水處理反應(yīng)器

1、第三章 理想(lxing)流動(dòng)反應(yīng)器河北(h bi)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 共三十七頁(yè)反應(yīng)器選型、設(shè)計(jì)(shj)和優(yōu)化反應(yīng)器中的流動(dòng)(lidng)狀況影響反應(yīng)結(jié)果數(shù)學(xué)模型流動(dòng)模型對(duì)實(shí)際過(guò)程的簡(jiǎn)化理想模型非理想模型第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器建立模型的基本方法理想氣體狀態(tài)方程共三十七頁(yè)間歇(jin xi)反應(yīng)器平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器連續(xù)(linx)流動(dòng)反應(yīng)器第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器完全沒(méi)有返混返混極大(a)(b)(c

2、)共三十七頁(yè)間歇(jin xi)攪拌反應(yīng)器 Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)第三章 理想(lxing)流動(dòng)反應(yīng)器This unit can be depicted as shown in the right figure, with the following essential components:A vessel capable of containing a volume V of reaction fluid.A surface unable for heat exchange.A stirring system to mix the reactan

3、ts at the start of the operation if required, and to facilitate heat transfer with the heat exchange surface.共三十七頁(yè)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(shjin)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(shjin)共三十七頁(yè)第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器 第一節(jié) 流動(dòng)模型(mxng)概述平推流反應(yīng)器 Piston Flow Reactor (PFR)活塞流模型或理想(lxing)置換模型This type of units is i

4、llustrated in the following figure. This reactor consists of a tube inside which the reaction medium flows. This makes it the simplest structure conceivable for a continuous operation system. The heat exchange necessary to add heat to the system or to remove it generally occurs across the tube wall.

5、共三十七頁(yè)假設(shè)：反應(yīng)物料以穩(wěn)定(wndng)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)特點(diǎn)(tdin)：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。共三十七頁(yè)第三章 理想(lxing)流動(dòng)反應(yīng)器全混流反應(yīng)器 Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器 第一節(jié) 流動(dòng)模型(mxng)概述連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器 或理想混合反應(yīng)器This reactor essentially compris

6、es 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 variables, such as concentrations and temperature, have the same value. The same unit is also provided with continuous reactant feed and continuous withdrawal

7、to remove the reaction mixture containing the reaction products.共三十七頁(yè)假設(shè)(jish)：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)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)(cnsh)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(zhǎng)，有的很短，形成一個(gè)停留時(shí)間分布。共三十七頁(yè)年齡反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入(jnr)反應(yīng)器算起已經(jīng)停留的時(shí)間；是對(duì)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(kāi)反應(yīng)器的時(shí)間；是對(duì)已經(jīng)離開(kāi)反應(yīng)器的物

8、料質(zhì)點(diǎn)而言的。第三章 理想流動(dòng)(lidng)反應(yīng)器 第一節(jié) 流動(dòng)模型概述返混：又稱逆向返混，不同年齡的質(zhì)點(diǎn)之間的混合。是時(shí)間概念上的混合共三十七頁(yè) 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(shumng) 壽命相同(中止) 壽命相同(出口) 壽命不同(出口)4返混 全無(wú)返混 全無(wú)返混 返混極大反應(yīng)器特性分析 第一節(jié) 流動(dòng)(lidng)模型概述共三十七頁(yè)5 濃度(nngd)分布 - 推動(dòng)力反應(yīng)器特性分析 第一節(jié) 流動(dòng)(lidng)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(zhǎng)度逐

