停留时间分布及反应器的流动模型

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30
脉冲法和阶跃法的比较
脉冲法
阶跃法(升阶法)
示踪剂 瞬间加入,较困难 将原有流股换成流
注入方
量与其相同的示踪

剂流股,易于实现
可直接测得
E(t)
E(t)
c(t)
E(t) dF (t) dC(t) dt C0dt
0 c(t)dt
F(t)
t
t
F (t) E(t)dt 0
C(t)dt
0
C(t)dt
23
例5-1 流化床催化裂化装置中的再生器,其作用系用空气燃 烧硅铝催化剂上的积炭使之再生。进入再生器的空气流量为 0.84kmol/s。现用氦气作示踪剂,采用脉冲法测定气体在再生 器中的停留时间分布,氦的注入量为8.8410-3kmol 。测得再生 器出口气体中氦的浓度c(用氦与其他气体的摩尔比表示)和 时间的关系如下:
第五章
停留时间分布与反应器的流动模型
5.1 停留时间分布 5.2 理想反应器的停留时间分布 5.3 非理想流动模型 5.4 流动反应器中流体的混合
1
在第3 章和第4章中讨论了两种不同类型的流动反 应器——全混流反应器和活塞流反应器。在相同的 情况下,两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。前面处理连续釜式反应器的设计 时使用全混流假定,处理管式反应器问题时则使用 了活塞流的假定;如果不符合这两种假定,就需要 建立另外的流动模型。
示踪剂脉冲注入 A
主流体 Q
CA(t)
δ(t)
系统 VR
示踪剂检测 CA(t)
Q
CA(t)
t=0
t
0
t
图4.1-2 脉冲法测定停留时间分布示意图
21
设加入示踪剂A的量为m,在无限长的时间,加入的
示踪剂一定会完全离开系统。
即: m Qc(t)dt 0
出口物料中在系统内停留了t~t+dt 时间的示踪剂量为
36源自文库
③ 无因次化
E( )d E(t)dt d dt
t
0 E( )d
2
2 t
2
t
2
E(
)d
1
0
37
例题 5.2 用(1)脉冲法;(2)升阶法;(3)降阶法分别测
得一流动系统的响应曲线c(t),试推导平均停留时间 t 及方差
0
dF( ) E( ) d
dF(t) E(t) dt
18
二、停留时间分布的实验测定
停留时间分布实验测定方法是示踪响应法, 通过用示踪剂来跟踪流体在系统内的停留时间。
根据示踪剂加入方式的不同,又可分为脉冲法、
阶跃法及周期输入法三种。
19
图 5.2 示踪剂输入法
20
1.脉冲示踪法
特点:在定常态操作的系统瞬间加入一定量的示踪剂,。
反应器内的返混程度不同—停留时间不同—浓度分布 不同—反应速率不同—反应结果不同—生产能力不同
非理想流动反应器:介于两种理想情况之间,停留时间是 随机变量,因此停留时间分布是一种概率分布。
7
几个概念:
停留时间: 流体从进入反应器系统到离开系统总共经历的时间,即流体从系
统的进口到出口所耗费的时间。
年龄 反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间;是对仍留在反
如果假定红色粒子和主流体之间除了颜色的差别以外,其余 所有性质都完全相同,那么就可以认为这100个粒子的停留 时间分布就是主流体的停留时间分布。
11
N N
t
停留时间为 t t t的物料量 0时瞬间进入反应器的物 料量
以时间t为横坐标,出口流中红色粒子数为纵坐标,将上表作图。
N 表示停留时间为t→t+△t的物料占总进料的分率。 N
12
示踪剂改用红色流体,连续检测,得到一条连续的停留时间分布曲线。
在稳定连续流动系统中,同时进入反应器的N个流体粒子 中,其停留时间为t~t+dt的那部分粒子占总粒子数N的分 率记作:
E t
E t dt
t t dt
t
13
停留时间分布密度函数
E(t)dt 定义为在t=0时刻进入反应器的流体微元,在t至 (t+dt)时间段内离开反应器的概率(分率),即
2
本章要解决的问题: 1. 阐明流动系统的停留时间分布的定量描述及其实验测定 方法; 2. 建立非理想流动模型; 3. 在所建立模型的基础上,说明该类反应器的性能和设计 计算;
• 4. 介绍有关流动反应器内流体混合问题,阐明几个基本 概念。
3
5.1 停留时间分布
停留时间:
流体从进入反应器系统到离开系统总共经历的时间, 即流体从系统的进口到出口所耗费的时间。
