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1、第三章反应器中的混合及其对反应的影响用反应物料质点在反应器内的停留时间来描述不同反应器内流体流动类型是很好的主意，平推流反应器具有相同地停留时间，而全混流反应器则具有不同的停留时间，不同的停留时间可以用停留时间分布来描述，工业反应器流动类型往往偏离了两种理想流动模式，其停留时间分布特征也与两种理想流动模式不同。通过了解工业反应器地停留时间分布，能较好的反映出它偏离理想流动模式地程度。 3.1连续反应器中物料混合状态分析按混合对象的年龄来分类 相同年龄物料之间混合同龄混合，如间歇反应器 不同年龄物料之间的混合-返混，如连续流动釜式反应器。按混合发生的尺度大小来分类。 宏观混合：指设备尺度上的混合
2、现象。 微观混合：一种物料微团尺度上的混合。(微团如固颗、气泡、液滴等) 3.2停留时间分布的测定 3.2.1 停留时间分布 Reside nee time distribute n停留时间是指物料质点从进入反应器开始，到离开反应器为止，在反应器中总共停留的时间，即质点的寿命分布。物料在反应器中的停留时间分布是一随即过程，按照概率论，可用两种概率分布规律来描述无聊在流动系统中的停留时间分布，即停留时间分布密度与停留时间分布函数。一、停留时间分布密度RTD定义：同时进入反应器的 N各流体质点中，停留时间介于t与t + dt间的质点所占分率 虫N为E(t)dt , E(t)称为停留时间分布密度函数
3、，此函数具有归一化性质。E(t)dt二、停留时间分布函数 F (t)t的质点(或停留时间介于 0t之间的质点)的定义：流过反应器的物料中停留时间小于 分率。tF(t) 0E(t)dtt=0 时，F(t) = 0t 时，F(t) = 1dtF (t )与E (t)的关系，由定义可知：E(t)反映在图上，E (t)曲线在某一 t时的值就是F( t )曲线对应点处切线的斜率，反之，若(t )曲线已知，0t区间E (t )曲线下的曲面面积即为 t时刻F (t )的值。 可见两者之间可相互换算只须知其一即可。 322停留时间分布的试验测定一、试验测定技术-示踪剂应答技术用一定的方法将示踪物加到反应器进口
4、，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停留时间分布规律的试验数据(示踪剂的选择)。光学示踪剂、电学示踪剂、化学示踪剂、放射性示踪剂等，如向物料中加入少量有色颜料，然后用光电比色仪测定流出液颜色的变化，采用何种示踪物，要根据物料的物态、 项系，以及反应器的类型等情况而定，示踪剂除了不与主流体发生反应外，其选择一般还应遵循下列原则：1、示踪剂应当易于和主流体溶为一体，除了显著区别于主流体的某一可检测性质外， 两者应具有尽可能相同的屋里性质。2、示踪剂浓度很低时也能够检测，这样可使示踪剂用量减少而不影响主流体流动。3、 用于多项系统检测的示踪剂不发生由一相转移到另一相的情况，
5、如气体示踪剂不能 被液体吸收，液相示踪剂不能挥发到气相中去，各种示踪剂都不被器壁或催化剂颗粒吸附：4、 示踪剂本身应具有或易于转变为电信号或光信号的特点，从而能在实验中直接使用 现代仪器或计算机采集数据作实时分析，以提高实验的速度与精度。根据示踪剂输入方式的差异，停留时间分布测定的方法主要有两种：阶跃注入法， 脉冲注入法。二、阶跃法 Step Sig nal当设备内流体达到稳态流动后，自某瞬间起连续加入某种示踪剂物质，然后分析出口流体中示踪剂浓度随时间的变化，以确定停留时间分布。示踪剂t = 0时，连续加入浓度 C0的示踪剂，检测出口处示综物质浓度C随t的变化。结果分析：停留时间为t时，出口物
6、质中示踪剂的浓度为c,混合物流量为 V,所以示踪剂流出量为Vc,又因为在停留时间t时流出的示踪物，也就时在反应器中停留时间小于t的示踪剂总和。按定义，物料中小于停留时间t = 0例子所占的分率为 F (t ),因此当示踪剂入口流量为VCO时，示踪物出口流量为 VCOF(t)，即VcF(t) VC故 F(t)CC0 S下标s表示输入时阶跃函数，由此可见，用阶跃注入法测得的时停留时间分布函数。阶 跃函数可用如下数学式子描述:(t0三、脉冲法 pulse sig nal当反应器中流体达到定态流动后，在某个极短的时间内，将示踪剂脉冲注入进料中, 然后分析出口流体中的示踪物随时间的变化，以确定停留时间分
