3非抱負流淌反響器3.1概述抱負反響器 ◆長直流管式反響器→PFR，無返混 ◆連續攪拌反響器→CSTR，完全返混實際反響器 ◆流體元—流體流淌時獨立存在的最小單元 ◆流體流淌：流速分布；集中；對流等◆設備設計：短路；死區；〔溝流〕 ◆停留時間分布：↗r↗—↗ ◆局部返混與流體輸送有關的根本原理，稱為“流體流淌”1〔一〕根本概念年齡：物料〔質點〕從進入反響器開頭，目前已經在反響器內逗留的時間〔照舊未離開反響器〕停留時間：物料〔質點〕從進入反響器開頭，到離開反響器為止，在反響器中總共逗留的時間。這個時間也就是質點的壽命混合、返混〔Backmixing〕及其區分停留時間分布爭論的主要應用◆診斷型；◆設計型2〔二〕返混對反響過程的影響停留時間分別為t1和t2物料混合的反響速率不等于兩者反響速率的平均值，即：33.2流體在反響器內的停留時間分布〔三〕按返混程度對反響器分類◆完全不返混反響器〔PFR〕◆完全返混反響器〔CSTR〕◆局部返混反響器定量描述—引入概率論的方法物料在反響器中的逗留時間〔年齡〕分布是一個隨機過程，可用相應概率分布規律函數定量描述4定量描述引例：假設有一個如以下圖的連續流淌反響器，考察一個小的流體團A，流入反響器后如何流出56◆假設將全部Δt時間中流出的nA全部疊加，得到的就是nA0，因此有：◆而將截止到t時刻之前所流出的A的分率表示為F(t)，稱停留時間分布函數。◆反過來說：73.2.1停留時間分布的定量描述〔1〕停留時間分布函數〔概率函數〕物理意義：在定態和不發生化學反響時，流過反響器的物料中，停留時間小于t的物料占總流出物的分率8〔2〕停留時間分布密度函數〔概率密度函數〕物理意義：在定態和不發生化學反響時，流過反響器的物料中，停留時間介于t和t+dt之間的物料占總流出物的分率9〔3〕平均停留時間〔數學期望〕〔4〕離散度〔方差〕物理意義：表示隨機變量與其平均值之間的偏離程度103.2.2以比照時間作自變量的停留時間分布◆以比照時間為自變量表示的停留時間分布規律◆比照時間的定義：11兩種停留時間分布規律之間的相互關系123.2.3停留時間〔RTD〕的試驗測定輸入示蹤物為鼓舞輸出示蹤物為響應回憶：雷諾數與流體流淌類型的相互關系〔紅墨水試驗〕停留時間試驗測定目的：判定反響器內流體的流淌狀態方法：示蹤應答技術〔鼓舞－響應〕對示蹤物的要求：◆與被測流體互溶，且無化學反響；◆示蹤劑不易發生相轉移；◆參與示蹤劑不影響流型；◆易于檢測；◆無害且價廉。13示蹤物參與方法階躍注入法脈沖注入法周期注入法14〔1〕階躍示蹤法瞬間突然轉變示蹤劑的濃度并保持下去。15應答〔響應〕：t時刻流出的物料中的示蹤劑為兩局部組成，一局部是t=0時刻之前進入的，另一局部是t=0時刻之后進入的16假設階躍輸入前物料中不含示蹤物時，則17例題3-1測定某一反響器停留時間分布規律，承受階躍示蹤法，輸入的示蹤劑濃度c0=7.7kg·m-3，在出口處測定響應曲線如表所示。求在此條件下F(t)，E(t)及與值。18192021〔2〕脈沖示蹤法22示蹤物衡算：在t0時間間隔內向流量為V的流體中參與總量為m的示蹤物，則23例題3-2在穩定操作的連續攪拌式形反響器的進料中脈沖注入染料液(m∞=50g)，測出出口液中示蹤劑濃度隨時間變化關系如表所示。請確定系統的F(t)，E(t)曲線及，值。24解：本試驗承受脈沖示蹤法，測定的時間間隔一樣(△t=120s)，計算式為：25計算結果：26273.2.4抱負反響器的停留時間分布規律PFR鼓舞與響應過程的物理描述：28CSTR鼓舞與響應過程的物理描述：29鼓舞過程的數學描述：30CSTR—以階躍示蹤法為例31PFR和CSTR停留時間分布規律的比照32333.3非抱負流淌模型用來描述介于兩種抱負狀況之間的流型，并通過對流型的描述，估量在非抱負流淌狀態下的反響結果。將流型與化學反響聯系起來，估量反響體積、處理量、轉化率等之間的關系。介紹三種模型：凝集流模型、多級串聯槽模型和軸向集中模型。343.3.1凝集流模型根底物理模型：間歇反響器根本假定：流體以流體團的方式流過反響器，且彼此之間不發生混合；每個流體團相當于一個小反響器；由于返混的作用，每個流體團在反響器內的停留時間不同，到達的轉化率因而不同，在反響器出口處的宏觀轉化率，就是各不同停留時間的流體團到達的轉化率的平均值。353.3.1凝集流模型實際反響器與B.R.的關聯：每個流體團都作為一個間歇反響器，它的反響時間由停留時間分布準備。而流體團在停留時間內到達的轉化率由反響動力學準備。最終，將二者結合起來，在出口處加權平均，得到最終轉化率模型實質：相當于假設干間歇反響器的并聯，將非抱負流淌對反響的影響明顯化了。36

