第五章 停留时间分布与反应器的流动模型
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停留时间分布与反应器的流动模型
重点：停留时间分布的实验测定； 两种理想流动反应器的停留时间分布。
难点：流动系统物料停留时间分布的意义极其数学表达式 返混的概念
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《反应工程》
停留时间分布与 反应器的流动模型
5.1 停留时间分布
一、 概述
活塞流和全混流反应器中流体流动可分别采用活塞流
与全混流模型描述，反应器内流动状况的不同对反应有十
2. 返混的概念； 3. 反应器偏离理想流动的原因； 4. 多釜串联、轴向扩散模型和离析流模型的物理意
义和建立数学模型的基本思路，能根据实验测定
的反应器停留时间分布数据来确定模型参数。
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《反应工程》
停留时间分布与反 应器的流动模型
了解：流体的微观混合与宏观混合及流体的混合态时对流
动反应器转化率的影响。
说，一定的返混必然会造成确定的停留时间分布，但是
同样的停留时间分布可以是不同的返混所造成，所以停
留时间与返混之间不一定存在对应的关系。因此，不能
直接把测定的停留时间分布用于描述返混的程度，而要
借助于模型方法。
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《反应工程》
停留时间分布与反 应器的流动模型
模型法：通过对复杂的实际过程的分析，进行合理的简化
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停留时间分布与反 应器的流动模型
dFtEtdt
Ft0tEtdt
停留时间分布函数F(t)— 停留时间小于t的流体粒子 所占的分率
无Ft0tdN N0tEtdt
量 纲
t=0时， F00
Et dFt
dt
t=∞时，F 0Etdt1
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《反应工程》
停留时间分布与反 应器的流动模型
平均停留时间：t V r Q
化学反应工程第五章停留时间分布与反应器的流动模型
(5.17) 13
降 c(0) 阶 法 c0(t)
0 t=0
输入曲线
c(0) c(t)
0 t
t 响应曲线
Qc(t )dt
停留时间大于
t 的示踪剂量
Qc (0)dt
示踪剂输入量
1-F(t)
F(t) 1 c(t) c(0)
(5.19)
t→t +dt
脉冲法与阶 跃法比较？14
示踪剂选择基本原则
0
c(t ) F(t)
c()
F(t) 1 c(t) c(0)
18
例5.3: 用脉冲法测得一流动反应器的停留时间分布， 得到出口流中示踪剂的浓度c(t)与时间的关系如下, 试求平均停留时间和方差。
t/min 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 c/(g/min) 0 1 4 7 9 8 5 2 1.5 1 0.6 0.2 0
1. 平均停留时间
t
tE(t )dt
0
E (t )dt
tE (t )dt
0
t
t
0
0 E( )d
tEt
t
t
16
2. 方差
t 2
(t t )2 E(t )dt
0
t 2 E(t )dt t 2
0
2
2 E(
浓度c（用氦与其他气体的摩尔比表示）和是的关系
如下：
t/s
0
y×106 0
9.6 15.1 20.6 25.3 30.7 41.8 46.9 51.8 0 143 378 286 202 116 73.5 57.7
第5章停留时间分布与反应器的流动模型
即流体从系统的进口到出口所耗费的时间。
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。
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
ndt N 0
和
E(t)dt
ndt
N 1
0
0
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
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。
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
沟
回
流
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。
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
ndt N 0
和
E(t)dt
ndt
N 1
0
0
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
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。
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
沟
回
流
5停留时间分布与反应器的流动模型
量交换。一个流体粒子就像一个间歇反应器，这时 CA(t) ~t 。
停留时间介于 ttdt之间的流体粒子所占的比率为 E(t)dt
所以反应器出口的平均浓度可以表示为：
CA CA(t)E(t)dt
0
其中CA(t)由反应动力学决定， 而E(t)由RTD确定。
可以表示成转化率的形式：
