化学反应工程 第四章 讲稿.doc

第四章　非理想流动 一、教学目的 通过本章教学，使学生掌握反应器中的返混现象；理解停留时间分布与返混的关系；理解停留时间测定的主要方法；掌握停留时间分布函数的数字特征值的计算过程；了解示踪剂具体的一般要求；了解常见的几种流动模型；掌握多级串联模型及轴向扩散模型的计算；了解流体的混合态及其对反应过程的影响； 二、教学的重点、难点 停留时间的分布的测定、常见的几种流动模型的推导、轴向扩散模型的数学解析方法、停留时间分布曲线的应用 三、教学时数 本章教学需8课时 四、教学内容 4.1 反应器中的返混现象与停留时间分布 4.1.1非理想流动与停留时间分布 4.1.2停留时间分布的实验测定 4.1.3停留时间分布函数的数字特征 4.2 流动模型 4.2.1常见的几种流动模型 4.2.2停留时间分布曲线的应用 4.3 流体的混合态及其对反应的影响 4.3.1流体的混合态 4.3.2流体混合态对反应过程的影响 第1-2课时：4.1.1—4.1.3 §4.1反应器中的返混现象与停留时间分布 4.1.1非理想流动与停留时间分布 首先简单回顾下理想流动过程及理想反应器的特点；实际过程往往是非理想过程，非理想过程与理想过程有哪些差异？ 1.产生停留时间分布产生的原因？（提问） 物料的流动速率不均匀 分子扩散、湍流分布 强制对流 有死角、短路 停留时间分布函数的概念提出：具体概念见课本。并列举课堂中学生上课过程中也存在停留时间分布的问题。加深对概念的理解 2.停留时间分布的密度函数： 用E（t）表示：在定常态下的连续流动的系统中，相对于某瞬间t=0的流入反应器的流动，在反应器出口流体的质点中在器内停留了t与t+dt之间的流体的质点所占的分率为E（t）dt。 重点讲解其性质如下： 3.停留时间分布函数（寿命分布函数） F（t）记：在定常态下的连续流动系统中，相对在t=0瞬间流入器内的物料，在器出口料流中停留时间少于t的物料所占的分率。 或 让学生思考分布函数与密度函数直接的关系如何？年龄分布密度函数I（t）和年龄分布函数y（t）的关系？ 年龄分布密度函数I（t）和年龄分布函数y（t）来描述器内流体的停留时间分布。 对于连续操作的全混流，其年龄分布和寿命分布一致。 4.1.2停留时间分布的实验测定（结合实验过程及实验结果进行讲解） 通过物理示踪法来测反应器物料的停留时间的分布曲线。物理示踪是采用一种易检测的无化学反应活性的物质按一定的输入方式加入稳定的流动系统，通过观测示踪物质在出口浓度随时间的变化来确定系统物料的停留时间分布。 根据示踪剂输入方式的不同分为四种：常用的有脉冲法和阶跃法 脉冲法、阶跃法、周期示踪法和随机输入示踪法。 （1）脉冲示踪法： 在定常态操作的连续流动系统的入口处在的瞬间输入的示踪剂A 进行物料衡算：（公式的推导过程） 或 出口物料在系统停留到的示踪剂量为 或 对于恒容的定常态流动系统应有： 为要验证数据可靠，要满足： 不满足，要查看原因： ①示踪剂选择不当 ②输入不满足脉冲要求 ③输入示踪剂改变了定常态操作 随着采样方法不同，所作用方法也不同: (i)数据的数量大,且所获的样品是瞬间样品 (ii)采样是瞬间样,但数量不多,可用线性内插法计算. （2）阶跃示踪法 在某瞬间,将流入系统的流体切换为含有示踪剂A的浓度的第二流体，切换后应保持系统流动模式不变。 物料衡算 这样可以通过曲线获得曲线。 阴影面积 或阴影面积 应用上式可以对实验数据进行一致性实验 还可以根据年龄分步密度函数的定义导出或曲线。 对A作物料衡算有： = = — = ∴ 重点提醒学生要比较两种示踪剂加入方法的差异性如何？ 4.1.3停留时间分布函数的数字特征 1)平均停留时间 表明是E（t）曲线的分布中心，又称为E（t）的数学期望。 2）方差 表示停留时间分布的分散程度的量 用对比时间表示无因次停留时间 和 ∵ ∴ ∵ ∴ 对于全混流， 对于平推流 对一般实际流动状况 课堂例题：用脉冲示踪测定一容积12的反应装置，进入流体流速，在定常态下脉冲地输入80g的示踪剂A,浓度随时间的变化： t min 0 5 10 15 20 25 30 35 0 3 5 5 4 2 1