5.全混流反应釜

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第五章 全混流反应釜
Continuous Flow Stirred Tank Reactor (CSTR)
重要概念:全混流、 重要概念:全混流、返混 由物料衡算得到CSTR的设计式及应用 的设计式及应用 由物料衡算得到
CSTR与PFR中进行反应的特征对比 与 中进行反应的特征对比 多釜串联与循环PFR分析 分析 多釜串联与循环
Q0 + Qr = ( 1+ψ ) Q0
Q0CA0
M
QrCAf
在混合点M处对A做物料衡算:
Q0CA0 + QrCA0 (1− xAf ) = Q0′CA0 ( 1− xAi )
ψ xAf 混合点M后的转化率: xAi = 1+ψ
循环反应器反应体积:
′ V = Q0CA0 ∫
xAf xAi xAf dxA dxA = ( 1+ψ ) Q0CA0 ∫ ψ xAf −r ( −rA ) ( A) 1+ψ
第五节 多釜串联反应器
一、 并联 按单釜计算方法 计算每个釜的体积或 转化率。出口总转化 率是两个釜转化率的 加权平均值。
二、串联
1 解析法(恒容系统) 单一反应 作第P个釜,A组分 的物料衡算,有:
rA2 CA0 Q0 CA1 rA1 CA2
Vp =
Q0 ( CAp−1 − CAp ) −rAp
−rAi =
CA0
a.从原点出发作斜率为CA0/τ 的直线, a.从原点出发作斜率为CA0/τ1的直线,直线与速率曲线的交点的横 从原点出发作斜率为CA0/ 坐标为第一釜的出口转化率xA1 xA1, 坐标为第一釜的出口转化率xA1,交点的纵坐标为第一釜的转化速率 (-rA1) 。 b.从xA1点出发作斜率为CA0/τ 的直线, b.从xA1点出发作斜率为CA0/τ2的直线,直线与速率曲线的交点的横 点出发作斜率为CA0/ 座标为第二釜的出口转化率xA2 交点的纵座标第二釜的转化速率( xA2, 座标为第二釜的出口转化率xA2,交点的纵座标第二釜的转化速率(rA2) 。
{X = 0}
表示取出的产品全是正品这一随机事件; {X ≥ 1} 表示取出的产品至少有一件这一随机事件.
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随机变量及其分布
例4
§1 随机变量
上午 8:00~9:00 在某路口观察,令: Y:该时间间隔内通过的汽车数. 则 Y 就是一个随机变量.它的取值为 0,1,…. {Y < 100} 表示通过的汽车数小于100辆这一随机事件; 表示通过的汽车数大于 50 辆但不超过 100 辆这 一随机事件. 注意 Y 的取值是可列无穷个!
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随机变量及其分布
例2
§1 随机变量
掷一颗骰子,令: X:出现的点数. 则 X 就是一个随机变量.它的取值为1,2,3,4, 5,6. {X ≤ 4} 表示掷出的点数不超过 4 这一随机事件;
{X 取偶数}
表示掷出的点数为偶数这一随机事件.
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随机变量及其分布
例3
§1 随机变量
一批产品有 50 件,其中有 8 件次品,42 件正 品.现从中取出 6 件,令: X:取出 6 件产品中的次品数. 则 X 就是一个随机变量.它的取值为 0,1,2,…, 6.
第一节 全混流模型特征
(1)同一时刻进入反应器的新鲜物 ) 料在瞬间分散混合 (2)反应器内物料质点完全混合, )反应器内物料质点完全混合, 整个反应釜内物料浓度和温度处处相 同,且等于出口处物料的浓度和温度 适用范围:搅拌反应器, 适用范围:搅拌反应器,强烈搅拌
第二节 对CSTR进行摩尔物料衡算(重点)
1− xAN =
1
(1+ kτ )
N
单个全混釜的空时: 总空时: τ总= Nτ
1 1/ N 1 τ = −1 k 1− xAN
总反应体积:V总=Q0×Nτ
2.图解法
图解步骤: 图解步骤: 根据实验数据(动力学方程) 做操作温度下的( ① 根据实验数据(动力学方程),做操作温度下的(-rA)~xA(或CA)关 系曲线图。 系曲线图。 在图上作相应温度下第i釜的操作线: ② 在图上作相应温度下第i釜的-rA~xA操作线:
2、能应用CSTR设计式与动力学方程结合,求反应体积。 能应用CSTR设计式与动力学方程结合,求反应体积。 CSTR设计式与动力学方程结合 当进料浓度和流量给定,要求的出口转化率给定后, 当进料浓度和流量给定,要求的出口转化率给定后,该反 应体积比用CSTR所完成该反应所需的体积要大,为什么?? CSTR所完成该反应所需的体积要大 应体积比用CSTR所完成该反应所需的体积要大,为什么?? 3、循环反应器的体积计算及如何理解循环PFR反应器当循 循环反应器的体积计算及如何理解循环PFR PFR反应器当循 环比为无穷时相当于一个CSTR CSTR? 环比为无穷时相当于一个CSTR?多釜串联反应器的逐釜计 算问题,以及如何理解多釜串联反应器当釜数趋于无穷时, 算问题,以及如何理解多釜串联反应器当釜数趋于无穷时, 相当于一个PFR PFR? 相当于一个PFR?
