水處理反應(yīng)器.

1、第三章第三章第三章第三章第三章第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院College of Chemical and Pharmaceutical EngineeringHebei University of Science and Technology 反應(yīng)器選型、反應(yīng)器選型、設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化反應(yīng)器中的反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況影流動(dòng)狀況影響反應(yīng)結(jié)果響反應(yīng)結(jié)果數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)模型模型流動(dòng)流動(dòng)模型模型對實(shí)際過程對實(shí)際過程的簡化的簡化理想理想模型模型非理想非理想模型模型第三章第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器建立模型的建立模

2、型的基本方法基本方法理想氣體狀態(tài)方程間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器第三章第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器完全沒有返混返混極大(a)(b)(c)間歇攪拌反應(yīng)器 Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)第三章第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器This unit can be depicted as shown in the right figure, with the following essential components:a) A vessel capable of containing a volume V of

3、reaction fluid.b)A surface unable for heat exchange.c) A stirring system to mix the reactants at the start of the operation if required, and to facilitate heat transfer with the heat exchange surface.特點(diǎn)：特點(diǎn)：反應(yīng)物料間歇加入與取出，反應(yīng)物料的溫度和濃度等操作參數(shù)隨時(shí)間而變，不隨空間位置而變，所有物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)歷相同的反應(yīng)時(shí)間第三章第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器 第一節(jié)第一節(jié) 流動(dòng)模

4、型概述流動(dòng)模型概述 平推流反應(yīng)器 Piston Flow Reactor (PFR)活塞流模型或理想置換模型活塞流模型或理想置換模型This type of units is illustrated in the following figure. This reactor consists of a tube inside which the reaction medium flows. This makes i t t h e s i m p l e s t s t r u c t u re conceivable for a continuous operation system. Th

5、e heat exchange necessary to add heat to the system or to remove it generally occurs across the tube wall.假設(shè)：反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)器，在反反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)器，在反應(yīng)器中平行地像氣缸活塞一樣向前移動(dòng)應(yīng)器中平行地像氣缸活塞一樣向前移動(dòng)特點(diǎn)：沿著物料的流動(dòng)方向，物料的溫度、濃度不斷變化，而垂直于物料流動(dòng)方向的任一截面上物料的所有參數(shù)，如溫度、濃度、壓力、流速都相同，因此，所有物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中具有相同的停留時(shí)間，反應(yīng)器中不存在返混。第三章第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器 全

6、混流反應(yīng)器 Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)第三章第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器 第一節(jié)第一節(jié) 流動(dòng)模型概述流動(dòng)模型概述連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器 或理想混合反應(yīng)器或理想混合反應(yīng)器This reactor essentially comprises a tank equipped with a stirring system, a feed pipe and a withdrawal pipe. It is assumed that, at any point of such a unit, the intensive variable

7、s, such as concentrations and temperature, have the same value. The same unit is also provided with continuous reactant feed and continuous withdrawal to remove the reaction mixture containing the reaction products.假設(shè)：反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)器，在反反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)器，在反應(yīng)器中，剛進(jìn)入的新鮮物料與存留在反應(yīng)應(yīng)器中，剛進(jìn)入的新鮮物料與存留在反應(yīng)器中的物料瞬間達(dá)到完全混

8、合。器中的物料瞬間達(dá)到完全混合。特點(diǎn)：反應(yīng)器中所有空間位置的物料參數(shù)都是均勻的，而且等于反應(yīng)器出口處的物料性質(zhì)，物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間參差不齊，有的很長，有的很短，形成一個(gè)停留時(shí)間分布。年齡反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器算起已經(jīng)停留的時(shí)間；反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器算起已經(jīng)停留的時(shí)間；是對仍留在反應(yīng)器中的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。是對仍留在反應(yīng)器中的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。壽命反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器到離開反應(yīng)器的時(shí)間；反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器到離開反應(yīng)器的時(shí)間；是對已經(jīng)離開反應(yīng)器的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。是對已經(jīng)離開反應(yīng)器的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。第三章第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器 第一節(jié)第一節(jié) 流動(dòng)模型概述流動(dòng)模型概

9、述返混返混：又稱逆向返混，又稱逆向返混，不同年齡不同年齡的質(zhì)點(diǎn)之間的混合。的質(zhì)點(diǎn)之間的混合。是時(shí)間概念上的混合是時(shí)間概念上的混合 BSTR PFR CSTR1投料 一次加料(起始) 連續(xù)加料(入口) 連續(xù)加料(入口)2年齡 年齡相同(某時(shí)) 年齡相同(某處) 年齡不同3壽命 壽命相同(中止) 壽命相同(出口) 壽命不同(出口)4返混 全無返混 全無返混 返混極大反應(yīng)器特性分析反應(yīng)器特性分析 第一節(jié)第一節(jié) 流動(dòng)模型概述流動(dòng)模型概述5 濃度分布 - 推動(dòng)力反應(yīng)器特性分析反應(yīng)器特性分析 第一節(jié)第一節(jié) 流動(dòng)模型概述流動(dòng)模型概述反應(yīng)推動(dòng)力隨反應(yīng)時(shí)間逐漸降低反應(yīng)推動(dòng)力隨反應(yīng)器軸向長度逐漸降低反應(yīng)推動(dòng)力不變

