华东理工大学化学反应工程(本)-2PPT课件

f (t) 1e tt
0.632
t
t
F(t)1e t
2
2 t
t2
1
.
25
[例 ] 有 一 全 混 釜 反 应 器 ，已 知 反 应 器 体 积 为 10l0 ，流 量 为 1l0 /min，试 估 计 离 开
反应器的物料中，停留时间为 0~1min， 2~10min 和大于 30min 的 物料所占的分率。
v0
•方差
2 t
—意义：RTD对
t
的偏离程度
tt
t
t
(t t )2 f (t)dt
2 t
0
0 f (t)dt
.
2
tt 0
有偏离
t t 2 0 无偏离
23
•对比时间（无因次时间） t
t 1
t
t
若 2 表示以为时标时的方差，则根据定义：
2 ( 1)2 f ( )d 0
C Af
CA0 CA
C Af
CA0 CA
mP V m V P
.
5
1
rA x A
PFR
1 ( rA )
pCA0
xAf xA0
dxA (rA)
CSTR
1 ( rA )
P C A0
m
CA0xAf (rA)f
m C A0
0
xAf
xA
0
xAf
xA
mP V m V P
.
6
m 比较 P
1 ( rA )
xA n=0 n=1 n=2
0.9
1
4
10
0.99 1
22 100
1
n=2
( rA )
P
n=1
C A0
0
xAf 1
xAf 2
xA
0
xAf
xA
xA越大，相差越大
n越大，相差越大
.
7
[例]在体积为VR 的反应器中进行液相等温反应A P ，已知反应速率
为 rA kcA2 ，求：
⑴当在 CSTR 中的 xAf 0.50 时，若将此反应器改为同体积的 PFR， 反应条件不变，则 xAf 为多大？ ⑵当在 CSTR 中的 xAf 0.50 时，若将此反应器增大到 10 倍，则xAf 又
介于 t → t+dt之间的物料所占总物料的百分率（分率）
应为 f (t)dt
f (t)
示踪
响应
t t dt
t
f (t)
归一性 f (t)dt1.0 0 t
.
21
•停留时间分布函数
F (t) —停留时间分布函数
含义：同时进入反应器的物料，在出口流体中停留
时间小于t 的物料所占总物料的百分率（分率）。
函数平均值
n>1, 上凹 ， yD ye 混合不利
yD
n=1, 线性， yD ye 无影响
ye
n<1, 下凹， yD ye 混合有利
C1
.
C1
C2
液滴
C2 29
停留时间分布的应用
⑴判断返混程度的大小 RT D t t2 2
对平推流反应器， t2 2 0 对全混流反应器， t2 t 2 ，2 1 对于一般流型反应器，02 1，当 接2 近于零时 ，可作平推流处理；接近于1时，可作全混流处理
PFR 中 x Af 0.632
CSTR增 大 10倍 ，
x
' A
f
环反应器特征： 循环反应器形式上是一个管式反应器，只是把反应器 出口流中一部分循环返回到反应器的进口。表征循环
反应器特性的一个重要参数是循环比R，它是表示循
环物料的流量与离开反应系统的流量之比：
循环比 R v R v0
为多大？ ⑶若反应为零级时，求（1），（2）的计算结果。 ⑷若反应为 1 级时，重复（1）（2）的计算要求。
.
8
解： VR 的反应器中进行液相等温 A
P
反
应
，
且 rA
k
c
2 A
（1） C S T R 中 ： x Af 0.5
c A 0 k
x Af (1 x A f ) 2
c A 0 k
0.5 (1 0.5 ) 2
⑼返混程度由冷模试验确定 方法：停留时间分布的测定 设备：大型冷模装置—模拟物料，大设备
.
18
⑽改善措施
有利—强化（搅拌、循环操作…） 不利—限制（横向分割、纵向分割）
空塔
或
填料
.
多孔板
19
⑾多釜串联反应器
…
1
2
3
N
.
20
•停留时间分布密度函数
f (t ) —停留时间分布密度函数
含义：同时进入反应器的物料，在出口流体中停留时间
解 ： 由 题 可 求 ： VR 100 10 min v0 10
当 停 留 时 间 为 0~1min 时 ， 有 ：
t
F(1)=1-e t
=
1
-
e
1 1
0
0.095
当 停 留 时 间 为 2 10min 时 ， 有 ：
t
F(10)=1-e t
=1-e1010 0.632
t
, F(2)=1-e t
.
