反应应器中进进行等温一级级液相分解反应应，反 应应速率才常数k=0.307l/min。对该对该 反应应器的脉冲示踪测测得 如下所示： 时间时间 ，min05101520253035 示踪物浓浓度，g/L03554210 试用多级全混流模型计算其转化率为多少？ 解：设该设该 反应应器内液体的流量恒定且等于u，加入示踪物 的总总量为为M，则则有： 反应工程 新乡学院 停留时间分布与 反应器的流动模型 脉冲法测定，所以 时间时间 ，min05101520253035 示踪物浓浓度，g/L03554210 E（t）00.030.050.050.040.020.010 平均停留时间： 方差： 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 三、轴向扩散模型 轴向分散模型是对平推流流动的校正，在平推流的基 础上迭加一个轴向分散，此分散程度反映返混的大小。 此模型适用于返混程度较小的系统，如：管式和塔式 及其他非均相体系。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 1. 模型假定： 流体以恒定的流速u 通过系统； 在垂直于流体流动方向的横截面上径向浓度分布均一， 即径向混合达到最大； 在流动方向上流体存在扩散过程，以轴向扩散系数Da表 示这些因素的综合作用，并用费克定律加以描述。 同一反应器内轴向扩散系数在管内恒定，不随时间及位 置而变。 管内不存在死区或短路流。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 费克(Fick)定律 A B 分子扩散与费克定律 式中 组组分A的扩扩散速率，kmol/(m2 s); 组组分A沿扩扩散方向Z上的浓浓度梯度，kmol/m3; Da 比例系数，称为为分子扩扩散系数(扩扩散系数)m2/s。 负负号表示扩扩散沿着组组分 A 浓浓度降低的方向进进行，与浓浓度梯度方 向相反。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 假设在理想的平推流流动反应器中，脉冲了示踪剂， 划定微元进行物料衡算，正向流动逆向分散=累积。 若是理想流动，当脉冲了示踪剂，如箭头所示，它的 形状不发生改变。由于存在着非理想流动，看做是沿运动 方向相反的扩散(称之为分散)，由于轴向分散的作用，形 状发生改变，随着离开入口的距离，峰高降低峰被拉宽。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 轴向扩散模型的建立： 图5.20 轴向扩散模型 设反应器管长为L，直径为d ，体积为VR ，在离进口 出取dZ微元管段，微元控制体积dVr ， dVr=ArdZ 。注入 示踪物后，对示踪物作物料恒算。 dVr uc u C0 u Z=0 dZ Z=L 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 假定系统内不发生化学反应，根据流入=流出+累积， 将上列各项代入整理后得： 流入： 流出： 累积： 此即轴向扩散模型方程 (5.52) 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 轴向扩散模型实质上是活塞流模型再迭加一扩散项， 反映系统统内返混的大小，若Da=0，则则式（5.52 ）化为为活塞流模型。 (5.53) 通过过Da值值的大小不同，轴轴向扩扩散模型可以模拟拟从活 塞流至全混流间间的任何非理想流动动，但只有返混程度不 太大时应时应 用才合适。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 引入无因次量： Pe为彼克列数，是模型的唯一参数,表示对流流动和 扩散传递的相对大小。它是表征返混大小的无量纲特征数 。当Pe0时，属于全混流情况。当Pe时，属活塞流 情况。 代入式(5.52)得轴向扩散模型无因次方程为： 式中 (5.54) 反应工程 新乡学院 停留时间分布与 反应器的流动模型 无因次偏微分方程的解与边边界条件有关，边边界条件 的四种情况： 1. 开 开边界 2. 闭 闭边界 3. 闭 开边界 4. 开 闭边界 开开开闭 闭闭 开 闭 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 开开式边界条件： 闭闭式边界条件： 开闭或闭开 式边界条件： 边边界条件：Pe的倒数0.01时时 边边界条件：Pe的倒数0.01时时，不同的边边界条件，解不同 Pe与无因次方差的关系： 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 5.7 非理想反应应器的计计算 对对于轴轴向扩扩散模型，无因次方差可以采用示踪法(无 论论脉冲或阶跃阶跃 )求得，而后求Pe，然后就可以根据Pe预测预测 转转化率。 定态态操作的反应应器用轴轴向扩扩散模型来模拟拟，关键组键组 分A的物料衡算： 定态操作 有化学反应存在 模型方程中加上由于化学反应而 消耗的组分A的量 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 对于等温一级不可逆反应， （5.64） 边界条件 ： （5.67） 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 解式（5.67）二阶线性常微分方程，得： 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 例：在某流动动反应应器中进进行等温一级级不可逆液相分解反 应应，反应应速率才常数k=0.307l/min。