CA
dd p C tt1 τC p 1tC pt
图5.16 多釜串联图示
其中， V r ，为单一釜的平均停留时间
Q
t0时 Cp00 p1,2,N
由此推导出：
F1 t
C1 t C0 t
1
et C2 t C0 t
流出量的积分求得，即
m QCtdt
这样最后得到：
0
Et
QCt
m
Ct
Ctdt
0
5.2.3 阶跃法
阶跃法有升跃法和降跃法之分，如下图所示。
图5.6阶跃法示意图
由升跃法，可以得到停留时间分布函数，即
FtC C tQ QC C t
分进行物料衡算，最后得到计算方程：
边界条件为：
Dadd2CZ2AuddC AZA0
Z 0,
uCA0 uCADaddCZA 0;
Z l,
dC A 0
dZ rr
对于n级反应,速率方程为：A kCA n 。这样将速率方程带入 计算方程，利用边界条件，就可以得到方程的解。由于方程的非
0
5.4.2 全混流模型
使用阶跃法建立全混流的流动模型，如果所示，将全釜作为 控制体，对示踪剂作物料衡算，有：
流入的摩尔流率=流出的摩尔流率+积累的摩尔流率
停留时间介于 ttdt之间的流体粒子所占的比率为 E(t)dt
所以反应器出口的平均浓度可以表示为：
CA CA(t)E(t)dt
0
其中CA(t)由反应动力学决定， 而E(t)由RTD确定。
可以表示成转化率的形式：
CA
dd p C tt1 τC p 1tC pt
图5.16 多釜串联图示
其中， V r ，为单一釜的平均停留时间
Q
t0时 Cp00 p1,2,N
由此推导出：
F1 t
C1 t C0 t
1
et C2 t C0 t
流出量的积分求得，即
m QCtdt
这样最后得到：
0
Et
QCt
m
Ct
Ctdt
0
5.2.3 阶跃法
阶跃法有升跃法和降跃法之分，如下图所示。
图5.6阶跃法示意图
由升跃法，可以得到停留时间分布函数，即
FtC C tQ QC C t
分进行物料衡算，最后得到计算方程：
边界条件为：
Dadd2CZ2AuddC AZA0
Z 0,
uCA0 uCADaddCZA 0;
Z l,
dC A 0
dZ rr
对于n级反应,速率方程为：A kCA n 。这样将速率方程带入 计算方程，利用边界条件，就可以得到方程的解。由于方程的非
0
5.4.2 全混流模型
使用阶跃法建立全混流的流动模型，如果所示，将全釜作为 控制体，对示踪剂作物料衡算，有：
流入的摩尔流率=流出的摩尔流率+积累的摩尔流率
停留时间分布与反应器的流动模型58页PPT
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t/min
如何在不影响主体流动的情况下测定RTD？
4
E(t) 0.2
QN i
N t 0.1
t 0
0.0
t
t/min
QNi t 1 t 0,EtQiN ,1/s
i0 Nt
Nt
5
E(t)dt
E (t)
停留时间分布密 度函数E (t)性质
t t+dt 停留时间分布密度函数E (t)
c(t) E(t)
c(t)dt
0
F(t) c(t) c()
F(t)1c(t) c(0)
19
例5.3: 用脉冲法测得一流动反应器的停留时间分布， 得到出口流中示踪剂的浓度c(t)与时间的关系如下, 试求平均停留时间和方差。
t/min 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 c/(g/min) 0 1 4 7 9 8 5 2 1.5 1 0.6 0.2 0
12
阶
不含示踪
跃
剂流体Q
法
系统
Q
含示踪剂 流体Q
检测器
响应 曲线
含示踪 剂流体
降阶法 升阶法
不含示 踪剂流体
13
升 c(∞) 阶
c(∞)
法 c0(t)
c(t)
F(t)
0
t=0 t
0
输入曲线
Qc(t)dt
停留时间小于
t 的示踪剂量
Q(c)dt
示踪剂输量
t 响应曲线
t-dt→t
F(t) c(t) c()
m
m
35
F(3)5 0 E (t)d t0.523
t/min
如何在不影响主体流动的情况下测定RTD？
4
E(t) 0.2
QN i
N t 0.1
t 0
0.0
t
t/min
QNi t 1 t 0,EtQiN ,1/s
i0 Nt
Nt
5
E(t)dt
E (t)
停留时间分布密 度函数E (t)性质
t t+dt 停留时间分布密度函数E (t)
c(t) E(t)
c(t)dt
0
F(t) c(t) c()
F(t)1c(t) c(0)
19
例5.3: 用脉冲法测得一流动反应器的停留时间分布， 得到出口流中示踪剂的浓度c(t)与时间的关系如下, 试求平均停留时间和方差。
t/min 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 c/(g/min) 0 1 4 7 9 8 5 2 1.5 1 0.6 0.2 0
12
阶
不含示踪
跃
剂流体Q
法
系统
Q
含示踪剂 流体Q
检测器
响应 曲线
含示踪 剂流体
降阶法 升阶法
不含示 踪剂流体
13
升 c(∞) 阶
c(∞)
法 c0(t)
c(t)
F(t)
0
t=0 t
0
输入曲线
Qc(t)dt
停留时间小于
t 的示踪剂量
Q(c)dt
示踪剂输量
t 响应曲线
t-dt→t
F(t) c(t) c()
m
m
35
F(3)5 0 E (t)d t0.523
停留时间分布与反应器的流动模型
停留时间分布与反应器的流动模型在实际反应器中，流出反应器的反应物浓度的变化与流入反应器的浓度变化之间存在着一定的延迟。
这种延迟现象可以用停留时间来描述，即停留时间越长，反应物浓度的变化越大。