集中参数—代数式
分布参数—取微元积分
3
反应器型式 反应级数
一级
二级
零级
PFR
k ln 1 或 1 xA
C A e k C A0
C
A0 k
1
xA xA
或
CA
1
C A0 1 C A0k
k CA0 xA 1
C A 1 k
C A0
C A0
CSTR
k x A 或 1 xA
CA 1 C A0 1 k
= 1 -e 210
0.181
F 2 ~ 10 F(10)-F(2)=0.451
当 停 留 时 间 大 于 30min 时 ， 有 ：
t
F(30)=1-e t
= 1 -e 3010
0.950
F ( 30) 1 F(30)=0.050
.
26
•连续流动反应器中的考察方法：
考察对象→考察方法
是不同时刻进入反应器的物料之间的混合，称为返混
⑹返混对反应结果的影响
返混改变了理想反应器中的浓度分布→集中参数
返混
反应物浓度普遍下降 产物浓度普遍上升
反应速率 反应选择性
工程因素
动力学因素
反应工程理论思维方法
.
16
返混
反应物浓度CA↓ 产物浓度 CP↑
简单
-rA↓ 不利
可逆
-rA↓ 不利
反
低xA -rA ↑ 有利
t 2 Pe
多釜串连模型 2 1
N
.
33
[例] 等体积PFR与CSTR串连， 画出反应器组合系统的RTD曲线
f (t)
p m
如果
p
t
f (t)
p
t
.
34
简单反应过程反应器型式的比较
三种反应器基本类型
间歇反应器（BSTR） 平推流反应器（PFR） 连续搅拌釜式反应器（CSTR）
优化目标：反应速率 rA
t
f (t)
F(t)0 f(t)dt
F(t)t f(t)d t1F(t)
f t dF(t)
dt
F (t) 1 .0
t
t
F()0 f(t)d t1.0
t
.
22
RTD的数字特征
•数学期望 t —物料的平均停留时间
f (t)
tf(t)dt
t
0
f (t)dt
0
tf(t)dt
0
对PFR、CSTR，等容时， t v R
⑴返混是连续化过程的伴生结果
Batch Reactor
CSTR
⑵返混与反应器型式无关，与操作方式有关。
间歇反应釜
连续CSTR
管式PFR
循环管式反应器
理想，无返混
存在返混
.
13
⑶返混的起因 a. 空间上的反向流动（狭义）
如搅拌造成的主体流动、对流、分子扩散、涡流扩散等； b. 不均匀的速度分布（广义） 如管内层流流动时的抛物线速度分布（湍流流动速度分
C Pf
C A0
C Pf
C Af
C Af
存在分布
低浓度，低反应速率
若 n=1， xA=0.99， r/r0=1/100 n=2， xA=0.99， r/r0=1/10000
.
15
⑸混合与返混 间歇—同样经历（相同性质、相同浓度）的物料之间的混合 连续—不同经历（不同性质、不同浓度）的物料之间的混合
《化学反应工程》阶段辅导 （2）
.
1
连续流动釜式反应器(CSTR)
CSTR 特点 连续流动釜式反应器的特点，可归结为： (1) 反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应 器出口物料的浓度和温度。 (2) 物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同 停留时间物料的混合，即返混程度最大。 (3)反应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时 间变化，从而不存在时间这个自变量。
⑵固相、凝聚态计算
C
C(t) f (t)dt
C0 0 C0
x0x(t)f(t)dt
.
30
⑶流型判断 A.死区——反应器中流体流动极 f (t) 慢以至于几乎不流动的区域，也 称滞留区。
拖尾
t 存在死区
B.管式反应器等的外循环和釜式 f (t) 反应器、流化床等的内循环
.
多峰响应
t 循环流
31
C.在固定床反应器、填料塔 和滴流床反应器中，由于催
应 自催化 中xA -rA ~ 相当
结 果
高xA -rA ↓ 不利
平行
n1>n2 β↓ 不利 n1<n2 β↑ 有利
串联
β↓ 不利
.
