陈甘棠主编化学反应工程第四章.ppt

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1、第四章非理想流动上一章讨论了两种不同类型的流动反应器-CSTR和PFR。在相同的情况下，二者的操作效果有很大的差别，究其原因是由于反应物料在反应器内的流动状况不同，即停留时间分布不同。平推流反应器，出口的反应物料质点在反应器内停留了相同的时间。全混流反应器，出口的反应物料质点具有不同的停留时间。在实际反应器中，由于各种工程因素的影响，流动反应器内物料的流动状况往往偏离平推流和全混流。对不是平推流的连续操作的反应器，由于同时进入反应器的物料颗粒在反应器中的停留时间可能有长有短，因而形成一个分布，称为“停留时间分布”。这时常常用平均停留时间来表述，即不管同时进入反应器的

2、物料颗粒的停留时间是否相同，而是根据体积流率和反应器容积进行计算物料在反应器中的流动与混合情况，按照流体流动的机理，一般区分为层流与湍流两种流型。如在层流时，在圆形导管横截面上呈抛物线的速率分布。流速不同，说明物料颗粒在反应器中的停留时间不一。返混：不同停留时间的流体颗粒之间的混合返混改变了反应器内物料浓度的分布，对反应进程产生倒退的影响CSTR反应器的特征就是典型的返混需要特别说明的是，凡是流动状况偏离平推流和全混流这两种理想情况的流动，统称为为理想流动，都有停留时间分布问题，但不一定都是由返混引起的。比如层流就是有停留时间分布的非理想流动，但并无返混。其他如短路

3、、死角等都能引起停留时间上的差异。因此非理想流动比返混具有更广泛的意义。4.1.非理想流动与停留时间分布停留时间：流体从进入系统时算起，到其离开系统时为止，在系统内总共经历的时间，即流体从系统的进口至出口所耗费的时间。寿命分布：指流体粒子从进入系统到离开系统的停留时间是对出口处而言。年龄分布：指流体粒子进入系统在系统中停留的时间。在实际工业反应器中由于物料在反应器内的流速不均匀，或者由反应器内部构件的影响造成和主体流动方向相反的环流（例如搅拌引起物料的环流），或者在反应器内存在着沟流、环流和死区。这些工程因素，都会导致物料的流动状况偏离理想流动。非理想流动使得物料在

4、反应器中的停留时间有长有短，形成停留时间分布，对反应速率和产品质量产生影响。4.1.1非理想流动与停留时间分布1、停留时间分布理论停留时间：流体从进入系统时算起，到其离开系统时为止，在系统内总共经历的时间，即流体从系统的进口至出口所耗费的时间。寿命分布：指流体粒子从进入系统到离开系统的停留时间，是对出口处而言。年龄分布：指流体粒子进入系统在系统中停留的时间。区别：寿命分布指的是系统出口处的流体粒子的停留时间，年龄分布是对系统中的流体粒子而言的停留时间。实际测定得到的且应用价值又较大的是寿命分布。通常所说的停留时间分布指的是寿命分布。由于物料分子在反应器中的停留时间分

5、布完全是一个随机过程。不能对单个分子考察停留时间研究的流体一般是指由一堆分子组成的流体粒子或微团。流体粒子包含的分子足够多，其具有确切的统计平均性质讨论的系统为封闭系统：系统进口处有进无出，系统出口处有出无进停留时间分布理论不仅是化学反应工程学科的重要组成部分，而且还广泛地应用于吸收、萃取、蒸馏及结晶等分离过程与设备的模拟。一方面通过测定分布来分析工况、来检查设备是否存在死区或短路等情况；另一方面可以建立合适的流动模型，作为物料衡算、热量衡算等的基础。描述停留时间分布则是根据概率理论中的概率密度函数和概率函数来描述。2、停留时间分布的定量描述假定在流体流动过程中密度

6、不变且无化学反应发生。设流入系统的流体是无色的。当流动达到定态的情况下，于某一时刻（t=0）极快地向入口流中加入100个红色粒子，同时在系统出口处记下不同时间间隔内流出的红色粒子数。从加入红色粒子时算起，第4分钟至第6分钟间，出口流中红色粒子的数目为30，因此可以说100个红色粒子中有18%的停留时间介于4min至6min之间停留时间分布的定量描述（1）停留时间分布密度函数出口中红色粒子数t24863816这种方法称为示踪响应技术，是停留时间分布实验的基本依据。红色粒子称为示踪剂上面以红色粒子作为示踪剂得到的是离散的停留时间分布。假如改用红色流体做示踪剂，连续检测出

7、口流中红色流体的浓度，这样就可以将时间间隔dt缩到极小，得到的将是一条连续的停留时间分布曲线得到的曲线称为流体在反应器内的停留时间分布密度函数曲线，表示为E(t)离散型的E（t）定义为：在同时进入的N个流体颗粒中，其中停留时间介于t和t+dt间的流体颗粒所占的分率dN/N，为E（t）dt也即：E（t）dt表示流体粒子在系统内的停留时间介于t和t+dt之间的概率。连续型：首先选定一个足够小的时间间隔△t，在t与△t之间示踪剂的浓度才C（t）可视为常数，在t与△t之间离开反应器的示踪剂的量为：△N=C（t）v0△t注入反应器的示踪剂的总量为N:停留时间分布密度函数，