结论: 越多( 结论:当N越多(>50),则多釜串联反应器的总体积接近平推流反应器的体积 越多 , 多釜串联与单个反应釜相比,所需总体积会减少,这是由于级间无返混的缘故!!! 多釜串联与单个反应釜相比,所需总体积会减少,这是由于级间无返混的缘故!!!
本章要点
1、理解连续、全混流反应器(CSTR)、返混 )、返混 理解连续、全混流反应器(CSTR)、
随机变量及其分布
例 1(续)
样本点 黑球数 X 样本点
§1 随机变量
黑球数 X
(1, 2, 3) (1, 2, 4 ) (1, 2, 5) (1, 3, 4 ) (1, 3, 5)
3 2 2 2 2
(1, 4, 5) (2, 3, 4 ) (2, 3, 5) (2, 4, 5) (3, 4, 5)
A 0
τ
=
V v0
C
A 0
− C ( − rA )
请思考一下,为什么 的设计式为一个代数式, 请思考一下,为什么CSTR的设计式为一个代数式,而不用积分了??? 的设计式为一个代数式 而不用积分了??? 中物料的浓度和温度不随时间或空间而变化。 答:CSTR中物料的浓度和温度不随时间或空间而变化。 中物料的浓度和温度不随时间或空间而变化 所以CSTR被认为是微分反应器的一种(相当于一个微分) 被认为是微分反应器的一种( 所以 被认为是微分反应器的一种 相当于一个微分)
ψ = 0, xAi = 0
ψ →∞, xAi → xAf
结果相当于无循环活塞流反应器 结果相当于全混流反应器。 结果相当于全混流反应器。
在实际操作中,只要ψ足够大,如ψ = 25,既 在实际操作中,只要ψ足够大, 25, 可认为是等浓度操作。 可认为是等浓度操作。 循环反应器是CSTR和PFR相互转换的范例 相互转换的范例!!! 循环反应器是CSTR和PFR相互转换的范例!!! CSTR
需要多大一个CSTR?
同样为联立动力学方程与CSTR的设计方程,进行求解 的设计方程, 同样为联立动力学方程与 的设计方程 且该问题为两个代数方程的联立求解,相对简单, 且该问题为两个代数方程的联立求解,相对简单,在此省略 关于BSTR、PFR、CSTR设计基本问题的求解方法小结 、 关于 、 设计基本问题的求解方法小结 期末考试可能出现两至三道类似的计算题) (期末考试可能出现两至三道类似的计算题)
随机变量及其分布
§1 随机变量
一.随机变量的概念
§1 随机变量
例1 袋中有3只黑球,2只白球,从中任意取出3只球, 观察取出的3只球中的黑球的个数. 我们将3只黑球分别记作1,2,3号,2只白球分别 记作4,5号,则该试验的样本空间为 (1, 2, 3) (1, 2, 4 ) (1, 2, 5) (1, 3, 4 ) (1, 3, 5) (1, 4, 5) S= (2, 3, 4 ) (2, 3, 5) (2, 4, 5) (3, 4, 5) 返回主目录
xAp − xAp−1 1− xAp
τ1 =τ2 =L=τN =τ
p =1,2,L, N
方程两侧分别加1,得:
1− xAp−1 1− xAp
N
=1+ kτ
p =1,2,..., N
分别将各釜的物料衡算式两侧相乘,则有:
∏ 1− x
p=1
1− xAp−1
Ap
1 N = = (1+ kτ ) 1− xAN
组分:流入 流出+反应消耗 对A组分 流入 流出 反应消耗 累积 组分 流入=流出 反应消耗+累积
FA0 dt = FA dt + (−rA )Vdt + 0
F F C
A 0 A 0 A 0
− F x v
A 0
A
= ( − r A )V v = ( − r A )V
A
= ( − r A )V − C =
第四节 循环反应器的体积计算
对于单程转化率不高的情况,为提高原料的利用 率,将反应器出口物料中的产品分离后再循环进入反 应器入口,与新鲜原料一起进行反应。
设循环物料与新鲜原料量之比为循环比ψ ψ = Qr / Q0