凝集流模型的數學描述3738393.3.2多級串聯混合槽模型根底物理模型：CSTR根本假定：反響器是由假設干大小相等的全混流反響器串聯而成；各全混流反響器之間不存在返混，輸送管道內不發生化學反響；定常態操作。模型實質：以停留時間分布為紐帶，通過假設干個串聯CSTR反響器的行為分析靠近非抱負反響器。40

多級串聯混合槽模型計算：V0,c0,V1,c1,V2,c2,Vn,cnVi,ci,41各級CSTR反響器停留時間分布規律的計算1根底衡算方程：2以階躍輸入法測定停留時間分布，則在時間t時對第i個反響器的示蹤物進展物料衡算可得：3設每個CSTR的容積均為VRi，則N個CSTR的總容積為NVRi424

對第一級CSTR5對其次級CSTR436

對第三級CSTR

N

以此類推，對N級CSTR出口流體中的示蹤物濃度為：44

各級CSTR停留時間分布規律的計算45461N=1，全混流2N=，平推流3N等于某一值，意味著該反響器的返混程度相當于N個抱負混合反響器的串聯-等效關聯。4N只是一個虛擬值，因此，N可以是整數也可以是小數。5停留時間分布密度函數的散度為槽數的倒數。47多級混合槽模型的應用483.3.3軸向集中模型根底物理模型：PFR根本假定：主體流淌為平推流，但疊加一渦流集中；渦流集中遵循費克集中定律且在整個反響器內集中系數為常數；定常態操作。費克集中定律(Fick’slaw)49在有化學反響時對反響物做物料衡算：dlPFR+軸向集中50整理得：5152開式邊條：邊界處與反響器內流淌型態沒有突變閉式邊條：邊界處與反響器內流淌型態存在突變開開，開閉，閉開，閉閉。反響器內有返混，如邊界處有返混，則為開式邊界條件，假設邊界處沒有返混，則為閉式邊界條件53開開式邊界條件下的解545556通過集中模型求轉化率定常態下，由根底方程簡化得5758對一級不行逆反響，有解析解59解題步驟：60試用軸向集中模型中的開-開式邊值條件及閉-閉式邊值條件計算例3-3中反響器出口物料的轉化率。解：此題中:例3-661按開-開式邊值條件：計算β值62計算出口轉化率63按閉-閉式邊值條件64本例題假設按平推流反響器計算，其出口轉化率將是：按全混釜式反響器計算其出口轉化率，將是：65663.4均相反響過程的模型法計算小結試驗室試驗小型試驗中間試驗化學模型物理模型工廠設計化學反響器模型的建立程序67均相反響過程模型法爭論步驟3.4.1小試爭論反響規律反響類型、產物分布、化學計量關系、動力學規律等。奠定合理選擇反響器類型及反響器設計計算根底3.4.2依據化學反響規律合理選擇反響器類型從反響類型〔單一、自催化、可逆、平行和連串反響〕和動力學動身初步確定反響器類型3.4.3大型冷模試驗爭論傳遞過程規律均相反響：以停留時間分布規律歸納描述683.4.4反響器設計計算綜合反響規律和傳遞規律定量計算BRorPFR散度值為零2=0不存在返混CSTR散度值為12=1完全返混實際反響器散度值