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2)停留时间分布函数的无因次化
Ⅰ)平均停留时间 t
对于封闭系统中的流体,当流体密度维持不变时,其平均停
留时间等于
t Vr Q0
令:无因次时间: t
t
如果一个流体粒子的停留时间介于(t,t+dt);则无因次停留 时间介于(θ, θ+dθ)内。因为所指是同一事件,所以t和 θ介于这一区间的概率相等。
应器中的物料质点而言的。 寿命
反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间;是对已经离开反 应器的物料质点而言的。
8
相互联系: 寿命指反应器出口流出流体的年龄 实际测得的一般是寿命分布,应用价值大。停 留时间分布一般指的是寿命分布。
返混: 又称逆向返混,不同年龄的质点之间的混合。
———是时间概念上的混合
xf ( x)dx
绝对收敛,则称之为X的数学期望,记为E(X),即
E( X ) xf ( x)dx 33
② 方差: 随机变量X的方差表达了X的取值与其数学期望的
偏离程度.若D(X) 较小,则意味着X的取值比较集中 在数学期望E(X)的附近;反之,若D(X)较大,则表明 X的取值比较分散.
若X是连续型随机变量,且其密度函数为f(x). 则
D( X )
[x
E(X
)]2
f
( x)dx
E(X)数学期望
34
5.3 停留时间分布函数的统计特征值
① 数学期望(平均停留时间):
t
tE(t)dt
0
E(t)dt
tE(t)dt
0
0
平均停留时间 t 应是 Et 曲线的分布中心,即 Et 曲线
E( )d E(t)dt d dt E tEt t
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F(t)本身是一累积概率,而θ是t的确定函数
随机变量的确定性函数的概率与随机变量的概率相等
F Ft
停留时间分布密度函数积分
E( )d F ( ) 0
t E(t)dt F(t) 0
停留时间分布函数求导数
E d 1
0
E t dt 1
F(t) Q0CA(t)dt CA(t)
Q0C dt CA0
c0 t
cA
cA0
cA0
t 0
t
t
28
降阶法: 在切换成第二流体后的t ~ t+dt时间间隔,检测
到的示踪剂在系统中停留时间是大于时间t,比值
C (t) / C (0) 为停留时间大于t的物料所占的分数。
1 F (t) CA (t)
➢ 反应物料在反应器内停留时间越长,反应的进行得越完 全。对于间歇反应器,在任何时刻下反应器内所有物料在其 中的停留时间都是一样,不存在停留时间分布问题。 ➢对于流动系统,由于流体是连续的,而流体分子的运动又 是无序的,所有分子都遵循同一途径向前移动是不可能的, 完全是一个随机过程。但是并不排除流体粒子会存在大体相 等的情况,第4章对管式反应器所作的活塞流假定就是基于 这一情况。
26
2.阶跃示踪法
输入函数
c0c0
t t
0 c0
t<0 t0
cc00
t t
c
0
0
=Con
t
t<0 0
• 图5.1-3 阶跃法测定停留时间分布示意图
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升阶法: 在切换成第二流体后的t-dt~t时间间隔,示踪剂
流入系统量为Q0C() dt,示踪剂流出系统量为
Q0CA(t) dt,由F(t)定义可得:
停留时间范围 t→t+△t
出口流中的 红色粒子数 分率△N/N
0-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-14
02
6 12 18 22 17 12 6
4
1
0
0 0.02 0.06 0.12 0.18 0.22 0.17 0.12 0.06 0.04 0.01 0
9
系统分类 系统有闭式系统和开式系统之分。闭式系统具
有闭式边界,即进口和出口没有返混。反之,则为 开式边界。
RTD(Residence Time distrubution)的应用 · 对已有设备的RTD诊断,发现可能的问题; · 设备的设计与分析,建立适当的数学模型。
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停留时间分布的定量描述
