高等反应工程 第三章
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第三章 化学反应器中的混合现象
意义：（1）产品质量控制；（2）缩短反应时间
内容提要：
宏观混合与微观混合
返混及其对反应的影响
非理想连续流动反应器
物系聚集状态对化学反应的影响
化学反应器的预混合问题
混合对聚合反应器选型的影响
2021/4/18
1
2021/4/18
2
一.混合的三种类型
宏观混合－可以用停留时间分布表示
d 2CA dz2
k0e
E RT
C
n A
uc 2021/4/18
p
dT dz
ea
d 2T dz2
k0e
E RT
CAn
H
4U dt
TC T
13
边界条件：
(1) 入口处没有反应，只有浓度差和温度差造成的扩
散传递 at z = 0,
Dea
dCA dz
uCA
CA0
ea
dT dz
ucp T
2021/4/18
23
第二部分 分析与实例
2021/4/18
24
实例分析
定量优化问题
2021/4/18
25
例3—1
用某种酶E作为均相催化剂处理工业废水，使 废水中的有害有机物A降解为无害化合物。在
一定的酶浓度CE下，在实验室全混流反应器中
进行实验，获得如下结果:
2021/4/18
26
5
DATA
T0
（２）离开反应器后不再反应，且与外界无关
at
z
=
L,
dCA dz
dT dz
0
2021/4/18
14
扩散模型的物理特点
有类似CSTR的性质，即入口处不连续
CA０ CA
2021/4/18
Z
15
描述扩散程度的Peclet数
模型方程无因次化后得到
描述传质的 Pem
Pem
uL Dea
描述传热的 Peh
k 2 1 k 2
cp
2021/4/18
cA0
1
1 k1
1
1
k
2
cA0
1
1
k
2
1
1 k1
与顺序无关
12
四．非理想连续流动反应器
１.分散模型
适用于描述接近PFR的非理想流动 将一定的返混程度叠加在理想的PFR之上 返混由扩散，传导，不均匀速度分布等因素引起
基本方程
u dCA dz
Dea
CiV
VRi
dCi dt
t 0, Ci 0
Ci
m tm
emt / tm
t 0
Ci
emt
1
/
t
m
dt
第m级出口
应答曲线 F Cm / C0
2021/4/18
E
mm
m 1!
e m1 m
20
不同串联级数下的停留时间分布密度
2021/4/18
21
串联级数与轴向扩散间的关系
在返混程度较小时，两种模型等价：
n1 > n2, 应选用平推流
n1 < n2, 应选用全混流流
2021/4/18
7
3. 串联反应
A 1R 2 S
rR k1CA k2CR
全混流反应器的选择性总是低于平推流反应器
(1) k2 1 时，两种反应器的选择性的差别趋小，
k1
但高转化率下，选择性会变得很差；
(2) k2 1在高转化率下仍能保持较高的选择性，
对于CSTR和PFR反应器，积分计算方法不同
2021/4/18
4
CSTR与PFR的体积计算图示：
1
CSTR
rA
PFR
2021/4/18
x5 A
1. 简单反应：反应级数的影响
2021/4/18
6
2. 平行反应
1
R
A
2
S
反应选择性： S
k1C
n1 A
k1C An1
k
2C
n2 A
1
1
k2 k1
C n2n1 A
2
2 Pe
－12 E d
0
＝
0
2
E
d－1＝
0
2m
m
m m1
1!
e
m
d－1
＝1
m
2021/4/18
22
五．物质聚集状态对化学反应的影响
微观均匀度
I CA CA
或 I 1 CA
CA
离析流动 (Segregated Flow)
反应在每个颗粒或液滴内进行：即间歇反应方式 每个液滴按一定停留时间分布离开反应器
Peh
uc p L ea
Pe > 50 轴向扩散可忽略（误差＜５％）
2021/4/18
16
不同Pe下的停留时间分布密度
2021/4/18
17
Levenspiel和Butt采用不同方法进行了推 导，得出脉冲响应曲线的分布方差：
2
8
Dea uL
2
2
Dea uL
Fra Baidu bibliotek
因此，
Dea 1
uL 8
PFR－完全没有宏观混合 CSTR－宏观混合无穷大
微观混合－反应物系的聚集状态 混合模式－先混合还是后混合
CSTR+PFR PFR+CSTR
2021/4/18
3
二．返混及其对反应的影响
反应器体积的计算方法
rA
d( QCA dV
)
Q f CAf
dxA dV
V xA dxA
FA
r x A 0 A
(1)管式反应器，其流型可视为活塞流，判别出 口物流是否需部分循环，如需循环，确定循环流 的流量和反应器体积；
(2)连续搅拌釜式反应器，其流型可视为全混流， 确定单釜操作和两釜串联操作反应器的体积；
(3)全混流反应器后串联活塞流反应器，计算采用
这种方案时反应器最小体积。
2021/4/18
28
求解方案： 计算反应器体积的方法
k1
但两种反应器选择性的差异较大.