10、，等于出口處反應(yīng)推動(dòng)力 偏離平推流的情況非理想流動(dòng)模型非理想流動(dòng)模型 第一節(jié)第一節(jié) 流動(dòng)模型概述流動(dòng)模型概述漩渦運(yùn)動(dòng)：渦流、漩渦運(yùn)動(dòng)：渦流、湍動(dòng)、碰撞填料湍動(dòng)、碰撞填料截面上流截面上流速不均勻速不均勻溝流、短路：填料或溝流、短路：填料或催化劑裝填不均勻催化劑裝填不均勻非理想流動(dòng)模型非理想流動(dòng)模型 第一節(jié)第一節(jié) 流動(dòng)模型概述流動(dòng)模型概述 偏離全混流的情況死角死角短路短路攪拌造成攪拌造成的再循環(huán)的再循環(huán) 流動(dòng)狀況對化學(xué)反應(yīng)的影響 - 由物料停留時(shí)間不同所造成由物料停留時(shí)間不同所造成非理想流動(dòng)模型非理想流動(dòng)模型 第一節(jié)第一節(jié) 流動(dòng)模型概述流動(dòng)模型概述短路、溝流短路、溝流停留時(shí)間減少停留時(shí)間減少轉(zhuǎn)化率

11、降低轉(zhuǎn)化率降低死區(qū)、死區(qū)、再循環(huán)再循環(huán)停留時(shí)停留時(shí)間過長間過長A+BP：有效反應(yīng)體積減少：有效反應(yīng)體積減少A+BPS 產(chǎn)物產(chǎn)物P減少減少 停留時(shí)間的不均停留時(shí)間的不均3-2 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程 第一節(jié)第一節(jié) 流動(dòng)模型概述流動(dòng)模型概述反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容選擇合適的反應(yīng)器型式選擇合適的反應(yīng)器型式 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性+ +反應(yīng)器的流動(dòng)特征反應(yīng)器的流動(dòng)特征+ +傳遞特性傳遞特性確定最佳的工藝條件確定最佳的工藝條件 最大反應(yīng)效果最大反應(yīng)效果+ +反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性 進(jìn)口物料的配比、流量、反應(yīng)溫度、壓力和最終轉(zhuǎn)化率進(jìn)口物料的配比、流量、反應(yīng)溫度、壓力和最終

12、轉(zhuǎn)化率計(jì)算所需反應(yīng)器體積計(jì)算所需反應(yīng)器體積 規(guī)定任務(wù)規(guī)定任務(wù)+ +反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程 第一節(jié)第一節(jié) 流動(dòng)模型概述流動(dòng)模型概述the kinetic equationthe mass balance equationthe energy balance equationthe momentum balance equation第二章中講過第二章中講過計(jì)算反應(yīng)體積計(jì)算反應(yīng)體積計(jì)算溫度變化計(jì)算溫度變化計(jì)算壓力變化計(jì)算壓力變化反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程 第一節(jié)第一節(jié) 流動(dòng)模型概述流動(dòng)模型概述物料衡算方程某組分流入量某組分流

13、入量= =某組分流出量某組分流出量+ +某組分反應(yīng)消耗量某組分反應(yīng)消耗量+ +某組分累積量某組分累積量反應(yīng)消耗累積流入流入流出流出反應(yīng)單元反應(yīng)單元反應(yīng)器反應(yīng)單元流入量流出量反應(yīng)量累積量間歇式間歇式整個(gè)反應(yīng)器整個(gè)反應(yīng)器00平推流平推流(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))微元長度微元長度0全混釜全混釜(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))整個(gè)反應(yīng)器整個(gè)反應(yīng)器0非穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程 第一節(jié)第一節(jié) 流動(dòng)模型概述流動(dòng)模型概述熱量衡算方程帶入的熱焓帶入的熱焓= =帶出的熱焓帶出的熱焓+ +反應(yīng)熱反應(yīng)熱+ +熱量的累積熱量的累積+ +傳給環(huán)境的熱量傳給環(huán)境的熱量反應(yīng)熱累積帶入帶入帶出帶出反應(yīng)單元反應(yīng)單元反應(yīng)器反應(yīng)單元帶入量帶

14、出量反應(yīng)熱累積量間歇式間歇式整個(gè)反應(yīng)器整個(gè)反應(yīng)器00平推流平推流(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))微元長度微元長度0全混釜全混釜(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))整個(gè)反應(yīng)器整個(gè)反應(yīng)器0非穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)傳給環(huán)境傳給環(huán)境反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程 第一節(jié)第一節(jié) 流動(dòng)模型概述流動(dòng)模型概述動(dòng)量衡算方程氣相流動(dòng)反應(yīng)器的壓降大時(shí)，需要考慮壓降對反應(yīng)的影響，需進(jìn)行動(dòng)量衡算。但有時(shí)為了簡化計(jì)算，常采用估算法。第二節(jié)第二節(jié) 理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器3-3 間歇反應(yīng)器特點(diǎn): 1 1 由于劇烈攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達(dá)到分子尺度由于劇烈攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達(dá)到分子尺度上的均勻，且反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等，因而排除上的均勻，且反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等，因