因此，停留时间分布的形态将直接影响反应物浓度和反应速率的分布。
关于停留时间分布的研究，可以采用物理实验方法和数学模型方法。
物理实验方法主要基于示踪剂法，通过在反应器中添加示踪剂，然后在反应物的进出口处进行测量，从而获得停留时间分布的数据。
示踪剂可以是稳定物质，也可以是具有明显性质差异的物质。
物理实验方法可以较为准确地获得停留时间分布的数据，但其工作量大且成本高。
数学模型方法则是通过建立数学方程来描述停留时间分布。
数学模型方法可以采用连续模型和离散模型两种方式。
连续模型是指将反应器内的流体视为连续介质，通过求解偏微分方程来描述流体在空间和时间上的分布。
而离散模型则是将反应器内的流体划分为离散的传输单元，通过求解离散的代数方程来描述传输单元之间的质量传递过程。
针对不同类型的反应器，可以采用不同的数学模型来描述停留时间分布。
例如，对于连续搅拌罐反应器，可以使用完全混合模型（CSTR model），假设反应器内的流体完全混合，从而得到均匀的停留时间分布。
而对于管式反应器，则可以使用两区模型（two-zone model），将管内的流体划分为两个区域，即分子在低速输运区域停留的时间较长，在高速输运区域停留的时间较短。
值得注意的是，停留时间分布对于反应器的性能有着重要的影响。
例如，在反应器中的流体停留时间分布较宽且对称时，反应物的转化率较高，反应速率较快。
而当停留时间分布较窄且偏斜时，反应物的转化率较低，反应速率较慢。
因此，在反应器设计和优化中，需要充分考虑停留时间分布对反应性能的影响，以实现高效的反应过程。
总之，停留时间分布是描述反应器内流体停留时间的概率分布函数。
在反应器设计和优化中，停留时间分布是一个重要的概念，对反应器的性能和反应物转化率等有着直接的影响。
停留时间分布与反应器的流动模型讲义
停留时间分布与反应器的流动模型讲义停留时间分布（RTD）是描述流体在反应器内停留时间的分布情况。
它对于理解反应器的性能和效率至关重要。
通过分析停留时间分布，可以评估反应过程中各种反应物的浓度分布，从而优化反应器设计和操作。
在反应器中，流体进入并通过反应器。
然而，由于流体的动力学特性和反应器的几何形状，不同流体分子停留在反应器中的时间是不一样的。
停留时间分布图描述了流动物质的停留时间的概率分布。
停留时间分布可以通过数学模型来描述。
最常用的数学模型是以连续搅拌反应器（CSTR）为基础的模型。
CSTR是一种理想化的反应器类型，其中反应物在反应器中均匀分布，并以恒定的速率混合。
CSTR模型假设反应物的停留时间服从完美的指数分布。
另一个常用的模型是斑点流动模型（PFR）。
在PFR中，流体在反应器中形成了一系列的“斑点”，每个斑点代表一个流体分子，它们按照一定的速率顺序通过反应器。
PFR模型假设反应物的停留时间服从完美的单谷型分布。
PFR模型更适用于流体通过小直径管道或多孔介质的情况。
反应器的流动模型是利用数学模型描述反应物在反应器内的运动和行为，从而揭示反应过程中的动力学特性。
通过结合停留时间分布和流动模型，可以研究反应器中的物质传递、反应速率、混合程度等重要参数。
总结一下，停留时间分布和反应器的流动模型对于理解反应器的性能和优化设计非常重要。
它们可以帮助我们预测和改进反应过程中的各种流体动力学参数，从而提高反应器的效率和产量。
停留时间分布（RTD）与反应器的流动模型在化学工程领域具有广泛的应用。
通过分析停留时间分布和建立合适的流动模型，可以有效地揭示反应器内复杂流动与反应过程之间的关系，优化反应器设计和流程操作。
首先，停留时间分布是评估反应器性能的一个重要指标。
它反映了反应物在反应器内停留的时间分布情况。
对于快速反应，需要较短的停留时间，而对于缓慢反应，则需要较长的停留时间。
停留时间分布可以通过实验测量或数值模拟来获得。
第五章---停留时间分布-与反应器的流动模型PPT课件
（0 t 时 ）
和
E(t)dt 1.0
0
-
36
E(t)是 典 型 的 函 数 ， 它 具 有 如 下 的 性 质 ：
t2 f(t)E(t)dt
f (t)当t1 t2时
t1
0 当t1,t2或t t1,t2
-
应用这一性质可以得到：
t
F(t) 0 E(t)dt
1.0当 t 0当 t
以 及 t 0(t)2E(t)dt()20
-
第五章 停留时间分布 与反应器的流动模型
1
-
2
-
3
-
4
-
5
-
6
-
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-
8
-
9
-
10
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有实验结果如下：
11
-
12
-
13
-
14
-
定义函数：
15
-
16
-
17
-
18
-
19
-
20
-
21
-
22
-
23
-
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-
25
-
停留时间分布函数的主要特征
26
-
27
-
28
-
c0 0 c0
48
-
E (t )
1
t
e
c
c(t) E(t)dt
e kt 1et dt
1
c0 0 c0
0
1k
49
-
50
-
51
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-
53
-
54
-
55
-
05 第五章 停留时间分布与反应器的流动模型1
1. 基本概念
闭式系统 只与外界交换能量（作 功或热量）而不交换质量 的系统。 停留时间分布 年龄：对存留在系统的粒子而言，从进入系统 算起在系统中停留的时间。 寿命：流体粒子从进入系统起到离开系统止， 在系统内停留的时间。 停留时间分布理论的应用 对现有设备进行工况分析
