化学反应工程-非理想过程课件.ppt
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- 化学反应 工程 理想 过程 课件
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1、2022年11月17日星期四 2022年11月17日星期四 形成非理想流动形成非理想流动的原因的原因设备内不均匀的设备内不均匀的速度分布速度分布 死角、沟流、短路、死角、沟流、短路、层流流动、截面突变层流流动、截面突变引起的收缩膨胀等引起的收缩膨胀等管式反应器:扩散、局部管式反应器:扩散、局部循环流动、压差、流体与循环流动、压差、流体与固体间的摩擦等引起;固体间的摩擦等引起;釜式反应器:搅拌引起流体釜式反应器:搅拌引起流体循环运动等循环运动等与物料主体流动与物料主体流动方向相反的流动方向相反的流动n形成非理想流动的原因形成非理想流动的原因?2022年11月17日星期四2022年11月17日星期
2、四4.1 停留时间分布及测定停留时间:停留时间:流体从进入系统时算起,到其离开系统时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,即为止,在系统内总共经历的时间,即流体流体 从系统的进口至出口所耗费的时间。从系统的进口至出口所耗费的时间。寿命分布:寿命分布:指流体粒子从进入系统到离开系统的停留指流体粒子从进入系统到离开系统的停留时间。时间。年龄分布:年龄分布:指流体粒子进入系统在系统中停留的时间。指流体粒子进入系统在系统中停留的时间。2022年11月17日星期四3 寿命与年龄分布的关系寿命与年龄分布的关系 设在定常流动系统中,对于恒容过程,在设在定常流动系统中,对于恒容过
3、程,在0 0 t t时间内对时间内对示踪剂示踪剂A A进行物料衡算:进行物料衡算:输入输入tAdtcv000(0 t 内流入系统中内流入系统中A A 的量)的量)输出输出toAtdtFcv00(0 0t t 内由系统流出内由系统流出A A的量)的量)留在系统中的量留在系统中的量 tARdttICV00)(2022年11月17日星期四 dttIcVdttFcvtARtA000001 tI ttItF1 dttdItE有时采用有时采用 强度函数强度函数 tItEt1表示两者的关系表示两者的关系:tItEt1 dtt表示容器中年龄为表示容器中年龄为t t的粒子在的粒子在t t到到tt系统的粒子所占的
4、分率。系统的粒子所占的分率。时间内离开时间内离开 dttItdI tdytdI2022年11月17日星期四101000v1 1 停留时间分布的定量描述停留时间分布的定量描述2022年11月17日星期四1 1 停留时间分布的定量描述停留时间分布的定量描述1 1)停留时间分布函数)停留时间分布函数出口中红色粒子数t2022年11月17日星期四 tEt tFt dttEdtt 2022年11月17日星期四 tE:停留时间分布密度函数,或寿命分布密度函数。停留时间分布密度函数,或寿命分布密度函数。0t时:0tE0t时:0tE且 10dttE tdttEtF0 停留时间分布函数停留时间分布函数:停留时间
5、小于停留时间小于t t的流体粒子所的流体粒子所 占的分数占的分数可改写成:可改写成:dFtEtdt1)(0)0(0 FtFt时,时,;时,时,2022年11月17日星期四思考:思考:F(t)、F(t+dt)、E(t)dt 的物理意义?的物理意义?小结:小结:nF(t):表示出口流体中停留时间表示出口流体中停留时间小于小于t 的物料(的物料(0t 范范围内的质点)占进料的分率。围内的质点)占进料的分率。nF(t+dt):出口流体中停留时间出口流体中停留时间小于小于t+dt 的物料占进料的物料占进料的分率。的分率。2022年11月17日星期四n二者之差:二者之差:F(t+dt)-F(t)=dF(t
6、)=E(t)dt=dN/NnE(t)dt:表示同时进入反应器的表示同时进入反应器的N个流体质点中,停留个流体质点中,停留时间介于时间介于t 与与t+dt 间的质点所占分率间的质点所占分率dN/N。2022年11月17日星期四可以用可以用年龄分布密度函数年龄分布密度函数tI和和年龄分布函数年龄分布函数ty来描述流体在反应器内的停留时间分布。来描述流体在反应器内的停留时间分布。dttdytI tdttIty0 01yI t dt 00 y2022年11月17日星期四2 2 停留时间分布的实验方法停留时间分布的实验方法应答技术(物理示踪法)应答技术(物理示踪法)从从稳定流动稳定流动的系统的系统入口入
