等温平推流反应器的计算-化学反应工程.ppt
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1、第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器n概述n按照操作方式,可以分为间歇过程和连续过程,相应的反应器为间歇反应器和流动反应器。n对于间歇反应器,物料一次性加入,反应一定时间后把产物一次性取出,反应是分批进行的。物料在反应器内的流动状况是相同的,经历的反应时间也是相同的。n对于流动反应器,物料不断地加入反应器,又不断地离开反应器。n考察物料在反应器内的流动状况。有的物料正常的通过反应器,有的物料进入反应器的死角,有的物料短路(即近路)通过反应器,有的物料在反应器内回流。第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器n在流动反应器中物料的流动状况不相同,造成物料浓度不均匀,经历的反应时间不相同,直
2、接影响反应结果。n物料在反应器内的流动状况看不见摸不着。人们采用流动模型来描述物料在反应器内的流动状况。流动模型分类如下:n平推流模型n全混流模型n n 理想流动模型n流动模型n 非理想流动模型n特别强调的是,对于流动反应器,必须考虑物料在反应器内的流动状况;流动模型是专指反应器而言的。平推流模型全混流模型第三章 理想流动反应器第一节第一节 流动模型概述流动模型概述31 反应器中流体的流动模型反应器中流体的流动模型一、物料质点、年龄、奉命及其返混一、物料质点、年龄、奉命及其返混1.物料质点n物料质点是指代表物料特性的微元或微团。物料由无数个质点组成。2.物料质点的年龄和寿命n年龄是对反应器内质
3、点而言,指从进入反应器开始到某一时刻,称为年龄。n寿命是对离开反应器的质点而言,指从进入反应器开始到离开反应器的时间。3.返混(1)返混指流动反应器内不同年龄质点间的混合。在间歇反应器中,物料同时进入反应器,质点的年龄都相同,所以没有返混。在流动反应器中,存在死角、短路和回流等工程因素,不同年具的质点混合在一起,所以有返混。(2)返混的原因a.机械搅拌引起物料质点的运动方向和主体流动方向相反,不同年龄的质点混合在一起;b.反应器结构造成物料流速不均匀,例如死角、分布器等。造成返混的各种因素统称为工程因素。在流动反应器中,不可避免的存在工程因素,而且带有随机性,所以在流动反应器中都存在着返混,只
4、是返混程度有所不同而已。二、理想流动模型二、理想流动模型1.平推流模型平推流模型(活塞流模型、理想置换模型、理想排挤模型)平推流模型认为物料进入反应器后沿着流动方向象气缸里的活塞一样向前移动,彼此不相混合。1)模型特点(1)物料参数(温度、浓度、压力等)沿流动方向连续变化;(2)垂直于流动方向的任一截面上的物料参数相同(没有边界层);(3)沿流动方向的截面间不相混合;(4)质点的奉命相同,任一截面上的质点的年龄相同;(5)返混0,不同年龄的质点不相混合(参见(3)。2)适用范围管式反应器:L/D较大,流速比较大。2.全混流模型全混流模型(理想混合模型、连续搅拌槽式反应器模型)全混流模型认为物料
5、进入反应器后,在一瞬间,进入反应器的新鲜物料和反应器内的物料达到完全混合。1)模型特点:(1)反应器内物料质点完全混合,物料参数处处相同,且等于出口处的参数;(2)同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间分散混合,(3)反应器内物料质点的年龄不同。同一时刻离开反应器的物料中,质点的寿命也不相同。(4)返混2)适用范围:搅拌反应器,强烈搅拌。三、非理想流动模型1.实际反应器存在着程度不一的工程因素,流动状况不同程度的偏离理想流动,称为非理想流动。2.非理想流动模型在理想流动模型的基础上考虑非理想因素的流动模型,称为理想流动模型。常用的非理想流动模型有:1)轴向混合模型2)多级串联全混流模型目前大部分非
6、理想流动模型都是以平推流模型为基础发展而成的。四、流动状况对化学反应的影响四、流动状况对化学反应的影响 流动状况对化学反应的影响有两方面:物料质点的浓度和在反应器内的停留时间。1.物料质点浓度物料质点浓度间歇反应器、平推流反应器和全混流反应器中物料质点的浓度变化如图32所示。间歇反应器和平推流反应器的反应推动力CA均大于全混流反应器的CA。实际上是物料的浓度不同,反应速率不同。2.物质质点的停留时间和反应时间物质质点的停留时间和反应时间物料从进入反应器开始到离开反应器的时间称为停留时间,实际上是物料质点的寿命。物料质点进入反应器开始所经历的反应时间称为反应时间。对于离开反应器的物料质点而言,反
