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第二章理想流动反应器

第二章理想流动反应器
第二章理想流动反应器

第三章理想流动均相反应器设计题解

第三章 理想流动均相反应器设计题解 1、[间歇反应器与全混釜恒容一级] 有一等温操作的间歇反应器进行某一级液相反应,13分钟后,反应物转化了70%.今拟将此反应转至全混流反应器,按达到相同的转化率应保持多大的空速? 解:㏑CA 0CA =kt, CA0CA CA0 - =0.7 , C A =0.3C A0 间歇釜中∴㏑0.3=-13k , k=0.0926 min -1 在全混釜中τ=VR V0=CA0 XA k CA =0.70.30.0926?=25.2 min -1 ∴空速S=1τ=125.2=0.0397min -1 2、[平推流恒容一级] 有一个活塞流管式反应器于555K,0.3MPa 压力下进行A →P 气相反应,已知进料中含30%A(mol),其余70%为惰性物料.加料流量为6.3mol/s.该反应的动力学方程为r A =0.27C A mol/m 3 ·s,要求达到95%转化.试求⑴所需的空时? ⑵反应器容积? 解: τP =VR V0=1k ㏑CA 0CA =1 k ㏑PA0PA =1k ㏑ A0 A y y =1k ㏑1 1A x -=10.27㏑110.95-=11.1 S ∴V R =τP ·v 0=τP 00 A A F C 而C A0= A P RT =30.30.082555??=0.0198mol/L=19.8mol/m 3 V R =11.1s × 3 6.3/19.8/mol s mol m =3.53m 3 3、[平推流变容过程一级] 有一纯丙烷裂解反应方程式为C 3H 8→C 2H 4+CH 4.该反应在772℃等温条件下进行,其动力学 方程式为-dP A /dt=kP A ,忽略存在的副反应,并已知k=0.4h -1 反应过程保持恒压0.1MPa. 772℃和0.1MPa 下的体积进料量为800L/h,求转化率为0.5时所需的平推流反应器的体积. 解: ∵εA =21 2-=0.5 ∵k τP =-(1+εA )㏑(1-ΧA )- εA ΧAf 0.4τP =-(1+0.5)㏑(1-0.5)-0.5×0.5 ∴τP =1.5ln 20.25 0.4-=1.974h V R =τP v 0=1.974×800=1579L=1.579 m 3 4、[间歇釜变容一级] 一级气相反应A →2R+S ,在等温等压间歇实验反应器中进行,原料中含75%A(mol),25%(mol)惰性气体,经8分钟后,其体积增加一倍.求此时达到了多大的转化率? 速率常数多大? 解: 膨胀因子 δA =3-11=2 膨胀率 εA =y A0δA =0.75×2=1.5

1理想反应器的概念

1理想反应器的概念,理想流动的概念; 理想反应器是指流体的流动混合处于理想状况的反应器。 流动混合的两种理想极限情况:理想混合和理想置换。 2连续、间歇、半连续三种操作方式及各自的特点,不同操作方式对浓度分布的影响; 3各种混合的概念,以及关于时间的几个概念; 混合:不同物料之间的混合。 理想混合: 反应器内物料达到了完全的混合,各点浓度、温度完全均一。 (2) 理想置换: 是指在与流动方向垂直的截面上流体各点的流动和流向完全相同,就像活塞平推一样,故又称“活塞流”。 :具有的物料粒子之间的混合 返混不同停留时间(年龄) 叫返混。 4工业反应器的放大方法; 5反应温度、活化能、反应物浓度、反应级数以及反应速度之间的关系; 6复杂反应的选择性及反应器的选择; 7工业传热装置和传热剂及其适用场合; 夹套式水、低温制冷剂氯化钙水溶液、液氨、液氮、有机载冷剂 蛇管式和插入式 列管式 外部循环式 8混合的尺度问题;

9流型及特点; 轴向流——流体从轴向流入叶轮,又从轴向流出叶轮。该流型有利于宏观混和。 径向流——流体从轴向流入叶轮,从径向流出叶轮。该流型的剪切作用大,有利于分散过程。切线流——流体作圆周循环流动。该流型产生打漩,对过程不利。 10搅拌器类型及特点; 螺旋桨式(推进式)、涡轮式、框式和锚式 11宏观动力学的概念; 宏观动力学概念:宏观动力学就是包括扩散或传质过程 在内的化学反应动力学。 12气液非均相反应历程; 13气液相反应的类型及各自的特点; 14如何通过气液动力学实验来判断属于哪种类型; 15气固非均相反应历程; 16外扩散控制、内扩散控制、动力学控制的特点,如何判断哪一步是控制步骤,工业上如何消除内扩散和外扩散的影响; 17固体工业催化剂的组成;