7、布。0,t0C Co,O t t0,t t(应答曲线)结果分析：混合物的流量为 V,出口示踪物浓度为 C,在dt时间中示踪物的流出量为VCdt ,又由停留时间分布密度的定义，E (t) dt是出口物料中停留时间为t与t + dt之间示踪物所占分率。若在反应器入口处，在极短的瞬间Y时间内加入示踪物总量为M则M Vcot则ME(t) dt就是出口物料中停留时间为 t与t + dt之间的示踪剂的量。ME(t)dt VcdtE(t) V(C)p M下标P代表脉冲输入法示踪物加入总量M可由下式求出:M V (C)pdtE(t)(C) p0 (C)pdt又 F(t)F(t)toEWdtt0(C)pdt、(
8、C)pdt 323停留时间分布的数字特征借助于概念统计中“数学期望”和“方差”等概念来描述随机函数停留时间分布的规律。、数学期望停留时间分布的数学期望 ？就是物料在反应器中的平均停留时间tm平均停留时间：dVR Vdttm若V不变，则tmvr dVRt m指整个物料在设备内的停留时间，而不是个别质点的停留时间，tm与流型无关。流型只改变物料质点的停留时间分布，却不改变tmtm=? ME空tE(t)dt.E(t)dt 0对于停留时间分布密度曲线，数学期望就是对于原点的一阶矩，即为分布密度曲线下面这块面积的重心在横轴上的投影。1円)对离散型测定值t?tE上一空 (t相等)E(t) t E(t)方差
9、式是用来度量随机变量与其均值的偏离程度，是 矩，其定义为E(t)曲线对平均停留时间的二阶0 (t ?)2E(t)dtE(t)dt0 (t ?)2E(t)dt20 t E(t)dtt?22可见方差是停留时间分布离散程度的量度，t愈小，愈接近平推流，对平推流反应器,系统中所以质点的停留时间相等且等于Vr , t ?，故t2 = 0V对离散型实验点，则2t?2 t E(t) t 丽三、对比时间采用无因次对比时间来表示停留时间分布的数字特征。平均对比停留时间1 1tmE()dF( ) dF(t)dttmE(t)E()d0(1)2E( )d1)2E(t)tmd1tm(t t?)2E(t)dt对平推流全混
10、流21般实际流型:2接近于0,可作PFR接近于1时，可作CSTRF(t)=0ttmF(09 tm或9)=1e 10ttm01E(t)=ttm或E(9 ) = 10ttm01 理想流型的停留时间分布、平推流 Plug flow(C/Co)应答9/ 631010 PFR-CSTR(C)90Reactor算，则:嘗 VR(C0 C)1(C0C)t m、全混流设进行阶跃注入实验，dt时间内，加料中示踪物浓度为Co,物料流量为 V,则加入到的量VC0dt，又出口处浓度为 C，积累物料为 *dc，对反应器作示踪物的物料衡VCodt VCdt VRdcdCC0 Cln(CoCC) 0txtm 0CC0F(t
11、)t/tmF()E(t)1etmt/tmE() 3.3、单参数模型多级串联全混流模型（非理想流动模型）Ta nks in Series Model用m个等体积的全混流模型串联来模拟实际反应器已知实际反应器的平均停留时间为tm,方差为 2目标：恰当的级数求解过程：m使m个等体积全混流反应器串联的停留时间与实际反应器相符。设多级串联全混流模型中，在系统入口阶跃注入浓度为Co的示踪物，对第i个反应器进行示踪物的物料衡算，得Ci 1V CiVVRidC固tm m守，故dCidtfCilmtmCi 1t mCimetmmt/tmtCi 1emt/tmdto i 1对第一级Ci 1Co，C1mCo - etmmt/tmmt/tmdtC1C0e mt/tm同样对第二级Ci 1Cl，代入前式亠 m mt /tC2 etmtoCo(1mt/tem)emt/tmdtC2Comt/tm(1mt、) tm推广之:F()CmC丄(m)21(mm 1H(m)2 o(E()1)2E(oE( )d(m 1)d2E()dm 1e(m 1)!md1也emdo (m 1)!故由2可得m值，m12tt N tititi t f NTfi21/N、多级全混流模型计算11 XAm （厂1 k2 1
反应器中的混合及其对反应的影响