2021/4/18
8
活塞流反应器和全混流反应器中 串联反应选择性的比较
2021/4/18
9
三．理想反应器的组合
1
rA
rA
2021/4/18
PFR
CSTR
xA
xA
10
反应器组合
组合的原则：
用PFR获得最大反应物浓度； 用CSTR立即获得最小反应物浓度和最大产物浓度
4
3
(-rA)
2
1
0
0
2
4
6
8
10
C A
反应速率随浓度的变化
在4～6mmol.m-3处呈现最大值，有
2021/4/18
自催化特征。
27
现需设计一酶浓度为CE，处理能力为0.1 m3／min的废水处理装置，废水中有害机物A的
浓度CA0=10mm/m3，要求达到的转化率 XA=90％，试对下列三种方案进行比较。
8 2 1 1
2021/4/18
18
２. 多级全混釜串联模型
对一级反应，转化率表达式：
CA1 1
CA0 1 k1
CA2 1
CA1 1 k 2
xAm
1
1
1
k
m
CAm 1
CAm1 1 k m
2021/4/18
19
多级釜返混程度表示方法
对第i个反应器进行示踪剂的物料衡算：
Ci 1V
通过反应器组合提高主反应选择性
表３.1 (1) 全混流反应器串联 (2) 全混流反应器＋平推流反应器 (3) 分段（分批）进料反应器 (4) 循环反应器
2021/4/18
11
判断方法：
cp2 cA1 1 x2 cA0 1 x1 1 x2 见p50表2-3
if
n
1,
x1
k1 1 k1
,
x2
VR qV
意义：（1）产品质量控制；（2）缩短反应时间
内容提要：
宏观混合与微观混合
返混及其对反应的影响
非理想连续流动反应器
物系聚集状态对化学反应的影响
化学反应器的预混合问题
混合对聚合反应器选型的影响
2021/4/18
1
2021/4/18
2
一.混合的三种类型
宏观混合－可以用停留时间分布表示
d 2CA dz2
k0e
E RT
C
n A
uc 2021/4/18
p
dT dz
ea
d 2T dz2
k0e
E RT
CAn
H
4U dt
TC T
13
边界条件：
(1) 入口处没有反应，只有浓度差和温度差造成的扩
散传递 at z = 0,
Dea
dCA dz
uCA
CA0
ea
dT dz
ucp T
2021/4/18
23
第二部分 分析与实例
2021/4/18
24
实例分析
定量优化问题
2021/4/18
25
例3—1
用某种酶E作为均相催化剂处理工业废水，使 废水中的有害有机物A降解为无害化合物。在
一定的酶浓度CE下，在实验室全混流反应器中
进行实验，获得如下结果:
2021/4/18
26
5
DATA
T0
（２）离开反应器后不再反应，且与外界无关
at
z
=
L,
dCA dz
dT dz
0
2021/4/18
14
扩散模型的物理特点
有类似CSTR的性质，即入口处不连续
CA０ CA
2021/4/18
Z
15
描述扩散程度的Peclet数
模型方程无因次化后得到
描述传质的 Pem
Pem
uL Dea
描述传热的 Peh
k 2 1 k 2
cp
2021/4/18
cA0
1
1 k1
1
1
k
2
cA0
1
1
k
2
1
1 k1
与顺序无关
12
四．非理想连续流动反应器
１.分散模型
适用于描述接近PFR的非理想流动 将一定的返混程度叠加在理想的PFR之上 返混由扩散，传导，不均匀速度分布等因素引起
基本方程
u dCA dz
Dea
CiV
VRi
dCi dt
t 0, Ci 0
Ci
m tm
emt / tm
t 0
Ci
emt
1
/
t
m
dt
第m级出口
应答曲线 F Cm / C0
2021/4/18
E
mm
m 1!