′ Q0 , CAi , xAi
计算混合点后的转化 率
′ Q0 = Q0 + Qr
重要概念:返混
返混:指流动反应器内不同年龄(或不同时刻进入反应器)质 点间的混合。所以返混指的是一种时间上的混合 依照此定义,请思考:前面学习的三种理想反应器: 依照此定义,请思考:前面学习的三种理想反应器:BSTR、 、 PFR、CSTR中存在返混现象吗? 中存在返混现象吗? 、 中存在返混现象吗 反应器中速度不均匀的物料的混合; 反应器中速度不均匀的物料的混合; 反应器中不同尺度的环流运动如:滞留区、沟流、涡流、短路等。 反应器中不同尺度的环流运动如:滞留区、沟流、涡流、短路等。 返混之所以会影响一个反应的结果,是因为什么原因? 答:返混将造成反应器中存在停留时间分布,改变反应器中的 改变反应器中的 物料的浓度,从而影响反应动力学 物料的浓度 返混一定有害吗???返混总会使反应速率下降,当返混认为 返混一定有害吗???返混总会使反应速率下降, ???返混总会使反应速率下降 有害时, 有害时,可采用横向或纵向分割的方法限制返混
=
Q0CA0 ( xAp − xAp−1 ) −rAp
… CAn-1 CAn rAn
p =1,2,L, N
多个全混流反应器串联操作
对一级不可逆反应
Vp = Q0 ( xAp − xAp−1 ) k (1− xAp )
(−rA ) = kCA0 (1− xA )
p =1 ,2,..., N
假定各釜的反应体积相等,反应温度相同 有: k1 = k2 =L= kN = k 则: kτ =
τi
(xAi − xAi−1)
一直作到要求达到的出口转化率,有几个梯级 就表示需要几个釜串联使用。
-rA -rA~CA
CA3 CA2 CA1
CA0 CA
多釜串联全混流反应器图解计算
多釜串联反应器体积与PFR的比较
_
1 rA
τ =τ τ4 τ
1+τ 2+
τ 3+ τ
4
3
τ
2
τ
1
CA C A4 CA2 C A0
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{ 50 < Y ≤ 100 }
随机变量及其分布
例5
§1 随机变量
观察某生物的寿命(单位:小时),令: Z:该生物的寿命. 则 Y 就是一个随机变量.它的取值为所有非负实 { Z ≤ 1500} 数. 表示该生物的寿命不超过1500小时这一随机事 件. { Z > 3000 } 表示该生物的寿命大于 3000小时这一随机事件. 注意 Z 的取值是不可列无穷个!
的反应体积对比( 第三节 CSTR与PFR的反应体积对比(仅讨论恒容反应) 与 的反应体积对比 仅讨论恒容反应)
1.通常情况下,哪种反应 通常情况下, 通常情况下 器所需的体积要大? 器所需的体积要大? 2.通常情况下,反应级数 通常情况下, 通常情况下 和转化率对VC/VP有什 和转化率对 有什 么影响 3.如果反应级数为 或者 如果反应级数为0或者 如果反应级数为 负数呢? 负数呢? 4.进一步对比与 进一步对比与BSTR的 进一步对比与 的 反应体积关系, 反应体积关系,由此引 入重要概念:返混 入重要概念:
1 2 2 1 1
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例 1(续)
随机变量及其分布
§1 随机变量
由上表可以看出,该随机试验的每一个结果都对应 着变量 X 的一个确定的取值,因此变量 X 是样本空 间S上的函数: X (e ) (e ∈ S ) X= • 我们定义了随机变量后,就可以用随机变量的取 值情况来刻划随机事件.例如 {e:X (e ) = 2}= {X = 2} 表示取出2个黑球这一事件; {X ≥ 2} 表示至少取出2个黑球这一事件,等等.
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