5.1停留时间分布 Residence Time Distribution, RTD
流动状况对反应的影响 化学反应器中流体流动状况影响反应速率和反应选择 性，直接影响反应结果。 釜式和管式反应器中流体的流动状况明显不同，通过 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。 反应器选型、设计和优化的基础——反应器中的流体 流动与返混研究，即反应器流动模型研究。
选择示踪剂要求：
1) 与主流体物性相近，互溶，且与主流体不发生化 学反应； 2) 高低浓度均易检测，以减少示踪剂的用量； 3) 示踪剂的加入不影响主流体的流动形态；
F(t) F t 0t 0 性质 F () 1
当时间无限长时，t = 0时刻加入的 13 流体质点都会流出反应器
0
E(t )dt 1 归一化
停留时间分布的实验测定
停留时间分布的测定一般采用示踪技术。示踪剂选用易 检测其浓度的物质，根据其光学、电学、化学及放射等特 性，采用比色、电导、放射检测等测定浓度。
4
理想反应器的流动模式 ---- 平推流和全混流
平推流
间 歇 釜
u = const
全 混 釜
理想的平推流和间歇釜停留时间均一，无返混。 全混釜反应器的返混最大，出口物料停留时间分布与釜 内物料的停留时间分布相同。
5停留时间分布与反应器的流动模型fqi
根据F(t)的定义
F (t)
（cc(t)）
c c0
=1
e
t
E(t)
dF (t)
1
e
t
dt
F ( ) 1 e
E( ) e
5.4 理想反应器的停留时间分布
对示踪剂作物料衡算，有： 流入的摩尔流率=流出的摩尔流率+积累的摩尔流率
Q0c0
Qc Vr
dc dt
Vr
Q
dc dt
1
c
1
c0
初值条件：t=0,c=0
2.特点：所有流体微元的停留时间相同，同一时刻进入反 应器的流体微元必定在另一时刻同时离开。经历相同的浓 度、温度变化历程。
5.4 理想反应器的停留时间分布
3.停留时间分布特征 用示踪法来测定活塞流的停留时间分布时，出口响应曲
线形状与输入曲线完全一样，只是时间延迟 1）停留时间分布密度函数
E(t)
0
0
1 1 tdF (t) t
0
5.3 停留时间分布的统计特征值
二.方差—散度 时间t对数学期望的二次矩
2 t
(t t )2 E(t)dt
0
E(t)dt
(t t )2 E(t)dt
0
1 0
(t t)2 dF (t)
0
t2E(t)dt t 2 0
5.3 停留时间分布的统计特征值
5.1 停留时间分布
二、寿命分布和年龄分布 寿命分布-流体粒子从进入系统起到离开系统止，在
系统内停留的时间。 年龄分布-存留在系统中的流体粒子从进入系统算起
在系统中停留的时间。
区别在于：前者指反应器出口流出流体的停留时间，而后 者是反应器中流体的停留时间。
(优选)停留时间分布与反应器的流动模型
0
E(t)dt
tE(t)dt
0
0
2. 方差
t 2
(t t)2 E(t)dt
0
t 2E(t)dt t 2 0
5.4 理想反应器的停留时间分布
5.4.1 活塞流模型
E( t) = (t - t)
F (t)
0, (t
t)
1, (t t)
0 ( 1)d |1 1
θ2
流入的摩尔流率=流出的摩尔流率+积累的摩尔流率
QC0
QC t Vr
dC dt
t 0, C t t
C
t
1
t
e
C0
5.4.2 全混流模型（续1）
F
t
C t C
C t
C0
1
t
e
E
t
1
t
e
F (t) 1 et /
由此可以求出： e d 1
2
2e
d
1 1
0
（最大值）
5.5 非理想流动现象
出口
系统
年龄分布：对存留在系统的粒子而言，从进入系统算 起在系统中停留的时间。
寿命分布：流体粒子从进入系统起到离开系统止，在 系统内停留的时间。
停留时间分布理论的应用 对现有设备进行工况分析 建立合适的流动模型，进行非理想反应器的计算
5.1.2 停留时间分布的定量描述
停留时间分布 Residence Time Distribution
5.1 停留时间分布与流动模型（续）
全混流和活塞流模型对应着不同的停留时间分布，是 两种极端的情况，实际反应器中的流动状况介于上述两种 极端情况之间。本章将针对一般情况讨论停留时间分布及 其应用问题，对于实际反应器的设计与分析非常必要。
第五章 停留时间分布和反应器的流动模型2
t dF ( ) E ( )d tm E (t )d( ) E (t )dt dF (t ) tm
F ( ) F (t )
E ( ) 与 E (t ) 之间的关系 E (t ) : 因次为时间-1， E ( ) 无因次
dF (t ) dF ( ) E (t ) E ( ) F ( ) E ( )d 0 dt d
示踪剂在器内的浓度C=C（z,t）对微元体积做 示踪剂的物衡: [B进入量]－[B离开量]＝[B积累量]
进入量
C Ar uC D a C dz z z
流出量
C C Ar u (C dz) D a z z
系统
VR
t (θ )=0
t (θ )
1.0
t
t(θ )
E(t) (C)P
δ (t)
E(t)
t=0
t
0
t
0 t 0( 0) 输入曲线 C0 t 0( 0)
t t 输出应答曲线 t t t t ( 1) F (t ) 0 ( 1) F (t ) 1 ( 1) F (t ) 1
ci-1 V0
ci V0
i
VRi
F(θ)和E(θ)
i＝m
Cm 1 1 m 2 m 1 F ( ) 1 e 1 m (m ) .... (m ) C0 2! (m 1)!
mm E ( ) m1e m (m 1)!
