返混_重要的化学工程概念

在实际反应器中 ,由于物料质点的逗留时间
不同 ,其反应程度也不一样 ,出口时物料中各个质
点的浓度也不相同 。为了计算平均转化率 ,就要
根据不同的逗留时间 ,求得出口物料的平均浓度 。
根据逗留时间分布密度的定义 ,逗留时间在 t 与 t
+ d t 间的质点所占的分率为 E ( t) d t ,若这部分质
王勤娜 [ 15 ] 等人对喹啉季铵盐类缓蚀剂在盐酸 中缓蚀性进行了研究 ,喹啉季胺盐优于咪唑啉季
胺盐及罗尼希碱 。季铵盐缓蚀剂与丙炔醇有较好 协同效应 。
4 结束语
冷却水缓蚀剂的品种很多 ,但任何一种单一 缓蚀剂的缓蚀效果往往不理想 ,为此 ,需要针对不 同水质 、不同工艺条件 、不同要求 ,开发各种复合 缓蚀剂 。有些缓蚀剂如锌盐和聚磷酸盐在冷却水 中不稳定 ,开发其在冷却水中的稳定剂 ,如共聚物 也是开发研究的重点 。随着全球对环境保护的重 视 ,开发无毒或低毒的缓蚀剂 ,也是缓蚀剂的主要 发展方向 。
张海涛 丁百全
1 前言
在化学工程领域 ,返混是一个重要的工程概 念 。返混 ,又称逆向混合 ,是指不同年龄质点之间 的混合 。这里的逆向是时间概念上的逆向 ,不同 于一般搅拌混合 。
2 返混的起因
返混产生的原因有两点 : (1) 反应器内的环流 运动 。物料在连续反应器中的反向运动造成返 混 ,如循环反应器中的循环流 、连续流动塔式反应 器中的轴向反向扩散以及连续釜式反应器中的搅 拌作用 。(2) 反应器内物料的流速分布不均匀 。 当反应器内物料的流速分布不均匀时也同样可以 改变反应器内的浓度分布 ,造成返混 。
同时进入反应个流体质点中停留时间介于t的质点所占分率dn停留时间的实验测定停留时间分布通常由实验测定主要的方法是应答技术即用一定的方法将示踪物加到反应器进口然后在反应器出口物料中检验示踪物信以获得示踪物在反应器中停留时间分布规律的实验数据
·继续教育·
返混 - 重要的化学工程概念
BACKMIXING2A IMPORTANT CONCEPT OF CHEMICAL ENGINEERING
浓度为 C0 的示踪物 ,并保持混合物的流率仍为 V ,同时在出口处测定示踪物浓度 C 随逗留时间 t
的变化 。
以去离子水为料液 , KMnO4 溶液为示踪物 ,采 用脉冲注入法进行实验 ,测定多级转盘塔的逗留
时间分布 ,实验装置如图 1 所示 。转盘安装在每 级的中间 ,改变电阻平稳地调节转轴速度 。实验
时 ,去离子水从蒸馏水瓶经泵 1 输送到高位槽 2 ,
《化学工程师》 3/ 2000 年 (总第 78 期)
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示踪物浓度 0 3 5 5 4 2 1 0
图 1 多级转盘塔停留时间分布测定实验流程
4 返混的影响
返混改变了反应器内物料的浓度分布 ,使反
应物浓度普遍下降 ,产物浓度普遍上升 。因此 ,返
混的利弊决定于反应动力学浓度效应 。对正级数
的反应 ,返混降低了反应推动力 , 使反应速率降
低 ,转化率降低 ; 对负级数的反应 ,返混提高反应
低。 氨基膦酸是 DOW 公司 ,80 年代开发的一类有
机膦酸药剂 ,与 Mn2 + 复合对碳钢和钢合金均有很 好的缓蚀性能 。由于 Mn2 + 不在环境法规限制范 围之内 ,因此这种配方已引起国际上的广泛关注 。