对该对该 反应应器的脉冲示 踪测测得如下所示： 时间时间 ，min05101520253035 示踪物浓浓度，g/L03554210 试用轴向分散模型（开-开式边界条件）预测其转化率为 多少？ 解：平均停留时间 ，方差 ，无因次方差 均已求出 ， 反应工程 新乡学院 停留时间分布与 反应器的流动模型 1/Pe0.01，必须根据具体的开开式边界条件计算 对于一级不可逆反应 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 轴向扩散模型模型参数Pe的求取方法： （1）若反应器的停留时间分布未知（设计反应器时）， 可根据有关关联式估算Pe，如：对对于空管反应应器， (5.62) 适用范围围：1 Re 2000, 0.23 Sc 1000 若为湍流， 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 （2）作图法，适用于返混较小的情况，Pe100 反应工程 新乡学院 停留时间分布与 反应器的流动模型 例题5.8, 5.9 注：轴向扩散模型方程的解随初值及边界条件的不同而有 所改变，但返混程度不大时，结果都差不多。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 利用轴向分散模型求取非理想反应器反应结果的方法: 1）实验测定F(t)t或E(t) t； 2）计算 ： 3）计算 ： 4）计算 ： 5）根据 计算Pe 6）根据Pe 计算XA 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 5.8 流动反应器中流体的混合 工业反应器只有可能接近，不可能是理想的平推流或 理想的全混流反应器。影响实际反应结果偏离理想模型的 因素有三个： 停留时间分布(流体的流动的影响) 早混或是迟混 凝集态(物料是以什么样的状态分散。若以分子状态分 散，则称做微观流体；以若干分子集团分散称之为宏 观流体) 二、三、四章通常指的是微观流体 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 早混和迟混的影响： 早混 晚混 即使两反应体系的空时相同，由于反应混合的迟早 不同，反应结果也不相同。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 聚集态的影响： 理想反应器假定混合为分子尺度，实际工程难以达到，如 结团 弥散 两种体系的反应程度显然是不同的。 工程中，尽量改善体系的分散尺度，以达到最有效 的混合，从而改善反应效果。 鼓泡 气体液体 喷 雾 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 按照混合发生的尺度大小，混合态分为两类： a. 宏观混合：设备尺度的混合 b.微观混合：分子尺度的混合 物料微团（分子）尺度上的混合。指微团间进行物质 交换所能达到的程度，以及在反应器微元尺度上所能达到 的物料组成的均匀程度。 聚集状态有两种极限：完全微观混合、完全离析 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 1.完全/最大微观混合： 不同物料微团间能进行充分的物质交换，从而在反应 器微元尺度上达到分子尺度的均匀，微观混合达到最大。 对应的流体为微观流体，均相系统均如此。 2.完全离析/完全不混合： 粒子之间不发生任何物质交换，或粒子之间不发生混 合，每个粒子就像一个有界的个体。 对应的流体为宏观流体，只存在宏观混合。 3.部分离析、部分微观混合 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 包括轴轴向扩扩散模型，多釜串联联模型等一些分析、计计 算，均适用于微观观流体，而不适用于宏观观流体。 理想流体均为为微观观流体，chapter2-4讨论讨论 的对对象均 为为理想流体 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 设浓设浓 度分别为别为 CA1和CA2体积积相等的两个流体粒子，进进 行级级不可逆反应应。 如果这这两个粒子是完全离析的，则则其各自的反应应速率 应为应为 rA1及rA2，其平均反应应速率则为则为 ： 假如这这两个粒子间间是微观观混合，此种情况的平均反应应 速率应为应为 ： 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 反应速率与浓度的关系曲线为凸曲线； 反应速率与浓度的关系曲线为 凹曲线； 反应速率与浓度成线性关系 = 1时时 1时时 1时时 结论结论 ：只有 =1时时，流体的混合态态才不会对对反应结应结 果产产 生 影响 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 结论：对于离析流模型 1 该模型方程只适用于宏观流体，不适用于部分离析流， 但对于一级反应，由于混合态对反应结果无影响，该方 程也可以用于部分离析流 2 只要知道宏观流体在反应器内的停留时间分布和反应速 率方程，就可以计算反应器出口的平均转化率 ； 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 3 对于平推流反应器，由于各流体元在反应器中停留时间 相同，不存在停留时间分布不同的问题，所以，微观流 体和宏观流体具有相同的反应结果； 4 在其它反应器中（其它流型）：微观流体和宏观流体可 能具有不同的反应结果，这依赖于反应动力学； 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 n=1时时的CSTR中，若反应为应为 一级级， 则则 按间间歇反应应器计计算 ， CSTR中，停留时间时间 分布为为 ： 对对宏观观流体 ： 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 这这一结结果与微观观流体在CSTR中的反应结应结 果相同， 这这与前面讲讲到的对对n=1的反应应，微观观混合与宏观观混合结结 果相同这这一点是一致的。