9、漸降低反應(yīng)推動(dòng)力不變，等于出口處反應(yīng)推動(dòng)力共三十七頁(yè)偏離(pinl)平推流的情況非理想(lxing)流動(dòng)模型 第一節(jié) 流動(dòng)模型概述漩渦運(yùn)動(dòng)：渦流、湍動(dòng)、碰撞填料截面上流速不均勻溝流、短路：填料或催化劑裝填不均勻共三十七頁(yè)非理想流動(dòng)(lidng)模型 第一節(jié) 流動(dòng)模型概述偏離(pinl)全混流的情況死角短路攪拌造成的再循環(huán)共三十七頁(yè)流動(dòng)(lidng)狀況對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響 - 由物料停留時(shí)間不同所造成非理想流動(dòng)模型(mxng) 第一節(jié) 流動(dòng)模型概述短路、溝流停留時(shí)間減少轉(zhuǎn)化率降低死區(qū)、再循環(huán)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)A+BP：有效反應(yīng)體積減少A+BPS 產(chǎn)物P減少 停留時(shí)間的不均共三十七頁(yè)3-2 反應(yīng)器設(shè)計(jì)(s

10、hj)的基本方程 第一節(jié) 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 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性+反應(yīng)器的流動(dòng)特征+傳遞特性確定最佳的工藝條件 最大反應(yīng)效果+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)化率計(jì)算所需反應(yīng)器體積(tj) 規(guī)定任務(wù)+反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化共三十七頁(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本(jbn)方程 第一節(jié) 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(guò)計(jì)算反應(yīng)(fnyng)體積計(jì)算溫度變化計(jì)

11、算壓力變化共三十七頁(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程 第一節(jié) 流動(dòng)(lidng)模型概述物料(w lio)衡算方程某組分流入量=某組分流出量+某組分反應(yīng)消耗量+某組分累積量反應(yīng)消耗累積流入流出反應(yīng)單元反應(yīng)器反應(yīng)單元流入量流出量反應(yīng)量累積量間歇式整個(gè)反應(yīng)器00平推流(穩(wěn)態(tài))微元長(zhǎng)度0全混釜(穩(wěn)態(tài))整個(gè)反應(yīng)器0非穩(wěn)態(tài)共三十七頁(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本(jbn)方程 第一節(jié) 流動(dòng)模型概述熱量(rling)衡算方程帶入的熱焓=帶出的熱焓+反應(yīng)熱+熱量的累積+傳給環(huán)境的熱量反應(yīng)熱累積帶入帶出反應(yīng)單元反應(yīng)器反應(yīng)單元帶入量帶出量反應(yīng)熱累積量間歇式整個(gè)反應(yīng)器00平推流(穩(wěn)態(tài))微元長(zhǎng)度0全混釜(穩(wěn)態(tài))整個(gè)反應(yīng)器0非穩(wěn)態(tài)傳給環(huán)境共三

12、十七頁(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程(fngchng) 第一節(jié) 流動(dòng)模型概述動(dòng)量(dngling)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(duì)反應(yīng)的影響，需進(jìn)行動(dòng)量衡算。但有時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，常采用估算法。共三十七頁(yè)第二節(jié) 理想(lxing)流動(dòng)反應(yīng)器3-3 間歇反應(yīng)器特點(diǎn): 1 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，因而排除了物質(zhì)傳遞對(duì)反應(yīng)的影響； 2 具有足夠強(qiáng)的傳熱條件，溫度始終相等，無(wú)需考慮器內(nèi)的熱量傳遞問(wèn)題； 3 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。優(yōu)點(diǎn)(yudin)： 操作靈活，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的產(chǎn)品生產(chǎn) 精細(xì)化工

13、產(chǎn)品的生產(chǎn)缺點(diǎn)：裝料、卸料等輔助操作時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定共三十七頁(yè)間歇反應(yīng)器的數(shù)學(xué)描述(mio sh) 第二節(jié) 理想流動(dòng)反應(yīng)器對(duì)整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行(jnxng)物料衡算：流入量 = 流出量 + 反應(yīng)量 + 累積量00單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)量 = 單位時(shí)間內(nèi)消失量等容過(guò)程，液相反應(yīng)共三十七頁(yè)間歇反應(yīng)器的數(shù)學(xué)描述(mio sh) 第二節(jié) 理想流動(dòng)反應(yīng)器實(shí)際操作時(shí)間(shjin)=反應(yīng)時(shí)間(shjin)(t) + 輔助時(shí)間(shjin) (t)反應(yīng)體積VR是指反應(yīng)物料在反應(yīng)器中所占的體積 VR=V(t+t)1/rA xAt/CA01/rA CAt共三十七頁(yè)反應(yīng)速率rA=kCArA=kCA2間歇(jin xi)