7、口按一定的输入方按一定的输入方式注入一定量式注入一定量示踪剂示踪剂,同时在系统,同时在系统出口出口对对示示踪剂踪剂进行检测,根据进行检测,根据示踪剂浓度示踪剂浓度CA随随 t 的变的变化关系确定流体在反应器中的化关系确定流体在反应器中的停留时间分布停留时间分布。2022年11月17日星期四示踪剂的选取原则示踪剂的选取原则 采用何种采用何种示踪剂示踪剂,要根据物料的,要根据物料的物态、相系物态、相系及及反反应器应器的的类型类型等情况而定。等情况而定。n不与主流体发生反应不与主流体发生反应(无化学反应活性无化学反应活性)。)。n与所研究的流体完全互溶与所研究的流体完全互溶,除了显著区别于主流体的某
8、,除了显著区别于主流体的某一可检测性质外,二者应一可检测性质外,二者应具有尽可能相同的物理性质具有尽可能相同的物理性质。2022年11月17日星期四n便于检测便于检测:应具有或易于转变为电信号或光信号的特点,:应具有或易于转变为电信号或光信号的特点,且浓度很低时也能检测。且浓度很低时也能检测。n对对流动状态没有影响流动状态没有影响。n示踪剂在测定过程中应守恒:示踪剂在测定过程中应守恒:不挥发、不沉淀、不吸附,不挥发、不沉淀、不吸附,用于多相系统检测的示踪剂不发生用于多相系统检测的示踪剂不发生相间的转移相间的转移。2022年11月17日星期四2 2 停留时间分布的实验方法停留时间分布的实验方法1
9、)1)脉冲示踪法脉冲示踪法主流体0vt=0示踪剂0v2022年11月17日星期四101000v停留时间分布的测定停留时间分布的测定2022年11月17日星期四0t tc0tt tc响应曲线2022年11月17日星期四2022年11月17日星期四2022年11月17日星期四设示踪剂加入量为设示踪剂加入量为m m(根据(根据A A的物料衡算)的物料衡算)00dtcvmAdtdtCCmdtCvAAA00 mcvtEA000dtcvA0dtccAA000dtcvcvAAdttmE)(2022年11月17日星期四)平均停留时间)平均停留时间t 00dttEdtttEt平均停留时间平均停留时间t应是应是
10、tE曲线的分布中心,即曲线的分布中心,即 tE在所围的面积的重心在在所围的面积的重心在t t坐标上的投影坐标上的投影 曲线曲线 0dtttE 0dtdttdFt 10tFtFttdF)停留时间分布函数的特征值停留时间分布函数的特征值在数学上称在数学上称t t为为 tE曲线对于坐标原点的曲线对于坐标原点的一次矩一次矩,又称,又称 tE的的数学期望数学期望。2022年11月17日星期四)方差)方差2t表示表示停留时间分布的分散程度的量停留时间分布的分散程度的量,在数学上是指对于平,在数学上是指对于平均停留时间的二次矩。均停留时间的二次矩。0022dttEdttEttt 022tdttEt 02dt
11、tEtt2022年11月17日星期四令:无因次时间令:无因次时间:tt则:无因次平均停留时间无因次平均停留时间1tt 001dttEdE tEtE tEtEdttEdE)()(tt tFF tdFdF2022年11月17日星期四 0221dE221tt 0221dttEttt 021dttEtt 021dEtt若以若以2表示以表示以为自变量的方差,则它与为自变量的方差,则它与2t的关系为:的关系为:2022年11月17日星期四实例实例 应用脉冲示踪法测定容积为12L的反应装置,v0=0.8L/min,在定常态下脉冲输入80g示踪剂A,同时在反应器出口处记录流出物料中CA随 t 的变化,数据列于
12、下表。确定:E(t)和F(t)曲线;方差。t/min05101520253035CA/(g/L)035542102022年11月17日星期四(a)首先对实验数据进行首先对实验数据进行一致性检验一致性检验n 实验数据为离散量:实验数据为离散量:t=5mingvCtCvMtCCiAiiAi808.01000000 10050)124553(0 示踪剂加入量为示踪剂加入量为80g,故实验数据的一致性检验是,故实验数据的一致性检验是满足的。满足的。2022年11月17日星期四(b)采用脉冲法,则采用脉冲法,则0)(CCtCCtEAiiAiAi 0.0510055)0.051005)1 0.031003