15、而排除了物質(zhì)傳遞對反應(yīng)的影響；了物質(zhì)傳遞對反應(yīng)的影響； 2 2 具有足夠強(qiáng)的傳熱條件，溫度始終相等，無需考具有足夠強(qiáng)的傳熱條件，溫度始終相等，無需考慮器內(nèi)的熱量傳遞問題；慮器內(nèi)的熱量傳遞問題； 3 3 物料同時(shí)加入并同時(shí)停止反應(yīng)，所有物料具有相物料同時(shí)加入并同時(shí)停止反應(yīng)，所有物料具有相同的反應(yīng)時(shí)間。同的反應(yīng)時(shí)間。優(yōu)點(diǎn)： 操作靈活，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長的操作靈活，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)產(chǎn)品生產(chǎn) 精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：裝料、卸料等輔助操作時(shí)間長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定：裝料、卸料等輔助操作時(shí)間長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定間歇反應(yīng)器的數(shù)學(xué)描述間歇反應(yīng)器的數(shù)學(xué)

16、描述 第二節(jié)第二節(jié) 理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器對整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算：)1 (00AAAAAAAxnndtdxndtdnVr流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量 + + 累積量累積量00單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)量單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)量 = = 單位時(shí)間內(nèi)消失量單位時(shí)間內(nèi)消失量AfAfxAAAxAAArdxCrdxVnt0000AAAfCCAAxAAArdCrdxCt000等容過程，液相反應(yīng)等容過程，液相反應(yīng)間歇反應(yīng)器的數(shù)學(xué)描述間歇反應(yīng)器的數(shù)學(xué)描述 第二節(jié)第二節(jié) 理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器 實(shí)際操作時(shí)間=反應(yīng)時(shí)間(t) + 輔助時(shí)間 (t)反應(yīng)體積反應(yīng)體積V VR R是指反應(yīng)物料在反應(yīng)

17、器中所占的體積是指反應(yīng)物料在反應(yīng)器中所占的體積 V VR R=V(t+t)=V(t+t)1/rA xAt/CA01/rA CAt反應(yīng)速率rA=kCArA=kCA2AACCkt0lnAfxAAArdxCt00Axkt11ln011AACCktAAAxxktC10AACCAArdCt0間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng) 第二節(jié)第二節(jié) 理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng) 第二節(jié)第二節(jié) 理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器k k增大增大( (溫度升高）溫度升高）tt減少減少反應(yīng)體積減小反應(yīng)體積減小間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng) 第二節(jié)第二節(jié) 理想流動(dòng)反應(yīng)器理想

18、流動(dòng)反應(yīng)器2. 反應(yīng)濃度反應(yīng)濃度的影響的影響1. k的影響的影響零級反應(yīng)：零級反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度C CA0A0正比正比一級反應(yīng)：一級反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度C CA0A0無關(guān)無關(guān)二級反應(yīng)：二級反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度C CA0A0反比反比3. 殘余濃度殘余濃度零級反應(yīng)：殘余濃度隨零級反應(yīng)：殘余濃度隨t t直線下降直線下降一級反應(yīng)：殘余濃度隨一級反應(yīng)：殘余濃度隨t t逐漸下降逐漸下降二級反應(yīng)：殘余濃度隨二級反應(yīng)：殘余濃度隨t t慢慢下降慢慢下降反應(yīng)后期的速度很??；反應(yīng)機(jī)理的變化1. 連續(xù)定態(tài)下，各個(gè)截面上的各種參數(shù)只是位置的函數(shù)，不隨時(shí)間而變化；2. 徑向速度均勻，徑向也不存在

19、濃度分布；3. 反應(yīng)物料具有相同的停留時(shí)間。3-4 平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器 第二節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器第二節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器一一. 特點(diǎn)：特點(diǎn)：二二. 基本公式：基本公式： 第二節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器第二節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量 + + 累積量累積量0RAAAAAAdVrdxxCVxCV)1 ()1 (0000RAAAdVrdxCV00AfxAAARrdxCVV000二二. 基本公式：基本公式： 第二節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器第二節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器1. k與xA的關(guān)系等溫時(shí)等溫時(shí)k k為常數(shù)為常數(shù)2. V0與xA的關(guān)系等分子反應(yīng)？變分子反應(yīng)？等分子反應(yīng)？變分子反應(yīng)？3. 等容過程AfxAAARrdxCVV000與間歇反應(yīng)器的公式相同與間歇反應(yīng)器的公式相同二二. 等溫平推流反應(yīng)器的計(jì)算等溫平推流反應(yīng)器的計(jì)算 第二節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器第二節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器AfxAAARrdxCVV000)1 (0AAAxCCAfAfAxCCnAAnAnAARk