7、应时间通常不等于停留时间,但目前一般以停留时间来衡量反应时间。平推流反应器:同一时刻离开反应器的物料质点的停留时间相同,即所有物料质点的反应时间相同;全混流反应器:同一时刻离开反应器的物料质点的停留时间各不相同,从0,物料质点的反应时间各不相同。非理想流动反应器:同一时刻离开反应器的物料质点的停留时间的分布状况介于平推流反应器和全混流反应器之间,其反应时间也介于其间。3 32 2 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程反应器设计的基本内容反应器设计的基本内容1.选择合适的反应器形式2.确定最佳的工艺条件3.计算所需反应器体积反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程1.物料衡算方程某组分累积量
8、=某组分流入量某组分流出量某组分反应消耗量2.热量衡算方程带入的热焓带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量3.动量衡算方程上述为反应器设计的基本方程,在列出这些方程时,需要动力学方程和流动模型。33 间歇反应器一、间歇反应器的特征一、间歇反应器的特征工业上充分搅拌的间歇反应器接近于理想间歇反应器,如图35。1.反应器内物料达到分子尺度均匀,浓度处处相等,可排除物质传递对反应过程的影响。2.反应器内各处温度相等,不需考虑反应器内热量传递。3.反应物料同时加入又同时取出,物料的反应时间相同。第二节第二节 理想流动反应器理想流动反应器二、二、间间歇反歇反应应器性能的数学描述器性能的数学描述1
9、.反反应时间应时间xA的关系的关系在反应器中,物料浓度和温度是均匀的,只随反应时间变化,可以通过物料衡算求出反应时间t和xA的关系式。衡算对象:关键组分A衡算基准:整个反应器(V)在dt时间内对A作物料衡算:A流入量=A流出量+A反应量+A累积量 0 =0 +积分:等容过程:上式适用于等容、变温和等温的各种反应系统。由式(35),只要已知反应动力学方程就能计算反应时间。一般采用数值积分或图解法。如图36所示。已知动力学数据曲线,然后求取之间曲线下的面积即为t/CA0。同样也可作出曲线,然后求取之间曲线下的面积即为反应时间t,如图37所示。图解积分示意图图解积分示意图t/cA0rA-1xxAfx
10、A0trA-1CACAfCA02.实际操作时间实际操作时间=反应时间(t)+辅助时间(t)辅助时间包括加料、调温、缷料和清洗等时间。3.反应器体积VR=V(t+t)式中V为单位时间所处理的物料量。三、三、间间歇反歇反应应器中的器中的单单反反应应设有单一反应AP动力学方程为n1时,按式(35)残余浓度式或转化率公式:残余浓度式是计算经反应后残余A的浓度,而转化率式是计算A的利用率,根据工艺要求可以公式(35)计算。间歇反应中反应速率、转化率和残余浓度的计算结果列于表31。反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2n级n1表表3 31 1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式理想
11、间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式由表中所列结果,可以得出以下几点结论。1.对于任一级反应,当CA0、xAf或CAf确定后,kt即为定值:当k,t;当k,t。对于任一级反应都是如此。2.当转化率xAf确定后,反应时间与初始浓度的关系和反应级数有关。0级反应:,成正比1级反应:,无关2级反应:,成反比利用上述的反应特性,可以定性判别反应级数,例如确定xAf,然后测定的关系,判别反应级数。3.残残余余浓浓度度和和反反应应时时间间的的关关系系(转转化化率率和和反反应应时时间间的的关系)关系)0级反应:,直线下降1级反应:较缓慢下降2级反应:缓慢下降对于一级或二级不可逆反应,在反应后期CA的下降
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