【《停留时间分布的研究与发展情况研究国内外文献综述》7000字】

停留时间分布的研究与发展情况研究国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u15641停留时间分布的研究与发展情况研究国内外文献综述 1151111.1停留时间分布理论 128234物料在反应器中的停留时间分布是一个随机的态势，据概率论，用停留时间分布密度与停留时间分布函数来定量描述物料在流动系统中的停留时间分布[5] 167271.2停留时间分布的实验研究 277321.3停留时间分布的模型模拟-化学反应工程方法 4120861.4停留时间分布的流场模拟-流体力学方法 6185641.5停留时间分布中的统计学方法研究简要介绍 9285531.6讨论 923002参考文献 10停留时间分布动出现Danckverts的一个在化学工程领域里首先提到，在反应器里头的一个重要的性状，它直接影响到反应器的效率及其计算，普遍的被使用在吸收、萃取、蒸馏及结晶等环节与和设备上，和很多涉及流动系统的领域。通过停留时间分布算出混合器内的流动模型并可通过数学期望及方差计算模型参数，下一步预测一下反应的结论或搞混合器体积及实际反应率的定量计算，是传质、传热和动量传递计算的基础。1.1停留时间分布理论物料在反应器中的停留时间分布是一个随机的态势，据概率论，用停留时间分布密度与停留时间分布函数来定量描述物料在流动系统中的停留时间分布[5](1)停留时间分布密度函数用符号表示，定义是：在反应器的N个流体质点里，停留时间在t与间的质点所占分数为。据此解释，归一化性质在停留时间分布密度有体现。(1)表示停留时间在t到之间的流体粒子所占的分率，所以其总和等于1。（2）停留时间分布函数用符号表示，表述为：过反应器的物料中停留时间小于t的质点（或停留时间介于之间的质点）的分数。据这个表述(2)时，；t偏向无穷大时，趋于1.与的关系，由定义可知，为(3)由此可知，当曲线明确时，在线上的一点作切线，该切线斜率即等于相应的值。反之。若曲线已知，把它进行积分就可得相应的值。那么，停留时间分布两种表达法，知道其一就可知其二。1.2停留时间分布的实验研究实验的技巧、实验条件手段进一步变化，专家们在停留时间分布的实验上搞了进一步的摸索和探寻，据测试原理、示踪剂的输入法、实验方法等搞分类分析整理。摄像法是把高速运动变化中的的时空联系在一起进行图像记录的一种方法。J.J.sohfo等[6].用染料作示踪剂并综合了电视录像，观察单溢流筛板塔塔板上液体的流动状况，结果发现塔板的中心线处流体与主流体的混合的较慢，停留时间比较长，当液体流速较低时，环流液体与主流液体的混合较为有效，在较高的气速下基本消失，停留时间缩短。操作简单而且对环境没有有关负面的影响。如果能与先进的图像识别系统相适配对应关系，数据处理的工作量将大大得到释放。超声波法是据超声波衰减的变化测量无机示踪物的浓度改变程度物料RTD，Chalamet和Taha[8]利用超声波反射原理在线测试了挤出机口模处二哇琳和二元梭酸齐聚物(C36和CTAP12)缩聚反应体系的RTD。电导法是用电解质溶液担当示踪剂，利用好布置在塔板上各点的电极，测定液体流经各点时导电率随时间的变化波动情况。余国踪等[11]在半圆形筛板塔上，用14个电极测试水的导电率时间的，测得停留时间在液体的不同区域，单、双溢流塔板的液体等平均停留流动和时间也得到了进一步的研究分析。徐世民等[12]用电导率连续测量系统同时测定筛板塔塔板上l2个点的停留时间分布曲线及给出的典型数据,并提出由停留时间分布曲线再换算成塔板上浓度分布曲线以及计算塔板效率的方法。许建良等[13]用一种新型脉冲示踪法测试了多喷嘴气化炉和Texaco气化炉内颗粒停留时间的分布情况，对照气速的作用对两种气化炉内颗粒停留时间分布。容易学习并使用微型计算机直观的得出相关数据，让繁琐的数据处理变简单。局限于水溶性体系，聚用于合物体系不可用。光纤法是利用光纤探头检测荧光示踪剂浓度的变化。俞晓梅等[14]曾在DJ塔板上使用光纤技术测得塔板上矩形降液管内的液体停留时间分布曲线，研究分析了DJ塔板矩形降液管中液体的返混和环流的情形。