為了把給定的原料轉化成一定的產物,連續(xù)攪拌釜式反應器的容積可能比管式反應器的容積大得多,一個重要的理由是短路作用。由于這個原因,一部分進料在反應器中花費的時間比在連續(xù)攪拌反應器中的平均逗留時間短。對生產的產品來說,通常這種影響并不能靠那部分逗留時間比平均逗留時間長的分子來彌補。在任何反應器中,逗留時間分布多數(shù)是有害的,因為這種情況下反應器比按定義規(guī)定為沒有逗留時間分布的活塞流反應器要大些。
換句話說,已知體積為V,處理進料流量為v(單位時間的體積)的反應器性能,并不能完全由V、v進料組成和反應速度常數(shù)來決定。已經討論過的兩種簡單的極限情況——活塞流反應器和連續(xù)攪拌釜式反應器,它們的設計計算是簡單的。然而一般反應器并不具有這兩種極限情況的特征。接下來將證明如何應用逗留時間的測定技術以估計任一反應器的性能。
這種方法可以有兩種用途。第一,它們可用來合理而精確地預估那些不能近似地用前述的兩種極限情況來處理的反應器性能。第二,它們能夠更精確地確定那些雖被設計成近似于活塞流反應器或連續(xù)攪拌釜式反應器,但在實際上與這種性能還有一定程度偏離的反應器性能。
近年來,圍繞著這個課題的文獻大量地增加。幸而,對實踐上也許要采用這種結果的人們來說,這些研究工作的結論可以十分簡明地描述。在這個領域內已經提出了許多有意義的論述,并且在雜志上發(fā)表了許多文章,但是在這里不可能作詳細的評論。對這個課題有興趣作進一步研究的,可參考有關文獻。
逗留時間分布的測定技術如今已普遍地應用于工業(yè)生產,但這種研究結果也許只有局部意義,且在文獻資料中報道也相當少。一些有意義的文獻印報道了三個催化裂化裝置的逗留時間研究。氦氣可作為氣體流動的示蹤物。放射性示蹤物可用于催化劑顆粒的示蹤,它從反應器到再生器,再從再生器回到反應器,往返循環(huán)流動。文獻中的兩個催化裂化裝置的性能相當接近于三個循環(huán)著的完全混和器,而第三個裝置則能較好地符合于兩個完全混和器和一個活塞流汽提塔三者循環(huán)流動的組合模型。
有時要從設備排出物中測量示蹤物殘存的痕量是很困難的,這時E曲線有一條長“尾巴”。這種現(xiàn)象也許不會太嚴重,因為這些殘存的示蹤物,不致多到足以影響平均逗留時間的估算(具有容許準確程度)。但有時對示蹤物的物料衡算比較差,且有跡象表明,有相當數(shù)量的示蹤物滯留在設備中很長時間,并且這些時間也無法精確知道。因此這種長“尾巴”使平均逗留時間的計算不能正確。在系統(tǒng)中有很大“死角”的極端情況下,表觀平均逗留時間可能會小得多。熟知的一個例子是一個制備玻璃的裝置,其中高粘度的熔融體很快地流經裝置的狹窄的熾熱區(qū),而有將近3/4的熔融體體積被較冷的和高粘度的物料所占據,而這些物料只是極緩慢地移動著。再其次一個例子是對噴霧干燥器測定。
然而,盡管有種種困難,可是逗留時間分布的測定,對經過某一化學裝置的運動特性能提供很多有價值的數(shù)據。在生產裝置內部的總物料量通常是難以精確測定的,可是如果通過設備的流量為已知,則由平均逗留時間的計算就有可能計算物料總量。逗留時間在平均值周圍的分布,常常可用來表征設備的性能。