第四章非理想流动作业11.ppt

1.非理想流动的起因是什么？其根源有哪些非理想流动的起因是什么？其根源有哪些？什么是病态流动？什么是病态流动?答：起因有两个答：起因有两个1.设备内不均匀的速度分布。包括：死角、沟流、设备内不均匀的速度分布。包括：死角、沟流、短路、层流流动、截面突变引起的收缩膨胀等。短路、层流流动、截面突变引起的收缩膨胀等。2.与物料主体流动方向相反的流动。例如：管式反与物料主体流动方向相反的流动。例如：管式反应器：扩散、局部循环流动、压差、流体与固体应器：扩散、局部循环流动、压差、流体与固体间的摩擦等引起；釜式反应器：搅拌引起流体循间的摩擦等引起；釜式反应器：搅拌引起流体循环运动等。环运动等。形成非理想流动的根源形成非理想流动的根源 操作条件：温度、压力、流量、物料组成操作条件：温度、压力、流量、物料组成 流体性质：粘度、重度、扩散系数等流体性质：粘度、重度、扩散系数等 设备型式及结构设备型式及结构病态流动是指：设计、制造不良，即反应设备缺陷病态流动是指：设计、制造不良，即反应设备缺陷引起的非理想流动，如死角、短路等引起的非理想流动，如死角、短路等2.什么是什么是E(t)、F(t)、t2、2？E(t)dt 和和F(t)物理意义物理意义？答：E(t)是停留时间密度分布函数：定常态下的连是停留时间密度分布函数：定常态下的连续流动系统中，同时进入反应器（续流动系统中，同时进入反应器（t=0瞬间）的瞬间）的N个流体质点中，停留时间介于个流体质点中，停留时间介于t t+dt 之间的流之间的流体质点所占的分率体质点所占的分率dN/N 应为应为E(t)dt。F(t)是停留时间分布函数：在定常态下的连续流动系是停留时间分布函数：在定常态下的连续流动系统中，相对在统中，相对在 t=0 瞬间流入反应器内的物料，在瞬间流入反应器内的物料，在出口料流中停留时间小于出口料流中停留时间小于t 的物料所占的分率。的物料所占的分率。或：流过反应器的物料中停留时间小于或：流过反应器的物料中停留时间小于 t(介介于于0 t 之间之间)的质点所占的分率。的质点所占的分率。t2停留时间分布分散程度的量度。数学上指停留时间分布分散程度的量度。数学上指对于平均停留时间的二次矩。对于平均停留时间的二次矩。2 是无因此散度是无因此散度E(t)dt：表示同时进入反应器的：表示同时进入反应器的N个流体质点个流体质点中，停留时间介于中，停留时间介于t 与与t+dt 间的质点所占分间的质点所占分率率dN/N。F(t)：表示出口流体中停留时间小于：表示出口流体中停留时间小于t 的物料的物料（0t 范围内的质点）占进料的分率。范围内的质点）占进料的分率。3.停留停留时间时间分布的分布的实验测实验测定方法主要有定方法主要有哪两种？哪两种？如何测定？有何区别？如何测定？有何区别？答主要有：答主要有：脉冲示踪法脉冲示踪法 阶跃示踪法阶跃示踪法 脉冲示踪法脉冲示踪法：当系统中流体达到稳定定常态流动后，：当系统中流体达到稳定定常态流动后，在在t=0瞬间，在入口处以脉冲方式瞬间，在入口处以脉冲方式(极短时间间隔极短时间间隔t0)注入总量为注入总量为M(浓度为浓度为C0？)的示踪剂的示踪剂A，同，同时在出口处检测时在出口处检测CA随随 t 的变化的变化 阶跃法：当系统中流体达到阶跃法：当系统中流体达到定常态定常态流动后，流动后，在某一瞬间在某一瞬间(t=0)，将，将流入流入系统的流体切换系统的流体切换为浓度为为浓度为CA0的的示踪剂示踪剂A，保持流动模式不，保持流动模式不发生变化，同时在发生变化，同时在出口处出口处检测示踪剂浓度检测示踪剂浓度CA随随 t 的变化。的变化。脉冲法和阶跃法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示在原有的流股中加入示踪剂，不改变原流股流踪剂，不改变原流股流量量将原有流股换成流量将原有流股换成流量与其相同的示踪剂流与其相同的示踪剂流股股E(t)直接测得直接测得F(t)直接测得直接测得脉冲法脉冲法阶跃法阶跃法t24.示踪剂有何要求（选取原则）？示踪剂有何要求（选取原则）？答：答：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、物态、相系相系及及反应器反应器的的类型类型等情况而定。等情况而定。1.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）。）。2.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，除了显著区别于主流体的某一可检测性质外，二者应于主流体的某一可检测性质外，二者应具具有尽可能相同的物理性质有尽可能相同的物理性质便于检测便于检测：应具有或易于转变为电信号：应具有或易于转变为电信号或光信号的特点，且浓度很低时也能或光信号的特点，且浓度很低时也能检测。检测。对对流动状态没有影响流动状态没有影响。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、不挥发、不沉淀、不不沉淀、不吸附吸附，用于多相系统检测，用于多相系统检测的示踪剂不发生的示踪剂不发生相间的转移相间的转移。5.平推流平推流和全混流和全混流的的E(t)t和和F(t)t曲线曲线各各有何特征？