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 对对于不同级级数的化学反应应在全混流反应应器中，结结果表 明： 当n1时时，宏观观流体具有比微观观流体高的出口转转化率； 当n1时时，微观观混合降低转转化率； 当n1时时，结结果相反。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 小结 ： （1）微观观混合程度及混合早晚对对一级级反应结应结 果无影响 （2）离析流模型只适用于宏观观流体，或者一级级反应应宏观观 ，微观观或部分离析都适用 （3） 对对于n1的反应应，可考虑虑使反应应物在进进入反应应器之 前先进进行预预混合，以求达到分子程度的混合 （4）对对于平推流反应应器微观观混合不影响反应结应结 果，而返 混越大微观观混合影响越大 例题题5.10 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 间歇式 全混流 平推流 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 1.测测量反应应器停留时间时间 分布时时，常用到两个函数，称为为 和 ，它们们之间间的关系是 ，其中0 =1。 2.停留时间时间 分布的统计统计 特征值值方差的物理意义义是 ，活塞流反应应器的无因次方差为为 ，全混流反应应 器的无因次方差为为 。 3.在活塞流反应应器中，停留时间时间 大于平均停留时间时间 的流 体粒子占全部粒子的 %，在全混流反应应器中，停留 时间时间 大于平均停留时间时间 的流体粒子占全部粒子的 % 。 4.在全混流反应应器中，物料平均停留时间为时间为 1 h，停留时时 间间大于10h的物料粒子占全部物料粒子的 %；若改在活 塞流反应应器中进进行，平均停留时间时间 不变变，停留时间时间 大于 10h的物料粒子占全部物料粒子的 %。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 5.从反应应器停留时间时间 分布测测定中,求得无因次方差 则该则该 反应应器可视为视为 ；若 则该则该 反应应器可 视为视为 。 6.由示踪法测测得一反应应器的停留时间时间 分布密度函数 E(t)=0.1exp(-t/10) min-1，可判别该别该 反应应器的流型为为( ) A平推流 B全混流 C轴轴向分散 D多级级混合 7.已知一实际实际 流动动反应应器，Pe=20，该该反应应器若用多级级混 合模型描述，则则模型参数N=_。 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 8.已知一闭闭式液相反应应器在流量为为5Ls下进进行脉冲示踪 ，得到停留时间时间 分布密度函数E(t)= s-1 试试求： （1）平均停留时间时间 ; （2）该该反应应器的反应应体积为积为 多少？ （3）E()、F()和 （4）若将该该反应应器用多釜串联联模型描述，其模型参数N 为为多少？ 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 9.用阶跃阶跃 法测测得反应应器出口处处示踪物的浓浓度和时间时间 的关 系如下： c(t)= 0 t1 t-1 1t3 2 t3 计计算：（1）平均停留时间时间 和方差； （2）若用多釜串联联模型模拟该拟该 反应应器，则则模型 参数是多少？ 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 t/min0 12345678910 C(t)/(g/l) 0 035664.53210 10.为为了测测定一个闭闭式流动动反应应器的停留时间时间 分布，采用 脉冲法测测得反应应器出口物料中示踪剂浓剂浓 度如下： 试计试计 算：（1）反应应物料在反应应器中的平均停留时间时间 和方 差； （2）若用多釜串联联模型模拟该拟该 反应应器，则则模型 参数是多少？ 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 11.简简述活塞流模型和全混流模型的基本特征。 12.停留时间时间 分布密度函数E（t）的含义义？ 13.停留时间时间 分布函数F（t）的含义义？ 14.简简述描述停留时间时间 分布函数的特征值值？ 15.简简述寻寻求停留时间时间 分布的实验实验 方法及其分类类？ 16.简简述脉冲示踪法测测停留时间时间 分布的实验实验 方法及其对应对应 曲线线？ 17.简简述阶跃阶跃 示踪法测测停留时间时间 分布的实验实验 方法及其对对 应应曲线线？ 18.简简述建立非理想流动动的流动动模型的步骤骤？ 19.简简述非理想流动轴动轴 向扩扩散模型的特点？ 新乡学院 反应工程 停留时间分布与反 应器的流动模型 20.简简述非理想流动轴动轴 向扩扩散模型的定义义？ 21.简简述非理想流动动多级级混合模型的特点？ 22.举举例说说明微观观流体和宏观观流体的区别别？ 23.停留时间时间 分布的密度函数在t0时时，E（t）=_。 24.停留时间时间 分布的密度函数在t0时时，E（t）_。 25.当t=0时时，停留时间时间 分布函数F（t）=_。 26.当t=时时，停留时间时间 分布函数F（t）=_。 27.停留时间时间 分布的密度函数E（）=_E