荧光性示踪剂灵敏度高，但具有一定的辐射性，故应用受到一定限制。光强度法分为光透射式和光反射式两种，是用光透射或反射强度正比于示踪剂浓度得到停留时间分布。Gao等[16.17]人用TiO2作为示踪剂在线测定了高密度聚乙烯体系的RTD。Jeferson等[18]以酞菁蓝作为示踪剂，通过检测口模处的透射光强度测量了RTD。探头中配有光敏电阻(LDR)，光源发出的光，透射部分被探头感应，从而触发LDR电阻改变，接着使电路中电压变化，再经过模数转换，计算机软件完成数据的采集再后续分析处理。光强法可便捷的测量不同位置的RTD的较大的分别，因示踪剂的浓度差异使得反射光强度有不同程度的增强和削弱，终使得光信号和示踪剂浓度的关系微茫，并显示出偏大片面局限性。温度示踪法是用测温元件测试塔板上示踪剂的温度，得到液体的停留时间分布。测温元件灵敏度高且操作方便。余国琮等[19]以电阻温度计测试筛板塔塔板上108个点的温度分布，用温度场取缔浓度场，得到塔板上液体停留时间分布情况近些时日来Toye等人又用断层x射线照相法来搞放射性示踪的实验，wolf和Whit采用经过放射性处理的MnO2作示踪剂在线测出了单螺杆挤出机聚乙烯体系的RTD。放射性方法可用不同的示踪剂对气液两相分别标记、选择性高而且测量下限非常低。但也有辐射污染的风险的问题，对技术设备要求很高，因而很少应用。在这些方法之外，也陆续出现了新法。电位法因灵敏度高、电极之间无互相作用、电极探头简易等等等优势处，宋海华[21]将电位法其应用到了塔板上的流体流动的测量。PuauxJP等[22]利用磁感应系数法对停留时间进行了实验研究。李育敏等[23]提出了一种容易，测量精确、没有污染和扰动在塔板上液体塔板液相等停留时间测试技术，用红外热像仪测量多降液管塔板液相等停留时间分布的实验研究。这项新技术相像染色剂显示技术。丁起等[24]用脉冲法以及图像灰度分析技术，用了个一种容易、简单的停留时间分布测定方法完成了停留时间分布.1.3停留时间分布的模型模拟-化学反应工程方法表1停留时间分布模型及函数表达式时间模型名称模型函数表达式备注单参数轴向扩散模型[5]，为比克列准数。单参数多釜串联模型[5]，为多釜串联模型参数。1979双参数组合模型[27]为全混区所占分率；为总加料流量中走旁路的分率．为无因次平均停留时间。1983三参数前短路混合模型[28]，，为模型参数1993双参数正态分布模型[29]为平均停留时间，是停留时间正态分布的标准偏差。1993三参数移位对数正态分布模型[30]为移位对数正态分布函数参数；为移位对数正态分布函参数；为移位时滞。1999双参数模型[32]为形状因子。2002双参数模型[33]2004半经验模型[16]，和是模型中的参数，和是停留时间分布曲线的最大值和最小值。2006三参数模型[17]为示踪剂最早出峰时间；为主峰位置；为RTD曲线形状因子。Coulson等[27]把真实反应器内的流动情况设想为为全混流、死区、短路等部分组合而成，进而提出了组合模型，依据各区所占比例实现对停留时间分布的较好模拟。Nauman等[28]考虑反应器内的流动特征，将反应器划分为全混区和平推流区的组合提出了前短路模型。其中，为混合单元串联理想子单元的个数，当其值越趋于1时，混合单元越接近于理想混合；为混合单元混合效果的参数，其值增大意味着混合得到了改善，短路减少；则是表征平推流效应的参数，其值增大表明平推流效应增大。Abdelrahim等[29]通过对实验结果的分析，实验条件下RTD曲线呈现出右偏态特征，使用反曲类型曲线描述RTD，此模型对实验条件下曲线各个阶段都可以给出较好的描述。林诚等[30]对研究了实验曲线，有停留时间分布曲线拖尾现象偏长，多数停留时间分布曲线峰型出现出了不对称性。基于此将概率统计学中重要分布函数之一的移位对数正态分布函数用于停留时间分布的描述，得到了较好的结果。该模型为其他学者用于对实验结果的模拟，也得到了较好的结果[31]。Gao等[32]基于对在相同产量下特定的操作条件对RTD的影响，及给定的螺杆的几何尺寸、产量对体积和螺杆转动延迟的负面影响的分析，给出了用于描述RTD的方程。