并画有何特征？并画图说图说明。明。答：平推流答：平推流E线线F线图见课线图见课本本P94图图4-4 全混流全混流E线线F线图见课线图见课本本P95图图4-5平推流平推流 E(t)和和F(t)函数特征函数特征6.什么是返混？简述返混对不同反应体系的什么是返混？简述返混对不同反应体系的影响影响答：返混是指不同提留时间的物料混合。答：返混是指不同提留时间的物料混合。影响：影响：1.正级数正级数反应：返混降低反应推动力，使反反应：返混降低反应推动力，使反应速率、转化率降低；应速率、转化率降低；2.负级数负级数反应：返混提高反应速率，有利于反应：返混提高反应速率，有利于反应；反应；3.自催化自催化反应：返混使产物（同时又是催化反应：返混使产物（同时又是催化剂）浓度增加，有利于反应；剂）浓度增加，有利于反应；4.平行反应平行反应：若主反应级数副反应级：若主反应级数副反应级数，返混使主产物选择率下降；数，返混使主产物选择率下降；若主反应级数副反应级数，返若主反应级数副反应级数，返混使主产物选择率提高；混使主产物选择率提高；5.连串反应连串反应：返混使反应物浓度降低，：返混使反应物浓度降低，产物浓度提高，因而使主产物的选择产物浓度提高，因而使主产物的选择率下降。率下降。7.测定测定停留停留时间时间分布曲分布曲线线的目的是什么？的目的是什么？答：停留时间的长短，直接影响答：停留时间的长短，直接影响转化率和反转化率和反应程度应程度。出口物料是所有具有不同停留时间出口物料是所有具有不同停留时间(反应反应程度程度)物料的混合物物料的混合物实际转化率是平均实际转化率是平均值。值。为了定量确定出口物料的转化率或产物为了定量确定出口物料的转化率或产物的定量分布必须的定量分布必须定量定量知道出口物料的停留知道出口物料的停留时间分布。时间分布。书上书上1.全混流反应器的全混流反应器的E(t)中，中，E(t)的最大值出现在的最大值出现在t=0处，而其它设备都不是这样，试解释其原因处，而其它设备都不是这样，试解释其原因和意义，试设想是否有其他形式的反应器的和意义，试设想是否有其他形式的反应器的E(t)曲线的形状与全混流的曲线的形状与全混流的E(t)曲线的相似性。曲线的相似性。答：由于全混釜具有流入的流体在瞬间内即与容答：由于全混釜具有流入的流体在瞬间内即与容器内流体达到完全混合，釜内具有完全统一的组器内流体达到完全混合，釜内具有完全统一的组成，且与出口流体具有相同的特点，则成，且与出口流体具有相同的特点，则E(t)曲线曲线的表达式为：的表达式为：由此式可知，E(t)最大值在t=0处。其物理意义为：全混釜内返混无穷大。循环反应器的循环比接近无穷大时，具有与全混釜相近的E(t)曲线。2.脉冲测得如下数据，求E、F.t/min012345C(t)/(g/L)003566t/min678910C(t)/(g/L)432104、从E曲线估计是否必要？实际反应器中的平均停留时间是否可根据来计算答：有必要，估算出后可确定大概的反应时间，确定最佳的工艺参数。实际反应平均停留时间不可根据来计算解：首先计算示踪剂总量：C0=CA(t)t=(0+0+3+5+6+6+4+3+2+1+0)1=30ming/l采用脉冲法，则E(t)=CAi/CAit=CAi/C0F(t)=CA(t)/CA(t)=tiCA(t)/C0代入数据：F(2)=1（0+0+3）/30=0.1F(3)=1（0+0+3+5）/30=0.267F(4)=1（3+5+6）/30=0.467将上述数据列表如下：t/min012345678910E(t)/min000.1 0.1670.2 0.2 0.1330.1 0.0670.0350F(t)000.1 0.2670.4670.6670.8 0.9 0.9671.0 1.0t-=tiCA(t)/CA(t)代入数据得：t-=(25+35+46+56+46+73+82+91)/(0+0+3+5+6+6+4+3+2+1+0)=4.83mint2=t2iCA(t)/CA(t)-t-2所以t2=(223+325+426+526+624+723+822+921)/(0+0+3+5+6+6+4+3+2+1+0)-4.832=3.44min2=t2/t-2=3.44/4.832=0.147若用多级混合模型：N=1/2=1/0.147=6.803即相当于6.803个等容积的全混釜，所以CA/CA0=1/(1+k)N=1/1+0.307*(3.44/6.8036.803=0.375所以XA=1-0.375=0.6253.一般情况下，相应于E值最大时的t，是否相应于平均停留时间，为什么？或或9.有一反应器被用于某一级反应，对该反应进行示踪应答实验在进口处加入函数，示踪物在出口处的响应为已知该反应在全混釜中进行，在同样下，XAf=0.82，求本反应器所能获得的XAft/s1020304050607080C(t)03554210解：利用CSTR的反应结果计算k，对一级反应：所以XA=1-CA/CA0=1-e-ktE(t)=CA(t)/CA(t)t=CA(t)/C0=CA(t)/200代入数据，算出各时间下的XA和E(t)值。代人下式，得：XA=XAE(t)t=0.973t2=t2CA(ti)/CA(ti)-t2=1902=t2/t=190/40=0.12N=t2/t2=1/2=1/0.128