13、5)111min1(min0(min(EEE 代入数据:代入数据:2022年11月17日星期四0000)(CCtCCtFtAiiAitAi 65.0100)5530(5)15(40.0100)530(5)10(15.0100)30(5)5(FFF代入数据:代入数据:2022年11月17日星期四n 应用表中数据作应用表中数据作E(t)、F(t)曲线。曲线。t/min05101520253035E(t)/min-100.03 0.05 0.05 0.04 0.02 0.010F(t)00.15 0.40 0.65 0.85 0.951.01.0n将上述数据列表如下:将上述数据列表如下:2022年1
14、1月17日星期四n按反应器体积计算的空时按反应器体积计算的空时 ,二者一致。二者一致。min150124553030125220415510553 tmin158.0120 vV iAiAiCCtt代入数据:代入数据:(c)确定方差确定方差t2和和2:2022年11月17日星期四代入数据:代入数据:222tCCtiAiAit 222222222min5.47150124553013022542051551035 t 211.015/5.47/2222 tt 2022年11月17日星期四例:用脉冲法测定一流动反应器的停留时间分布,得到出口流中示踪剂c(t)与时间t的关系如下:t/min 0 2
15、4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24C(t)/(g/min)0 1 4 7 9 8 5 2 1.5 1 0.6 0.2 0试求平均停留时间及方差。2022年11月17日星期四0v流体0v示踪剂系统0v检测示踪剂0Ac0tAct0Ac tc0t入口出口2)2)阶跃示踪法阶跃示踪法升阶跃升阶跃Ac2022年11月17日星期四ActAct0t0Ac入口出口降阶跃降阶跃2022年11月17日星期四如果如果t t时刻出口物料中时刻出口物料中A A的浓度为的浓度为Ac 0AAcctF对于降阶法:对于降阶法:01AAcctF对于升阶跃对于升阶跃2022年11月17日星期四脉冲法和阶跃法
16、的比较脉冲法和阶跃法的比较脉冲法脉冲法阶跃法阶跃法示踪剂示踪剂注入方法注入方法在原有的流股中加入在原有的流股中加入示踪剂,不改变原流示踪剂,不改变原流股流量股流量将原有流股换成流将原有流股换成流量与其相同的示踪量与其相同的示踪剂流股剂流股E(t)直接测得直接测得F(t)直接测得直接测得tCCtEAAdd)(0 tCCCCtEAAA0)(0000dd)(AtAAtACCtCtCtF0)(AACCtF 2022年11月17日星期四脉冲法脉冲法阶跃法阶跃法t2t AACtCt222tCCtAAt 0AACCtt 2022tCCtAAt 2022年11月17日星期四4.2 理想流动模型理想流动模型4.
17、2.1 平推平推流流动模型流流动模型4.2.2 全混流流动模型全混流流动模型2022年11月17日星期四活塞流模型(平推流模型)活塞流模型(平推流模型)1.基本假设基本假设:径向流速分布均匀;径向流速分布均匀;径向混合均匀径向混合均匀;轴向上,流体微元间不存在轴向上,流体微元间不存在返混返混;2.特点:所有流体微元的停留时间相同,同一时刻进特点: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入反应器的流体微元必定在另一时刻同时离开。经历。经历相同的温度、浓度变化历程相同的温度、浓度变化历程4.2.1 平推流流动模型平推流流动模型2022年11月17日星期四3.停
18、留时间分布特征:停留时间分布特征:用示踪法来测定平推流的停留时间分布时,出口响应曲用示踪法来测定平推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,只是时间延迟线形状与输入曲线完全一样,只是时间延迟ct0t脉冲示踪脉冲示踪)(tEttt 出口响应出口响应)()(tttE)(tFttt dttEtF)()(1t2022年11月17日星期四3.停留时间分布特征:停留时间分布特征:(1)停留时间分布密度函数停留时间分布密度函数E(t)t t 0t t E(t)1t tttE E无因次:无因次:)(tEttt 出口响应出口响应)()(tttE (2)停留时间分布函数停留时间分布函数F(t)1O
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