80 年代后期国外又开发了以 PBTCA (2 - 膦酸 丁烷 - 1 ,2 ,4 三羧酸) 、HPA (羟基膦酸乙酸) 为代 表的羧酸型缓蚀剂 。
有机膦羧酸在分子中同时引入 - PO3H2 基团 和 - COOH 基团 ,使 PBTCA 具有独特的缓蚀阻垢 性能 。它与锌盐复配使用时可在碳钢表面生成 Zn [ Ca ] - PBTCA - Fe 沉积膜而引起缓蚀阻垢作用 。 其缓蚀效果优于 HEDP、ATMP、EDTMP 等有机多元 膦酸 。因它的稳定性好 ,适合于高温 、高硬度 、高 浓缩倍数的冷却水系统中使用 ,且它具有稳定锌 离子作用 ,即使在 pH = 915 的环境下 ,也可以使锌 离子稳定在水中而不产生 Zn (OH) 2 沉淀 。
号 ,以获得示踪物在反应器中停留时间分布规律 的实验数据 。示踪物输入的方法有多种 ,如阶跃
注入法 、脉冲注入法等 ,本文主要介绍脉冲注入法
的实验 。
脉冲法是以反应器中流体达到定态流动后 ,
在某个极短的时间内 ,将示踪物脉冲注入进料中 ,
然后分析出口流体中的示踪物随时间的变化 ,以
确定逗留时间分布 ,实验的具体作法是 ,使物料以 稳定的流率 V 通过反应体积 VR ,然后在某个瞬间 ( t = 0 时) ,用极短的时间间隔Δt ,向进料中注入
(19) :9371 [8 ] Ivochev M ,Bankovska I. Proc. 8ICMC Mainz 1991 ,14881 [9 ] 林玉珍 1 化工进展 1992 ,12 (1) :561 [10 ] 常焕锦 11979 年腐蚀与防护学术报告会议论文集
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停留时间分布密度的定义是 : 同时进入反应
器的 N 个流体质点中 ,停留时间介于 t 与 t + d t 间
的质点所占分率d N为
N
E(
t)
dt。来自312 停留时间的实验测定
停留时间分布通常由实验测定 ,主要的方法
是应答技术 ,即用一定的方法将示踪物加到反应 器进口 ,然后在反应器出口物料中检验示踪物信
作者单位 :河北理工学院 (唐山 063009)
(上接第 25 页) 总之 ,返混是反应器连续化后才出现的一种
工程现象 。在分析 、设计和使用各种类型的反应 器时都必须把反应器中的返混状况作为一项重要 的特征加以考虑 。某些反应器具有特殊的型式或 结构 ,如一般管式反应器的长径比必须大于 100 ; 连续釜式反应器的多釜串联操作等 ,究其原因就 是出于限制返混的考虑 。
速率 ,有利于反应 ;对自催化反应 ,返混使产物 (产
物同时又是催化剂) 浓度增加 ,也有利于反应 ; 对
复合反应中的平行反应 ,若主反应级数高于副反
应级数 ,返混使主产物选择率下降 ,若主反应级数
低于副反应级数 ,返混使主产物选择率提高 ;对复
合反应中的连串反应 ,返混使反应物浓度降低 ,产
物浓度提高 ,因而 ,使主产物的选择率下降 。
平均转化率的方法 ,反映了逗留时间分布对转化 率的影响 。
连续反应器中进行一级液相反应[2] ,为了判 断反应器中的流型 ,采用脉冲法加入示踪物进行 停留时间分布测定 ,测得下列实验数据 。采用同 样空时的 CSTR 可以达到 82118 %转化率 ,问这反 应器中达到的转化率为多少 ?