①流体的流速分布不均匀（层流、沟流、死区） ②主体流动相反的反向运动（搅拌引起的强制对流、 循环流、分子扩散、涡流扩散）
5.2 停留时间分布函数
1.停留时间分布密度E(t)定义 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：dN
停留时间分布与反应器的流动模型
停留时间分布与反应器的流动模型停留时间（residence time）是指流体在反应器中停留的平均时间，通常用时间单位表示。
它在反应器设计和操作中起着重要的作用，对反应器性能和产品质量有着直接影响。
此外，停留时间分布（residence time distribution）还可以用来描述流体在反应器中停留时间的分布情况。
停留时间分布与反应器的流动模型密切相关。
在反应器中，流体的流动通常遵循不同的模型，如完全混合模型、分层模型、或完全不混合模型等。
不同的流动模型会导致不同的停留时间分布。
完全混合模型是指在整个反应器内部，流体以均匀的速度混合和流动。
这意味着反应器内的任何一点，流体的特性都是相同的。
在完全混合模型中，停留时间分布是均匀的，即流体停留的时间是相等的，没有明显的梯度。
这种模型通常适用于小规模反应器或具有高速搅拌的大规模反应器。
分层模型是指在反应器中，流体分为不同的层次流动，形成不同的流速和混合程度。
在这种模型中，停留时间分布是不均匀的，不同位置的流体停留的时间不同。
通常，在底部和顶部的流体停留时间较长，而在中间位置的流体停留时间较短。
这种模型适用于某些特定的反应器类型，如换热塔或蓄能反应器。
完全不混合模型是指反应器中流体不进行混合，而是呈现分层的状态。
在这种模型中，停留时间分布是非常不均匀的，不同位置的流体停留时间差异非常大。
这种模型通常适用于某些特殊的反应器，如上升气流床反应器或固定床反应器。
为了更好地理解停留时间分布和反应器的流动模型，研究者通常使用流体动力学实验和数值模拟方法。
通过实验，可以测量反应器中不同位置的流体停留时间，进而推导出停留时间分布。
而数值模拟可以通过求解反应器内的流体运动方程，得到停留时间分布和流速分布等参数。
停留时间分布与反应器的流动模型对反应器的设计和运行具有重要意义。
在反应器设计中，需要选择合适的流动模型和控制参数，以满足反应物转化率和产品选择性的要求。
在反应器操作中，需要实时监测和控制停留时间分布，以确保反应器的稳定性和效率。
第五章停留时间分布与反应器的流动模型
反应是在出口状态下的恒速反应。
返混
真实反应器介于全混流反应器与平推流反应器之间，存在部分返混。 因此，任何实际的流动都存在一定程度的返混。 管内流体的流动返混程度较小。 容器内流体的流动返混程度较大。 返混与混合的区别是：混合是指不同空间位置的粒子间的混合，返
混则是时间概念上的混合，因此，返混也称逆向混合。 返混的存在导致了反应器中反应物料浓度的变化，那么对反应过程
流体系统的停留时间分布
对流体不能对单个分子考察其停留时间，而是对一堆分 子进行研究。这一堆分子所组成的流体，称之为流体粒 子或微团（微元）。
流体粒子的体积比起系统的体积小到可以忽略不计，但 其所包含的分子又足够多，具有确切的统计平均性质。
那么，同时进入系统的流体粒子是否也同时离开呢?亦即 它们在系统中的停留时间会不会相同呢？实际的反应器 中很难找到，但/2 t=t
返混对自催化反应等的影响
对于自催化反应，由于反应系统中需要一定的产物浓度， 因此一定程度的返混对反应是有利的。有时候需要采用 全混流反应器于活塞流反应器串联使用，就是出于此目 的。
对于某些复杂反应系统，如果反应组分在主反应中的浓 度级数低于其在副反应中的浓度级数，降低反应物浓度， 即存在一定的返混则有利于反应选择性的提高。
通常所说的停留时间是指流体以进入系统时起，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。
同时进入系统的流体，是否也同时离开系统? 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的途径向前移动是不可能的， 因此，流体微元的停留时间完全是一个随机过程。
停留时间分布理论的应用
停留时间分布理论不仅是化学反应工程的重要组成部分，而且 还广泛应用于吸收、萃取、蒸馏及结晶等分离过程与设备的设 计与模拟。停留时间分布的应用主要是两个方面：
返混
真实反应器介于全混流反应器与平推流反应器之间，存在部分返混。 因此，任何实际的流动都存在一定程度的返混。 管内流体的流动返混程度较小。 容器内流体的流动返混程度较大。 返混与混合的区别是：混合是指不同空间位置的粒子间的混合，返
混则是时间概念上的混合，因此，返混也称逆向混合。 返混的存在导致了反应器中反应物料浓度的变化，那么对反应过程
流体系统的停留时间分布
对流体不能对单个分子考察其停留时间，而是对一堆分 子进行研究。这一堆分子所组成的流体，称之为流体粒 子或微团（微元）。
流体粒子的体积比起系统的体积小到可以忽略不计，但 其所包含的分子又足够多，具有确切的统计平均性质。
那么，同时进入系统的流体粒子是否也同时离开呢?亦即 它们在系统中的停留时间会不会相同呢？实际的反应器 中很难找到，但/2 t=t
返混对自催化反应等的影响
对于自催化反应，由于反应系统中需要一定的产物浓度， 因此一定程度的返混对反应是有利的。有时候需要采用 全混流反应器于活塞流反应器串联使用，就是出于此目 的。
