專題-停留時間函數(shù)及示蹤法測定停留時間分布函數(shù)

1、專題十、停留時間函數(shù)及示蹤法測定停留時間分布函數(shù)2008年11月241可編輯ppt停留時間函數(shù)及示蹤法測定停留時間分布函數(shù)一、停留時間函數(shù)a 、液齡分布函數(shù) E(t)b 、累積液齡分布函數(shù) F(t)c、內(nèi)齡分布函數(shù)故 I(t)d、平均停留時間二、示蹤法測定停留時間分布函數(shù)1、脈沖示蹤法2、階躍示蹤法（階梯信號法）三、統(tǒng)計參數(shù)2可編輯ppt活塞流反應(yīng)器與CSTR都是理想的反應(yīng)器模型，在化工中可以用來作為一些反應(yīng)器的近似代表。在水處理中，往往容積要比化工反應(yīng)器大幾十倍到幾百倍以上的反應(yīng)器，偏離這種理想反應(yīng)器的程度就很大（死角、短路流、溝流等）。水處理中研究一般反應(yīng)器偏離理想反應(yīng)器的常用方法是對水在

2、反應(yīng)器中的停留時間分布（停留時間函數(shù)）進行分析。假定水流穩(wěn)定。3可編輯ppt實際反應(yīng)器中液體流動狀況實際反應(yīng)器中液體流動狀況4可編輯ppt討論停留時間函數(shù)之前，對反應(yīng)器進出口邊界條件加以界定。物料通過反應(yīng)器進口斷面不能重新出進口 閉口的進口。物料通過反應(yīng)器進口斷面能夠重新出進口 開口的進口。物料離開出口斷面不能再回到反應(yīng)器之中 閉口的出口。物料離開出口斷面能夠再回到反應(yīng)器之中 開口的出口。圖反應(yīng)器進出口類型上圖中，整個反應(yīng)器屬于閉口閉口型。將其分成三段來研究時，即、三個反應(yīng)器，分別為閉口開口、開口開口、開口閉口三種類型。5可編輯ppt通常把反應(yīng)器的容積V除以流量Q所得的值稱為停留時間，這只是一

3、種平均停留時間的概念。實際上，在某一時刻進入反應(yīng)器的液體體積所含的無數(shù)微元中，每一個微元在反應(yīng)器中的停留時間都是不同的（理想活塞流除外）。這一現(xiàn)象稱為停留時間的展形。為了研究這一現(xiàn)象，定義了以下三個分布函數(shù)和平均停留時間。液齡分布函數(shù) E(t)；累積液齡分布函數(shù) F(t)；內(nèi)齡分布函數(shù)故 I(t)；平均停留時間 。一、停留時間函數(shù)6可編輯ppta、液齡分布函數(shù) E(t) (exit-age distribution function)定義：在某一時刻 t2 從反應(yīng)器中流出的物質(zhì)中（水、水中雜質(zhì)），在反應(yīng)器內(nèi) 曾經(jīng)停留在 t1與t1+dt1時間間隔內(nèi)所占的分數(shù)等于 E(t1)dt1。由分布函數(shù)定

4、義得： （10-1）定義中 t1 指流出物質(zhì)中的分子在反應(yīng)器內(nèi)停留時間，是變量。0 t2 指觀察流出物質(zhì)的時刻，是恒量。 同樣可以用進入反應(yīng)器的物質(zhì)來定義液齡分布函數(shù)。在流量恒定時，以流入或者流出物質(zhì)定義的分布函數(shù)結(jié)果一致，而一般都按流出物質(zhì)來定義。停留時間分布密度函數(shù)7可編輯pptb、累積液齡分布函數(shù) F（t)( cumulative exit-age distribution function )對E（t）曲線計算0 t的累積分數(shù)，稱為累積液齡分布函數(shù) F（t）。（10-2）F（0）=0、F（）=1，取10-2式的微分得：（10-3）在時間0t之間進入反應(yīng)器的物料粒子中，具有停留時間從0t

5、間的物料粒子的量占進料總量的分數(shù)。 F（t）曲線上停留時間為t時對應(yīng)點的斜率為E（t）停留時間分布函數(shù)8可編輯pptc、內(nèi)齡分布函數(shù)I(t) ( internal age distribution function )定義：在某一時刻反應(yīng)器內(nèi)所含的物質(zhì)中（水、水中雜質(zhì)），其停留時間在 t 與 t+dt 間所占的分數(shù)是 I（t）dt。對理想CSTR，由于完全混合，出流中物質(zhì)分布實際是內(nèi)部分布的代表，則（10-4）（10-5）其他反應(yīng)器則不存在以上關(guān)系。I（t）與F（t）之間還存在以下關(guān)系：（10-6）Q-流量；V-反應(yīng)器容積。I(t) 曲線9可編輯ppt證明式10-6：從0 t 時間流進反應(yīng)器的

