液体以1m3hr-1的流量通过1m3的反应器。定常态时用惰性示踪物以恒定流量2×10-4mol·hr-1送入反应器(可以忽略示踪物流对流动的影响)。若反应器分别为PFR或CSTR,求示踪物料加入后1.2hr时,反应器出口物流中示踪物的浓度为多少?
液体以1m3hr-1的流量通过1m3的反应器。定常态时用惰性示踪物以恒定流量2×10-4mol·hr-1送入反应器(可以忽略示踪物流对流动的影响)。若反应器分别为PFR或CSTR,求示踪物料加入后1.2hr时,反应器出口物流中示踪物的浓度为多少?
题目解答
答案
解析
本题主要考察活塞流反应器(PFR)和连续搅拌釜式反应器(CSTR)中示踪物浓度的计算,关键是理解停留时间分布函数的应用。
步骤1:计算入口示踪物浓度 $c_0$
示踪物以恒定流量 $q = 2 \times 10^{-4} \, \text{mol·hr}^{-1}$ 输入,液体流量 $v = 1 \, \text{m}^3\text{·hr}^{-1}$,则入口浓度为:
$c_0 = \frac{q}{v} = \frac{2 \times 10^{-4} \, \text{mol·hr}^{-1}}{1 \, \text{m}^3\text{·hr}^{-1}} = 2 \times 10^{-4} \, \text{mol·m}^{-3}$
步骤2:计算停留时间 $\theta$
反应器体积 $V = 1 \, \text{m}^3$,液体流量 $v = 1 \, \text{m}^3\text{·hr}^{-1}$,平均停留时间 $t = \frac{V}{v} = 1 \, \text{hr}$。
示踪物加入后时间 $t = 1.2 \, \text{hr}$,则无量纲时间 $\theta = \frac{t}{t} = 1.2$。
步骤3:PFR中出口示踪物浓度
PFR中流体停留时间均为 $t = 1 \, \text{hr}$,当 $t = 1.2 \, \text{hr} > t$ 时,所有流体均已流出,示踪物完全混合,出口浓度等于入口浓度:
$c = c_0 = 2 \times 10^{-4} \, \text{mol·m}^{-3}$
步骤4:CSTR中出口示踪物浓度
CSTR中停留时间分布函数为 $F(\theta) = 1 - e^{-\theta}$,出口浓度为:
$c = c_0 \cdot F(\theta) = 2 \times 10^{-4} \times (1 - e^{-1.2})$
计算得 $1 - e^{-1.2} \approx 0.6988$,故:
$c \approx 2 \times 10^{-4} \times 0.6988 = 1.3976 \times 10^{-4} \, \text{mol·m}^{-3}$