对于某些复杂反应系统，如果反应组分在主反应中的浓 度级数低于其在副反应中的浓度级数，降低反应物浓度， 即存在一定的返混则有利于反应选择性的提高。
通常所说的停留时间是指流体以进入系统时起，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。
同时进入系统的流体，是否也同时离开系统? 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的途径向前移动是不可能的， 因此，流体微元的停留时间完全是一个随机过程。
停留时间分布理论的应用
停留时间分布理论不仅是化学反应工程的重要组成部分，而且 还广泛应用于吸收、萃取、蒸馏及结晶等分离过程与设备的设 计与模拟。停留时间分布的应用主要是两个方面：
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黄 国 文 制 作
Vr t Q0
特征：停留时间分布密度函数E(θ)曲线存 在双峰
30
黄 国 文 制 作
（a）沟流，
（b）短路
31
3. 循环流
在实际的釜式反应器、鼓泡塔和流化床反应器中都存 在着不同程度的流体循环运动
特征：停留时间分布密度函数E(θ)曲线存在多峰
E (t)
存在循环流时的 E（t）曲线
脉冲法：
脉冲法
升阶法
简单、示踪剂用量少， 可直接测出停留时间分 布密度函数； 要求输入理想脉冲。 阶跃法
阶跃法－
降阶法
周期输入法
黄 国 文 制 作
操作容易；
示踪剂用量大，直接 测出的是停留时间分布 函数。
7
停留时间分布的测定
2. 脉冲法
c0(t)
输入曲线
m E t dt Q ct dt
c(∞) c(∞)
检测器
c0(t)
输入曲线
黄 国 文 制 作
c(t)
响应曲线
t=0
0
t
0
t
9
Q c F t Q ct
停留时间分布的测定
4. 降阶法
主流体Q
系
统
Q
1 F (t )
c (t ) c ( 0)
含示踪剂的流 体（C(0) ）
c(0) c(0)
检测器
t
Vr t 封闭系统，ρ ＝常数 Q t (0 ~ ) t E (t ) dt E ( ) d
黄 国 文 制 作
停留时间分布函数F (t)
dt E ( ) E (t ) t E (t ) d F ( ) F (t ) 6
停留时间分布的测定
1. 实验方法概述
升阶法
t
2. 方差
t (t t ) 2 E (t )dt
2 0
T
0
1 ct dt 2 2 t c
0
dt t 2 t 1 ct c
降阶法
2
黄 国 文 制 作
t E (t )dt t
全混流
E(t) 1
e t/ F(t) 1 e t/
E 0 0 1 F( ) 1 1
E e
F 1 e
t
t
黄 国 文 制 作
1
2
1
0
t/
F (t )
1
c c0
由F(t)定义： c( t ) c F(t) 1 e t/ c( ) c 0
dF( t ) 1 t/ E(t) e dt
t F (t ) E (t )dt
E (t )
1/ t t t
出口响应
24
无因次：
黄 国 文 制 作
，停留时间分布越集中
15
停留时间分布的统计特征值
1. 平均停留时间
脉冲法
t
t
0 0
tE (t )dt E (t )dt
tE (t )dt
0
c(t )dt
0 0
tc(t ) dt
t2
0
T
t 2c(t )dt c(t )dt
(t ) 2
0
0
tE(t)dt E(t)dt
0
tE(t)dt tdF(t)
0
1
0
t
其物理意义：为 E(t) 曲线的分布中心， 即E（t） ~ t 曲线所围面积的重心在t坐 标轴上的投影
黄 国 文 制 作
因次：时间
14
⑵ 方差
2
方差用来表示随机变量的分散程度，是描述停留时间分布的 重要参量。在数学上它表示E(t)曲线对于平均停留时间的二 2 次矩 (t t ) ：
11 11
黄 国 文 制 作
停留时间分布的测定一般采用示踪技术，示踪剂选用易检 测其浓度的物质，根据其光学、电学、化学及放射等特性， 采用比色、电导、放射检测等测定浓度。
选择示踪剂要求：
1) 与主流体物性相近，互溶，且与主流体不发生化学反应；
2) 高低浓度均易检测，以减少示踪剂的用量；
3) 示踪剂的加入不影响主流体的流动形态； 4)示踪剂应选择无毒、不燃、无腐蚀且价格较低的物质。
2 t
返混为0
t2 2 2 1 返混最大
26
非理想流动：
0 t2 2 0 2 1
• 前面讨论活塞流反应器和全混流反应器，在这两类 反应器中，流体的流动为理想化的极端情况。但实 际反应器内流体的流动状况与上述情况不完全相同， 介于两者之间。 • 器内流体处于非理想流动状况的反应器称为非理想 反应器。
定义：滞流区是指反应器中流体流动慢至几乎不流动的 区域，故也叫死区 Vr 特征：停留时间分布密度函数E(θ)曲线拖尾很长 t Q0 位置：滞流区主要产生于设备的死角中
E(θ) 2
拖尾很长
E (θ) 1
有滞流区θ=0时，
E(θ)>1
全混流θ=0时， E(θ)=1
10
黄 国 文 制 作
0.4
2 t
0
(t t ) E(t)dt
2
0
E(t)dt
(t t ) E(t)dt t E(t)dt t
2 2 0 0
2
因次：[时间]2
黄 国 文 制 作
t dF (t ) t
2 0
1
2
2 方差 物理意义： t 反映停留时间分布的离散程度 2 ，停留时间分布就越宽 t t2
4. 扩散
黄 国 文 制 作
t