Potente等[33]在先前的用于描述RTD的方程的基础上，结合实验提出了双参数函数方程。Ham等[34]基于一些特征参数，例如平均停留时间，最大最小停留时间和经验指数方程，出一个半经验方程。之后分析交流了参数的确定和它对RTD影响，通过单相系统和多相连续系统的实验确认了模型的可用性。Zhang等[35]在Potente和Gao等模型的基础上，按RTD曲线峰形跨度大的特性，提出自适应性更好的三参数模型。上述具体模型参数如表1所示。建立数学模型方法的优点在所得结果有普遍性，各种影响因素明确可见，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。用建立数学模型方法进行工程上放大和优化设计成为目前反应工程研究中的重要内容。流动模型是对流体流经反应器时流动和返混状况过程的描述，是研究反应器物理传递模型的基础，因而且需要建立反应器的流动模型，做好反应器物理特性的研究。1.4停留时间分布的流场模拟-流体力学方法流体力学方法是用计算反应器内流场分布为基础，对速度场的分析计算流体微元在反应器内流动的流线和流迹。最初了解粒子流动的速度场，定下粒子的起始位置。然后将时间离散，在每个时间间隔内对速度进行积分确定粒子的下一个位置，如此重复直到所有粒子离开求解区域，得到了粒子的运动轨迹，对粒子搞统计分析得停留时间分布。研究者提出用解析方法和二维或三维的数值模拟方法可直接解决停留时间上的分布问题。Aubin等[38]使用计算流体力学方法ANSYS-CFX11研究了牛顿型和剪切面较薄的非牛顿型流动中微通道纵横比（通道深度与通道宽度之比）对停留时间分布和轴向扩散系数的影响。为了描述剪切行为，模拟时采用了修正指数律方程。结果是，对于固定的横截面和流通通道，随着纵横比减少，RTD变窄。通过轴向扩散系数进行定量分析，当纵横比或平均流速变化时，轴向扩散系数与雷诺数线性相关。总体来说，为了降低轴向扩散，微通道应该设计成纵横比小于等于0.3。Adeosun等[3]使用数值和试验方法研究微通道层流下的混合行为，将RTD概念应用到间接流动特性和T混合中。模拟计算采用Fluent软件结合Gambit软件进行，用Green-Gauss节点基准作为梯度选项和二阶迎风格式。模拟结果和实验结果吻合较好，同时建立了一个有效的数学模型，相关的求解算法在CFD中也有体现。Worner等[39]采用TURBIT-VOF代码对泡罩槽进行模拟。对不可压缩不混溶流体，通过TURBIT-VOF代码求解单流场Navier-Stokes方程表面张力项，变形分界面的计算采用流体体积方法进行。模拟湍流状态下的停留时间分布，一般选用湍流模型。标准模型自从被LaunderandSpalding提出之后，成为了工程流场计算中的主要工具。它运用范围广、经济，有合理的精度，是从实验现象中总结出来的半经验公式。Ding等[40]用CFD方法，采用标准的方程模拟了生物制氢反应器的停留时间分布，优化叶轮设计。曹晓畅等[41]运用Fluent软件选用标准的方程对管式搅拌反应器进行了流场模拟及RTD计算。认为带搅拌装置比无搅拌装置能有效防止反应器死区的存在，并缩短物料的停留时间，反应器内接近活塞流，计算结果与实验结果基本吻合。张学佳等[42]使用CFX4.4软件，用标准的模型针对含新型内构件的复杂填充床反应器的内部结构，对气流停留时间分布情况进行了详细的模拟，并考察了操作参数和结构设计对流场和停留时间分布的影响，通过压降实验数据在宏观尺度上验证了模拟的正确性。流场展示了气体在颗粒床和气体通道内的曲折流动行为增加了气体的平均停留时间，内构件结构参数对气体流场和停留时间分布产生重要影响。RNG的模型来源于严格的统计技术。相对于标准模型，RNG的模型通过修正湍动粘性系数和在ε方程中增加了反映主流的时均应变率，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况，因此可更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动问题[43-44]。