17
⑺连续≠强化
• 对反应有影响 • 生产能力下降 • 定态操作，容易控制，稳定
间歇—非定态
⑻放大过程中的返混影响 •工程因素与尺寸有关 •小试PFR→中试（流动状态和返混程度的变化） •浓度效应→决定返混的利弊
C
A0 k
xA (1 xA
)2
或
C A 1 4C A0k 1
C A0
2C A0k
k CA0 xA 1
C A 1 k
C A0
C A0
需记忆积分结果 由基本方程导出
.
4
图解法
1
rA
cA
PFR
p
CAf CA0
dCA (rA)
1 ( rA )
P
CSTR
1 ( rA )
mC(A0rA)CfAf m
VR V0
VR
.
35
[例 ]等 体 积 的PFR和CSTR反 应 器 按 图 示 形 成 七 种 组 合 方 式 ， VPVM1.0l。 在 等 温 条 件 下 进 行 一 级 不 可 逆 反 应 ， 反 应 速 率
布比层流均匀，但仍有不均匀性）、反应器中的死区、沟 流、短路都会造成严重的速度分布不均匀。
狭义返混专指前者，广义返混则包括后者。
两者的共同点是都会造成停留时间不同的物料之间的
混合。
.
14
⑷返混的结果 a.反应物浓度降低，产物浓度升高—浓度均匀化 b.造成反应器内停留时间分布（下一章）
CA
CA
C A0
f (t)
双峰现象
化剂装填不均匀，
t 沟流与短路
D.不均匀的速度分布
f (t)
层流反应器内的速度分布呈
现抛物线分布，其停留时间分
布密度函数为：
2
f
(t)
t 2t3
,
tt 2
t
t/2
层流反应器
.
32
⑷确定反应器的模型参数
理想流动反应器模型：
PFR模型 CSTR模型
2 0
2 1
非理想流动反应器模型：
轴向扩散模型 2 t2 2
均相-反应器 固相-反应物料
反应器 操作方式 相态
混合状态 返混程度
CSTR 连续
均相
微团之间 完全混合
2 1
CSTR 连续
固相
微团之间 完全不混
2 1
CSTR 连续
液液非均相
微团之间 部分混合
2 1
处理方法
CA0 CAf
rA
可以计算
.
只能判断 不能计算
27
•固相加工反应的计算
x0x(t)f(t)dt
2
2 t
t2
可以推知， 对平推流反应器，t2 2 0 对全混流反应器， t2 t 2 ，2 1 对于一般流型反应器，02 1，当 接2 近于零时
，可作平推流处理；接近于1时，可作全混流处理。
.
24
PFR的停留时间分布：
f
(t)
0
t t
t t
F(t)
0
t t
1 t t
20
CSTR中的停留时间分布
C C0
0
C(t) C0
f (t)dt
f (t) 1et t t
固相反应的转化程度仅与反应动力学和反应时间有
关。对一定的反应，转化率和残余浓度都是时间的函数。
即
xx(t)
C C(t) C0 C0
.
28
•滴际混合对反应的影响
浓度参数的分布性对反应影响
ye
f
(c1
c2 2
)
参数平均值的函数值
yD
f(c1)f(c2) 2
2
改 为 PFR 时 ， 反 应 条 件 不 变 ， 则 cA0k 2
c A0 k
xA 1 xA
可 得 ： x A 0.667
（ 2） C S T R 中 ： x Af 0.5
cA0k
x Af (1 x A f ) 2
20
VR 10 VR即 =10 xAf 0.8
.
9
（ 3） 若 n=0 级 ： CSTR 中 x Af 0.5 ， PFR 中 x Af 0.5
CACAf CPCPf
(rA)(rA)f TTf
.
2
CSTR的基本运算
基本方程（等温等容） 进入 = 流出 + 反应掉 + 积累
v0C A0v0C Af(rA)V
空时
m
V v0
C A 0 C Af ( rA ) f
C A 0 x Af ( rA ) f
PFR中
P
VR v0
CA0
xA 0
f dxA (rA)
.
11
•循环反应器计算
对小系统，是PFR：
' V CAfdC A
(1R)v0 CA1(rA)
CA1
CA0 RCAf 1R
对大系统： V (1 R) CAf dCA
v0
CA1 (rA)
(1 R)
CAf CA0 RCAf
1R
dCA (rA)
所以： (1R)'
.
12
返混的分析讨论
返混—重要的工程因素
在 C S T R 中 ，k m c A0