由于分子扩散及涡流扩散的存在而造成了流体微 元间的混合，使停留时间分布偏离理想流动状况
32
5. 流体流速分布不均匀
若流体在反应器内径向流速不均匀（如层流流动），其与活塞 流的偏离十分明显。层流流速分布呈抛物线状，可由径向 抛物线分布导出层流反应器的停留时间分布密度函数 特征：停留时间小于平均停留时间一半的流体粒子为零。
黄 国 文 制 作
活塞流反应器不改变输入信号的形状，只将其信号平 移一个位置
19
理想反应器的停留时间分布
1. 活塞流模型
E(t)
(t )
(t t )
1.0
E( t ) = (t - t )
F (t )
0, (t t ) F (t ) 1, (t t )
0
第五章 停留时间分布 与反应器的流动模型
黄 国 文 制 作
1
本章内容
停留时间分布
停留时间分布的实验
停留时间分布的统计特征值
理想反应器的停留时间分布
非理想流动现象
非理想流动模型和非理想反应器的计算
黄 国 文 制 作
2
黄 国 文 制 作
• 重点掌握： 停留时间分布的实验测定方法和数据处理。 理想反应器停留时间分布的数学表达式。 返混的概念。 非理想流动模型（离析流模型、多釜串联模型和扩散模型） 的模型假定与数学模型建立的基本思路，模型参数的确定。 利用扩散模型和多釜串联模型的反应器计算。 • 深入理解： 停留时间分布的概念和数学描述方法。 停留时间分布的数字特征和物理意义。 • 广泛了解： 流动反应器中的微观混合与宏观混合及其对反应器性能的影 响
3
停留时间分布
1.基本概念
闭式系统 停留时间分布 年龄分布：对存留在系统的粒子而言，从进 入系统算起在系统中停留的时间。 寿命分布：流体粒子从进入系统起到离开系 统止，在系统内停留的时间。 停留时间分布理论的应用
黄 国 文 制 作
进口
系统
出口
对现有设备进行工况分析
建立合适的流动模型，进行非理想反应器的计算
u = const
间 歇 釜
全 混 釜
返混：不同停留时间的流体粒子之间的混合。 理想的平推流和间歇釜停留时间均一，无返混。
黄 国 文 制 作
全混釜反应器的返混最大，出口物料停留时间分布与釜 内物料的停留时间分布相同。
18
理想反应器的停留时间分布 活塞流模型：（平推流模型）
1. 基本假设 ：① 径向流速分布均匀； ② 径向混合均匀 ； ③ 轴向上，流体微元间不存在返混； 2. 特点：所有流体微元的停留时间相同，同一时刻进入反应器 的流体微元必定在另一时刻同时离开 。经历相同的温度、浓 度变化历程
E (t ) c(t )
响应（输出）曲线
黄 国 文 制 作
Qc (t ) E (t ) m
m Qc (t ) dt
0
c(t )dt
0
m 为示踪剂 的加入量
8
停留时间分布的测定
3. 升阶法
主流体Q0
系
统
Q
c(t ) F (t ) c ( )
含示踪剂的流 体（C(∞) ）
dc Vr Q0c0 Q0c dt
Vr/Q0 = τ (空时)
dc 1 1 c0 c dt
积分
初值条件：t = 0， c = 0
c 0
dc 1 c0 c
t 0
dt
黄 国 文 制 作
c0 c t ln c0 混流模型 得 1 e
F(θ)=1－e－θ E(θ)= e－θ
全混流模型
1/τ E(t)
t=0, E(0)=1/τ
Vr t Q0
特征：停留时间分布密度函数E(θ)曲线存 在双峰
30
黄 国 文 制 作
（a）沟流，
（b）短路
31
3. 循环流
在实际的釜式反应器、鼓泡塔和流化床反应器中都存 在着不同程度的流体循环运动
特征：停留时间分布密度函数E(θ)曲线存在多峰
E (t)
存在循环流时的 E（t）曲线
脉冲法：
脉冲法
升阶法
简单、示踪剂用量少， 可直接测出停留时间分 布密度函数； 要求输入理想脉冲。 阶跃法
阶跃法－
降阶法
周期输入法
黄 国 文 制 作
操作容易；
示踪剂用量大，直接 测出的是停留时间分布 函数。
7
停留时间分布的测定
2. 脉冲法
c0(t)
输入曲线
m E t dt Q ct dt
c(∞) c(∞)
检测器
c0(t)
输入曲线
黄 国 文 制 作
c(t)
响应曲线
t=0
0
t
0
t
9
Q c F t Q ct
停留时间分布的测定
4. 降阶法
主流体Q
系
统
Q
1 F (t )
c (t ) c ( 0)
含示踪剂的流 体（C(0) ）
c(0) c(0)
检测器
t
Vr t 封闭系统，ρ ＝常数 Q t (0 ~ ) t E (t ) dt E ( ) d
黄 国 文 制 作
停留时间分布函数F (t)
dt E ( ) E (t ) t E (t ) d F ( ) F (t ) 6
停留时间分布的测定
1. 实验方法概述
升阶法
t
2. 方差
t (t t ) 2 E (t )dt
2 0
T
0
1 ct dt 2 2 t c
0
dt t 2 t 1 ct c
降阶法
2
黄 国 文 制 作
t E (t )dt t
全混流
E(t) 1
e t/ F(t) 1 e t/
E 0 0 1 F( ) 1 1
E e
F 1 e
t
t
黄 国 文 制 作
1
2
1
0
t/
F (t )
1
c c0
由F(t)定义： c( t ) c F(t) 1 e t/ c( ) c 0
dF( t ) 1 t/ E(t) e dt
t F (t ) E (t )dt
E (t )
1/ t t t
出口响应
24
无因次：
黄 国 文 制 作
，停留时间分布越集中
15
停留时间分布的统计特征值
1. 平均停留时间
脉冲法
t
t
0 0