14、反應(yīng)器中的單反應(yīng) 第二節(jié) 理想流動(dòng)反應(yīng)器共三十七頁(yè)間歇反應(yīng)(fnyng)器中的單反應(yīng)(fnyng) 第二節(jié) 理想流動(dòng)反應(yīng)器共三十七頁(yè)k增大(zn d)(溫度升高）t減少反應(yīng)體積減小間歇(jin xi)反應(yīng)器中的單反應(yīng) 第二節(jié) 理想流動(dòng)反應(yīng)器2. 反應(yīng)濃度的影響1. k的影響零級(jí)反應(yīng)：t與初濃度CA0正比一級(jí)反應(yīng)：t與初濃度CA0無(wú)關(guān)二級(jí)反應(yīng)：t與初濃度CA0反比3. 殘余濃度零級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨t直線下降一級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨t逐漸下降二級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨t慢慢下降反應(yīng)后期的速度很小；反應(yīng)機(jī)理的變化共三十七頁(yè)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；徑向(jn xin)速度

15、均勻，徑向(jn xin)也不存在濃度分布；反應(yīng)物料具有相同的停留時(shí)間。3-4 平推流反應(yīng)器 第二節(jié)理想(lxing)流動(dòng)反應(yīng)器一. 特點(diǎn)：共三十七頁(yè)二. 基本(jbn)公式： 第二節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器流入量 = 流出量 + 反應(yīng)(fnyng)量 + 累積量0共三十七頁(yè)二. 基本(jbn)公式： 第二節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器1. k與xA的關(guān)系(gun x)等溫時(shí)k為常數(shù)2. V0與xA的關(guān)系等分子反應(yīng)？變分子反應(yīng)？3. 等容過(guò)程與間歇反應(yīng)器的公式相同共三十七頁(yè)二. 等溫平推流反應(yīng)器的計(jì)算(j sun) 第二節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器共三十七頁(yè)二. 等溫平推流反應(yīng)器的計(jì)算(j sun) 第二節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器共三十七

16、頁(yè)3-5 全混流反應(yīng)器 第二節(jié)理想(lxing)流動(dòng)反應(yīng)器反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度和溫度處處相等(xingdng)，且等于反應(yīng)器流出物料的濃度和溫度。流入量 = 流出量 + 反應(yīng)量 + 累積量0進(jìn)口中已有A共三十七頁(yè)3-5 全混流反應(yīng)器 第二節(jié)理想(lxing)流動(dòng)反應(yīng)器全混流反應(yīng)器的圖解(tji)積分共三十七頁(yè)平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較(bjio)共三十七頁(yè)三種理想反應(yīng)器的特點(diǎn)及其基本方程(fngchng)的建立作業(yè)(zuy)：3-2，3-4，3-5掌握三種理想反應(yīng)器的基本概念、特點(diǎn)；掌握建立基本設(shè)計(jì)方程的方法；記住零級(jí)反應(yīng)、一級(jí)反應(yīng)、二級(jí)反應(yīng)的積分式（濃度和轉(zhuǎn)化率）能夠利用反應(yīng)器流動(dòng)模型方程計(jì)算反應(yīng)體積和所需反應(yīng)時(shí)間。要求：共三十七頁(yè)一. 在某催化劑表面發(fā)生如下可逆反應(yīng)： A=B+S反應(yīng)機(jī)理為：A+( )=(A)(A)=(B)+S(B)=B+( )試分別推導(dǎo)出1、2、3各為控制步驟時(shí)的均勻吸附動(dòng)力學(xué)方程二. 請(qǐng)寫(xiě)出內(nèi)擴(kuò)散有效因子(ynz)的定義式共三十七頁(yè)內(nèi)容摘要第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器?；钊髂Ｐ突蚶硐胫脫Q模型。假設(shè)：反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)器，