例:在连续操作的反应器内,如果在某一瞬间(t=0)极快 地向入口物流中加入100个红色粒子,同时在系统的出口 处记下不同时间间隔流出的红色粒子数,结果如下表。
E(t) 被称为停留时间分布密度函数。
此定义函数具有归一化的性质:
E(t)dt 1
0
因为当时间无限长时,t = 0时刻加入的流体质点都会流出反应器,即
0 ndt N

0 E(t)dt 0 ndt N 1
停留时间分布密度具有如下的特性:
E t 0 t<0 E t 0 t 0
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CA0
cA
cA
cA0
t 0
t
t
29
示踪剂的选择
选择示踪剂时,应该注意保证以下几点原则:
• 不与研究的流体发生化学反应; • 易溶于流体中; • 其浓度低时容易检测; • 其浓度与待检测的物理量成线性关系; • 对于多相系统,示踪剂不发生从一个相到另
一 个相的转移(即不挥发到另一相或不被另 一相吸等)。
试求t=35s时的停留时间分布密度和停留时间分布函数。 解流:量,以气E体(t) 的 Q摩cm(t尔) 式流即量可不求变E,(t)出。口题流给量的仍流为量0Q.8为4k进mo口l/的s。空气
24
F
35
35
0
E
t
dt
25
2.阶跃示踪法
阶跃法是在某一瞬间t=0,将系统中作定常 流动的流体切换成流量相同的含有示踪剂的流 体,并在切换成第二流体的同时,在系统出口处 检测流出物料中示踪剂浓度变化。或者相反。
过前面对釜式和管式反应器的学习,可以发现: • 对于单一反应,反应器出口的转化率与器内的流动
状况有关; • 对于复合反应,反应器出口目的产物的分布与流动
状况有关。
6
全混流反应器:机械混合最大 逆向混合最大
平推流反应器:机械混合为零 逆向混合为零
间歇反应器:机械混全最大 逆向混合为零
返混程度无穷大 返混程度等于零 返混程度等于零
在所围的面积的重心在t坐标上的投影
在数学上称t为Et 曲线对于坐标原点的一次矩,又称 Et
的数学期望。
35
② 方差:
2 t
(t t )2 E(t)dt
0
E(t)dt
(t t )2 E(t)dt
0
t2E(t)dt t 2
0
0
方差是停留时间分布离散程度的量度 方差越小,越接近平推流 对平推流,各物料质点的停留时间相等,故 方差为零。
停留时间分布函数
定义:在稳定连续流动系统中,同时进入反应器的N个 流体粒子中,其停留时间小于t的那部分粒子占总粒子数N
的分率,记作: F (t) t dN
0N
F (t) t E(t)dt ——停留时间分布函数。 0
F (t) 具有如下特性:
F 1 Ft 0 t 0
总之,F(t)永远为正值
0
可直接测得
F (t) CA (t) CA0
31
32
5.3 停留时间分布函数的统计特征值
采用两个统计特征值: A、数学期望。代表均值(统计量的平均值),这里是:
平均停留时间。 B、方差。代表统计量的分散程度,这里是停留时间对
均值的偏离程度。 ① 数学期望(平均停留时间):
设连续型随机变量X的概率密度为f(x),如果积分
QCA(t)dt,由E(t)的定义可知:
Qc(t)dt mE(t)dt
E(t) Qc(t) m
c(t)
c(t)dt
0
22
注意:
1、物理量与浓度呈线性关系,可直接将物理
量代入求E(t).
Qc(t) c(t)
E(t)
m
c(t)dt
0
2、若测得的响应曲线托尾甚长,应尽量使输 入的示踪计量已知,避免积分
15
E(t)与F(t)的关系
t
F (t) 0 E(t)dt
E(t)
或 E(t) dF(t) dt
1
F() 1
E (t1 ) F (t1)
F(t)
t dF(t) E(t) dt
t1
t
t1
t
若E(t)线已知,将其积分得到相应的F(t)值;当F(t)曲线已知,
在线上的一点作切线,该直线的斜率等于相应的E(t)值
4
5.1 停留时间分布
•形成停留时间分布可能的原因有:
Short circuiting
u
Dead
zone




存在速度分布
存在死区和短路现象
存在沟流和回流
偏离理想流动模式,反应结果与理想反应器的计算值具有 较大的差异。
5
5.1 停留时间分布
• 3.流动状况对反应的影响 • 釜式和管式反应器中流体的流动状况明显不同,通
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