tE (t )dt E (t )dt
tE (t )dt
0
c(t )dt
0 0
tc(t ) dt
t2
0
T
t 2c(t )dt c(t )dt
(t ) 2
0
0
tE(t)dt E(t)dt
0
tE(t)dt tdF(t)
0
1
0
t
其物理意义：为 E(t) 曲线的分布中心， 即E（t） ~ t 曲线所围面积的重心在t坐 标轴上的投影
黄 国 文 制 作
因次：时间
14
⑵ 方差
2
方差用来表示随机变量的分散程度，是描述停留时间分布的 重要参量。在数学上它表示E(t)曲线对于平均停留时间的二 2 次矩 (t t ) ：
11 11
黄 国 文 制 作
停留时间分布的测定一般采用示踪技术，示踪剂选用易检 测其浓度的物质，根据其光学、电学、化学及放射等特性， 采用比色、电导、放射检测等测定浓度。
选择示踪剂要求：
1) 与主流体物性相近，互溶，且与主流体不发生化学反应；
2) 高低浓度均易检测，以减少示踪剂的用量；
3) 示踪剂的加入不影响主流体的流动形态； 4)示踪剂应选择无毒、不燃、无腐蚀且价格较低的物质。
2 t
返混为0
t2 2 2 1 返混最大
26
非理想流动：
0 t2 2 0 2 1
• 前面讨论活塞流反应器和全混流反应器，在这两类 反应器中，流体的流动为理想化的极端情况。但实 际反应器内流体的流动状况与上述情况不完全相同， 介于两者之间。 • 器内流体处于非理想流动状况的反应器称为非理想 反应器。
定义：滞流区是指反应器中流体流动慢至几乎不流动的 区域，故也叫死区 Vr 特征：停留时间分布密度函数E(θ)曲线拖尾很长 t Q0 位置：滞流区主要产生于设备的死角中
E(θ) 2
拖尾很长
E (θ) 1
有滞流区θ=0时，
E(θ)>1
全混流θ=0时， E(θ)=1
10
黄 国 文 制 作
0.4
2 t
0
(t t ) E(t)dt
2
0
E(t)dt
(t t ) E(t)dt t E(t)dt t
2 2 0 0
2
因次：[时间]2
黄 国 文 制 作
t dF (t ) t
2 0
1
2
2 方差 物理意义： t 反映停留时间分布的离散程度 2 ，停留时间分布就越宽 t t2
4. 扩散
黄 国 文 制 作
t
由于分子扩散及涡流扩散的存在而造成了流体微 元间的混合，使停留时间分布偏离理想流动状况
32
5. 流体流速分布不均匀
若流体在反应器内径向流速不均匀（如层流流动），其与活塞 流的偏离十分明显。层流流速分布呈抛物线状，可由径向 抛物线分布导出层流反应器的停留时间分布密度函数 特征：停留时间小于平均停留时间一半的流体粒子为零。
黄 国 文 制 作
活塞流反应器不改变输入信号的形状，只将其信号平 移一个位置
19
理想反应器的停留时间分布
1. 活塞流模型
E(t)
(t )
(t t )
1.0
E( t ) = (t - t )
F (t )
0, (t t ) F (t ) 1, (t t )
0
第五章 停留时间分布 与反应器的流动模型
黄 国 文 制 作
1
本章内容
停留时间分布
停留时间分布的实验
停留时间分布的统计特征值
理想反应器的停留时间分布
非理想流动现象
非理想流动模型和非理想反应器的计算
黄 国 文 制 作
2
黄 国 文 制 作
• 重点掌握： 停留时间分布的实验测定方法和数据处理。 理想反应器停留时间分布的数学表达式。 返混的概念。 非理想流动模型（离析流模型、多釜串联模型和扩散模型） 的模型假定与数学模型建立的基本思路，模型参数的确定。 利用扩散模型和多釜串联模型的反应器计算。 • 深入理解： 停留时间分布的概念和数学描述方法。 停留时间分布的数字特征和物理意义。 • 广泛了解： 流动反应器中的微观混合与宏观混合及其对反应器性能的影 响
3
停留时间分布
1.基本概念
闭式系统 停留时间分布 年龄分布：对存留在系统的粒子而言，从进 入系统算起在系统中停留的时间。 寿命分布：流体粒子从进入系统起到离开系 统止，在系统内停留的时间。 停留时间分布理论的应用
黄 国 文 制 作
进口
系统
出口
对现有设备进行工况分析
建立合适的流动模型，进行非理想反应器的计算
u = const
间 歇 釜
全 混 釜
返混：不同停留时间的流体粒子之间的混合。 理想的平推流和间歇釜停留时间均一，无返混。
黄 国 文 制 作
全混釜反应器的返混最大，出口物料停留时间分布与釜 内物料的停留时间分布相同。
18
理想反应器的停留时间分布 活塞流模型：（平推流模型）
1. 基本假设 ：① 径向流速分布均匀； ② 径向混合均匀 ； ③ 轴向上，流体微元间不存在返混； 2. 特点：所有流体微元的停留时间相同，同一时刻进入反应器 的流体微元必定在另一时刻同时离开 。经历相同的温度、浓 度变化历程
E (t ) c(t )
响应（输出）曲线
黄 国 文 制 作
Qc (t ) E (t ) m
m Qc (t ) dt
0
c(t )dt
0
m 为示踪剂 的加入量
8
停留时间分布的测定
3. 升阶法
主流体Q0
系
统
Q
c(t ) F (t ) c ( )
含示踪剂的流 体（C(∞) ）
dc Vr Q0c0 Q0c dt
Vr/Q0 = τ (空时)
dc 1 1 c0 c dt
积分
初值条件：t = 0， c = 0
c 0
dc 1 c0 c
t 0
dt
黄 国 文 制 作
c0 c t ln c0 混流模型 得 1 e
F(θ)=1－e－θ E(θ)= e－θ
全混流模型
1/τ E(t)
t=0, E(0)=1/τ