时间 t/ s 10 20 30 40 50 60 70 80
离散型 : x = 1 -
C =1-
∞
∑e - kt E( t) Δt ,
C0
0
其中 E( t)
=
Cp
∞
ρ CpΔt
0
时间 t/ s 浓度 E( t)
Kt
e - kt e - kt E( t)Δt
20
3 01015 2130 011003 010150
30
5 01025 3145 010307 010079
3 返混的度量
返混现象有两种极限情况[1] 。一种是假定反 应物料以稳定流率流入反应器 ,在反应器中平行 向前移动 ,好像用一个活塞在气缸中推动气体向 一个方向移动一样 。该反应器称为活塞流反应 器 ,其特点是 ,沿着物料的流动方向 ,物料的温度 、 浓度不断变化 ,而垂直于物料流动方向的任何截 面上 ,物料的所有参数如温度 、浓度 、压力 、流速都 相同 ,因此 ,反应器中没有返混 。另一种假定反应 物料以稳定流率流入反应器 ,在其中 ,刚进入的新 鲜物料 与 存 留 在 器 内 的 物 料 在 瞬 间 达 到 完 全 混 合 。反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀 的 ,都等于反应器出口处的物料性质 。这种反应 器称为全混流反应器 。全混流反应器的返混程度 最大 。而介于活塞流与全混流反应器之间的是有 不同程度返混的非理想反应器 。 311 停留时间的概念
HPA 是当今最有效的有机膦缓蚀剂 ,其缓蚀 性能高于 HEDP 和 PBTCA 。正常使用浓度大于 10 ～15mg/ L 与 Zn 复配时具有很好的协同缓蚀作用 。
季铵盐是一类优良的酸性介质缓蚀剂 ,常用 于酸性体系中钢铁的缓蚀剂 。在众多的季铵盐 中 ,卤代季铵盐的缓蚀效果明显 。实验证明 ,卤素 离子与季铵阳离子之间存在协同效应 。南京理工 大学夏明珠 [ 14 ] 等人合成的两种十六烷基辛基二甲 基溴化铵和十六烷基癸基二甲基溴化铵对 5 %的 HC1 中的碳钢的腐蚀存在明显的抑制作用 ,它们 还是优良的杀菌藻剂 ,加药量为 20mg/ L 时对硫酸 盐还原菌 (SRB) 杀灭率分别为 99199 %和 99186 %。
·24 ·
返混是由物料在反应器中的停留时间分布来
度量的 。所谓停留时间是指物料质点从进入反应
器开始 ,到离开为止 , 在反应器中总共停留的时 间。
物料在反应器中的停留时间分布是一个随机
过程 ,因此可用停留时间分布密度与停留时间分 布函数来描述 。由于这两种函数关系密切 ,本文
主要介绍停留时间分布密度 。
调节针形阀 3 ,经流量计 4 让料液充满转盘塔 5 或 6 。开动电机搅拌 ,调节电压电阻使转速稳定 ,待 流量稳定后 ,用针筒自进口快速注入一定量的示 踪物料 KMnO4 溶液 ,注射同时计时 ,每隔一定时间 间隔 ,在出口处取样进行比色分析 。在一定流率 V0 及转速下求得示踪物的消光度随时间的变化 , 直到消光度为零 ,实验即告结束 。
参 考 文 献
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99 % 由于实际反应器转化率在 PFR 与 CSTR 之间 ,
所以是非理想反应器 。
5 结语
(下转第 38 页) ·25 ·
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平均停留时间 t 连续型计算公式和离散型计
算公式分别为 :
∞
t
=
∫0∞tCpd t ∫0∞Cpd t
=
ρ tCp
0 ∞
= 40s
ρ Cp
0
利用 CSTR 的反应结果计算 k ,对一级反应
kτ=
c0 c
c
k
=τ(1
x -
x)
= 011151/ s
实际反应器的转化率
x =1-
C C0
=1-
∫0∞e - kt E( t) d t
点的浓度为 CA ,则出口物料中反应组分 A 的平均
浓度 C 为
CA = ∫0∞CA E ( t) d t
(1)
若知道物料质点的逗留时间分布密度 ,就可
由上式算出出口平均浓度 。
下面的例子说明根据逗留时间分布密度计算
《化学工程师》 3/ 2000 年 (总第 78 期)
解 :首先计算平均停留时间 t
40
5 01025 4160 010100 010025
50
4 0102 5175 010031 010006
60
2 0101 6190 010010 010001
70
1 01005 8105 010003 115 ×10 - 5
∑e - kt E( t)Δt = 010261 x = 1 - e - kt = 1 - e - 01115 ×40 = 1 - 0101005 =