RNG理论为湍流Prandt数提供了一个解析公式，然而标准模型使用的是用户提供的常数；标准模型是一种高雷诺数的模型，RNG理论提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式。这些特点让RNG的模型比标准模型在更广泛的流动中有更高的可信的能力和精度。孟辉波[45]等利用计算流体力学方法的雷诺时均方程（RNAS)和RNG的湍流模型计算了SK型静态混合器内的浓度响应曲线。带旋流修正的模型是近期才出现的，其为湍流粘性增加了一个公式，为耗散率增加了新的传输方程。带旋流修正的模型对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现。带旋流修正的模型和RNG模型都比标准模型在强流线弯曲、漩涡和旋转有了更好的表现。由于带旋流修正的模型是新出现的模型，所以现在还没确凿的证据表明它比RNG模型有更好的表现。但是最初的研究表明带旋流修正的模型在所有模型中，对流动分离和复杂二次流有很好的作用。带旋流修正的模型的一个不足是在主要计算旋转和静态流动区域时不能提供自然的湍流粘度。这是因为带旋流修正的模型在定义湍流粘度时考虑了平均旋度的影响。这种额外的旋转影响已在单一旋转参考系中得到证实，而且表现要好于标准模型。俞志楠等[46]用Fluent软件，对带旋流修正的模型对气流喷射床反应器的RTD进行了研究。结果表明，伴随着液流量的增大，停留时间渐渐趋于稳定，然而气流量对液体停留时间影响较微弱，认为液量是影响停留时间的主要原因；方差结果说明液体在反应器内的流动比较接向平推流。模拟出的液体停留时间分布密度函数的峰形、出峰时间跟实验所得的数据较符合，但是模拟出的峰高却高于实验值，从而模拟所得的液体平均停留时间较短。计算流体力学方法对反应器内的停留时间分布的研究成果有长足而深远的进步，可以直观地展现很多物理模型外的，可为实验研究成果提供支持。伴随着流体力学理论的逐步完善及计算机硬件、软件的发展，CFD方法必将发挥更大的作用。1.5停留时间分布中的统计学方法研究简要介绍Markov过程在求解复杂问题过程中，随问题的复杂性的进度，模型的求解不会更麻烦，而且对于离散时间过程，它可计算连续行为的解析解。Markov链通过将不同区域分为平推流和全混流，接着对其进行组合分析建立模型分析，也有极好的预测的能力。相信Markov过程以其特有的优势在以后的研究中能得到更广阔的体现。1.6讨论对停留时间分布问题研究的必要性和重要性已为各国学者所认知，也搞了大量的工作。传统的理论分析方法、计算流体力学方法与模型分析方法和实验测量方法组成了研究流体RTD的完整体系。理论分析，它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有希望得出理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。实验测量方法得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其重要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度等参数的限制，有时也可能很难通过实验方法得到结果。此外，实验还会碰见经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。用计算流体力学对反应器、混合器内停留时间分布数值计算的缺点是它只可以对熔体部分搞研究，间接模型模拟则可以对整个反应器的RTD进行计算，但其物理意义不是很明确，考虑加工条件和物料参数的影响较弱。统计学方法在RTD研究中得到了日益广泛应用。综上，理论分析方法是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础，而建立概念模型需要实验提供大量准确的数据，CFD的模拟结果也是需要实验结果来验证。因此如何将上述方法有机的结合，充分发扬每种方法的优点，将是以后RTD研究的重点。参考文献[1] 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