e m1 m
20
不同串联级数下的停留时间分布密度
2021/4/18
21
串联级数与轴向扩散间的关系
在返混程度较小时，两种模型等价：
n1 > n2, 应选用平推流
n1 < n2, 应选用全混流流
2021/4/18
7
3. 串联反应
A 1R 2 S
rR k1CA k2CR
全混流反应器的选择性总是低于平推流反应器
(1) k2 1 时，两种反应器的选择性的差别趋小，
k1
但高转化率下，选择性会变得很差；
(2) k2 1在高转化率下仍能保持较高的选择性，
对于CSTR和PFR反应器，积分计算方法不同
2021/4/18
4
CSTR与PFR的体积计算图示：
1
CSTR
rA
PFR
2021/4/18
x5 A
1. 简单反应：反应级数的影响
2021/4/18
6
2. 平行反应
1
R
A
2
S
反应选择性： S
k1C
n1 A
k1C An1
k
2C
n2 A
1
1
k2 k1
C n2n1 A
2
2 Pe
－12 E d
0
＝
0
2
E
d－1＝
0
2m
m
m m1
1!
e
m
d－1
＝1
m
2021/4/18
22
五．物质聚集状态对化学反应的影响
微观均匀度
I CA CA
或 I 1 CA
CA
离析流动 (Segregated Flow)
反应在每个颗粒或液滴内进行：即间歇反应方式 每个液滴按一定停留时间分布离开反应器
Peh
uc p L ea
Pe > 50 轴向扩散可忽略（误差＜５％）
2021/4/18
16
不同Pe下的停留时间分布密度
2021/4/18
17
Levenspiel和Butt采用不同方法进行了推 导，得出脉冲响应曲线的分布方差：
2
8
Dea uL
2
2
Dea uL
Fra Baidu bibliotek
因此，
Dea 1
uL 8
PFR－完全没有宏观混合 CSTR－宏观混合无穷大
微观混合－反应物系的聚集状态 混合模式－先混合还是后混合
CSTR+PFR PFR+CSTR
2021/4/18
3
二．返混及其对反应的影响
反应器体积的计算方法
rA
d( QCA dV
)
Q f CAf
dxA dV
V xA dxA
FA
r x A 0 A
(1)管式反应器，其流型可视为活塞流，判别出 口物流是否需部分循环，如需循环，确定循环流 的流量和反应器体积；
(2)连续搅拌釜式反应器，其流型可视为全混流， 确定单釜操作和两釜串联操作反应器的体积；
(3)全混流反应器后串联活塞流反应器，计算采用
这种方案时反应器最小体积。
2021/4/18
28
求解方案： 计算反应器体积的方法
k1
但两种反应器选择性的差异较大.
2021/4/18
8
活塞流反应器和全混流反应器中 串联反应选择性的比较
2021/4/18
9
三．理想反应器的组合
1
rA
rA
2021/4/18
PFR
CSTR
xA
xA
10
反应器组合
组合的原则：
用PFR获得最大反应物浓度； 用CSTR立即获得最小反应物浓度和最大产物浓度
4
3
(-rA)
2
1
0
0
2
4
6
8
10
C A
反应速率随浓度的变化
在4～6mmol.m-3处呈现最大值，有
2021/4/18
自催化特征。
27
现需设计一酶浓度为CE，处理能力为0.1 m3／min的废水处理装置，废水中有害机物A的
浓度CA0=10mm/m3，要求达到的转化率 XA=90％，试对下列三种方案进行比较。
8 2 1 1
2021/4/18
18
２. 多级全混釜串联模型
对一级反应，转化率表达式：
CA1 1
CA0 1 k1
CA2 1
CA1 1 k 2
xAm
1
1
1
k
m
CAm 1
CAm1 1 k m
2021/4/18
19
多级釜返混程度表示方法
对第i个反应器进行示踪剂的物料衡算：
Ci 1V
通过反应器组合提高主反应选择性
表３.1 (1) 全混流反应器串联 (2) 全混流反应器＋平推流反应器 (3) 分段（分批）进料反应器 (4) 循环反应器
2021/4/18
11
判断方法：
cp2 cA1 1 x2 cA0 1 x1 1 x2 见p50表2-3
if
n
1,
x1
k1 1 k1
,
x2
VR qV