6、物質(zhì)由兩部分組成：累積在反應(yīng)器中的部分和流出反應(yīng)器的部分。以C0表示t時間內(nèi)流進反應(yīng)器的物質(zhì)的濃度。則流入的物質(zhì)總量：累積部分：流出部分：物料衡算得：對時間t 微分并略去下標(biāo)：兩邊除以帶入某一時刻t2(t2t) 流出反應(yīng)器的量10可編輯ppt11可編輯pptd、平均停留時間由液齡分布函數(shù)曲線，定義反應(yīng)器的平均停留時間 （10-7） 在活塞流、連續(xù)流反應(yīng)器中，把=L/U（或=V/Q）作為反應(yīng)器的特性參數(shù)，即 整個反應(yīng)器的平均停留時間。為了區(qū)別，有時把稱為容納時間（hold-up time）。與 關(guān)系：理論計算值、 =V/Q由試驗得到的E(t)曲線計算出（10-7）反應(yīng)器出現(xiàn)死角或短路流時： 12

7、可編輯ppt二、示蹤法測定停留時間分布函數(shù) 測定停留時間分布函數(shù)通常使用示蹤法，即向一穩(wěn)定流動的系統(tǒng)中輸入示蹤劑，在出口處檢測流出物料中示蹤劑含量的變化，從而定出物料的停留時間分布。所用示蹤劑應(yīng)不起化學(xué)變化，不會被器壁或器內(nèi)填充物所吸附并易于檢測，如電解質(zhì)、染料等。輸入示蹤劑要不影響反應(yīng)器內(nèi)原來的流動狀況。對于一般反應(yīng)器，通過在反應(yīng)器進口處極短時間內(nèi)加入一定量的示蹤劑（如食鹽），并由反應(yīng)器出口得到示蹤劑濃度變化曲線來研究反應(yīng)器停留時間E(t)、F(t)等。示蹤方法有多種，最常用的是脈沖示蹤法（脈沖信號）和階躍示蹤法（階梯信號）13可編輯ppt1、脈沖示蹤法脈沖示蹤法測定停留時間示蹤劑濃度 C(

8、t)曲線，從t t+dt流出示蹤劑量 vCA(t)dt。由液齡分布曲線示蹤劑停留在t與t+dt 的量為ME(t)dt。物料衡算：閉口反應(yīng)器歸一化E(t)曲線vCA(t)dt= ME(t)dt E(t)=v/MCA(t)=C(t) C(t)曲線同樣，可由F(t)函數(shù)定義求的F曲線：14可編輯ppt脈沖示蹤法15可編輯ppt2、階躍示蹤法（階梯信號法）當(dāng)反應(yīng)器很接近活塞流時、出口信號回集中在極短時間內(nèi)出現(xiàn)，不便于收集數(shù)據(jù)。此時往往以階梯信號輸入為便。有兩種情況：（以CSTR為例）1）t=0時示蹤劑濃度瞬間由0 0，并保持不變。2）t0時進口濃度保持0，在t=0時瞬間降為0。16可編輯ppt1）t=

9、0時示蹤劑濃度瞬間由0 0，并保持不變。物料衡算方程：（10-8）10-8式兩邊除以V，乘以積分因子積分得：整理得：（10-9）（10-10）進口濃度0 連續(xù)不變，出口按定義應(yīng)該是累積液齡分布函數(shù)F(t),則（10-11）微分得：（10-12）17可編輯ppt2）t0時進口濃度保持0，在t=0時瞬間降為0。物料衡算方程：積分后得：輸入信號在t=0中斷，相當(dāng)于脈沖信號。示蹤劑的量 V 0,則得：同樣得：（10-12）（10-12）（10-12）（10-12）18可編輯ppt階躍法測定停留時間分布是在反應(yīng)器處于定態(tài)流動條件下，選一合適的示蹤物質(zhì),在反應(yīng)器入口處以階躍方式注入，再用專門的分析測定手段

10、測定反應(yīng)器內(nèi)不同時刻流出物料中示蹤劑的變化，經(jīng)處理即可得到停留時間分布密度函數(shù)或停留時間分布函數(shù)。 1.打開高位水槽出口流活塞，將水注入到攪拌釜式反應(yīng)器(三頸瓶)中，緩慢啟動攪 拌器至不打擊器壁，且釜內(nèi)液體不飛濺。盡可能形成理想攪拌，以使釜內(nèi)濃度達到均勻 一致；2.以量筒和秒表測量,控制流量穩(wěn)定在 120-130mlmin-1；3.將接好的電導(dǎo)率儀之電極插入連續(xù)操作攪拌釜出口流的電導(dǎo)池中，打開電導(dǎo)率儀 及長圖平衡記錄儀開關(guān)，控制走紙速度為 6010mmh-1； 4.用注射器在攪拌釜入口處瞬時注入 2ml 已著紅色的 KCl 溶液，同時以秒表記時， 開始每隔 20 秒鐘記錄一次電導(dǎo)值，兩分鐘后改為每隔一分鐘記錄一次電導(dǎo)值