理想反应器

理想反应器 ?在工业上化学反应必然要在某种设备内进行,这种设备就是反应器。根据各种化学反应的不同特性,反应器的形式和操作方式有很大差异。 ?从本质上讲,反应器的形式并不会影响化学反应动力学特性。但是物料在不同类型的反应器中流动情况是不同的。 ? 理想流动反应器 流体流动状况影响反应速率和反应选择率,直接影响反应结果。 研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、设计和优化的基础. 流动模型是反应器中流体流动与返混的描述。 流动模型:理想流动模型和非理想流动模型。 理想流动模型:完全没有返混的平推流反应器和返混为极大值的全混流反应器。 非理想流动模型是对实际工业反应器中流体流动状况对理想流动偏离的描述。 流动模型相关的重要概念 ●物料质点 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。 ●物料质点的年龄和寿命 年龄是对反应器内质点而言,指从进入反应器算起已经停留的时间,称为年龄。 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。 返混 1)返混指流动反应器内不同年龄年龄质点间的混合。 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,不同年龄的质点混合在一起,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,只是返混程度有所不同而已。 简单混合与返混 若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的,具有相同的反应程度,混合后的物料必然与混合前的物料完全相同。这种发生在停留时间相同的物料之间的均匀化过程,称之为简单

化学反应工程 第三章

第三章 理想流动反应器 概述 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。 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。 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。 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。 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,直接影响反应结果。 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: 理想流动模型 流动模型 非理想流动模型 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。 第一节 流动模型概述 3-1 反应器中流体的流动模型 平推流模型 全混流模型

一、物料质点、年龄、奉命及其返混 1.物料质点 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 年龄是对反应器内质点而言,指从进入反应器开始到某一时刻,称为年龄。 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,只是返混程度有所不同而已。

理想反应器

第五章理想反应器 5.1 均相反应器的分类 表1-2给出了冶金反应器的不同分类方式。可以说该表是从不同角度对反应器特性的一个粗略的说明。为了用数学模型法对反应器操作进行解析,首先要把反应器中的复杂过程分解成便于数学描述的单纯问题。工业反应器中进行的过程可分解为化学过程和包括流动、传质、传热在内的传递过程。由于化学反应规律与设备大小无关,故可在小型装置中进行研究,并归结为提出反应动力学模型,这是前三章介绍过的内容。传递过程是伴随化学反应同时发生的现象,虽然它并不改变化学反应的规律,但能影响反应场所的条件,从而影响最终的反应结果。传递规律可随设备而变,与所进行的化学反应类别并无直接关系。不同类型的反应器有不同的传递规律,因此,为了对反应器进行解析,必须弄清反应器内的传递规律。 在有物料流动的冶金反应器中,物料的流动在传递现象中起决定性作用,因为传热和传质现象往往是流动所伴生的现象,所以,物料的流动状态可以作为区分反应器的一个重要标志,物料在反应器中有四种典型的流动状态,相应有四种基本型式的反应器。 (1)间歇式反应器属于非流动系统,物料一次加入反应器中,在反应器内物料能均匀地混合,反应完成后,同时放出所有的物料,完成一个生产周期。 (2)全混流反应器把间歇式反应器改为连续操作,使物料连续地流经反应器并在反应器内均匀地混合,就成了全混流反应器。我们把物料在反应器中的这种完全均匀混合的流动状态称为理想混合流动,也称为完全混合流动或简称全混流。 (3)活塞流反应器物料在反应器内沿着平行的路径向前流动,如同活塞在气缸里向前移动一样,物料在流动方向上不发生混合,而在垂直于流动方向的任一截面上,所以的物料都有相同的参数。我们称物料的这种流动状态为活塞流、平推流或理想置换流。 全混流和活塞流是两种典型的流动模型,它们是对实际流动状态作了简化和理想化的两种极限情况,称这两种流动为理想流动。间歇式反应器中的流动也是一种特殊的流动状态。我们常把间歇式反应器,全混流反应器和活塞流反应器称为理想反应器。在本章中将讨论这三种基本型式的反应器。 (4)非理想流动反应器大多数的实际反应器,其中物料的流动状态都是介于活塞流和全混流之间的,称这种流动为非理相流动,称相应的反应器为非理想流动反应器。对非理想流动和非理想反应器将在下一章中进行介绍。 大多数冶金过程所进行的反应都是非均相的,在反应器中常存在流动路径不同的两种物料流。从反应器操作解析的角度考虑,对于每个物料流可以象均相反应器那样进行处理。因此对基本型式反应器和其中物料流动模型的研究,不仅可以用于描述实际的均相反应器,而且这些流动模型也是描述复杂的非均相反应器及其流动过程的基础、 5.2间歇反应器 5.2.1 引言 间歇反应器,亦称间歇式全混槽(釜),间歇搅拌槽(釜)等,其基本特征是其中的化学变化和热变化仅与时间有关,反应器内浓度和温度是均匀的。间歇反应器在冶金中常用于使矿物从矿石或其他物料中转入溶液的浸出过程,用于溶液的离子沉淀和结晶等过程中。这种反应器的特点是灵活性大,适于小批量的或者原料波动较大的生产过程。 间歇反应器的顶部通常装设有可拆卸的顶盖以供清洗和维修之用。在顶盖的中央部位安有搅拌器以使反应器内的物料均匀混合。顶盖上还开有各种工艺接管作为添加各种物料和测量等用。另外还装有加热或冷却用的夹套或排管,以控制过程的温度。在操作时,把物料按

第三章均相理想反应器

第三章均相理想反应器 反应器的开发主要有两个任务: 1.优化设计—反应器选型、定尺寸、确定操作条件。 2.优化操作—根据实际操作情况,修正反应器的数学模型参 数,优化操作条件。 最根本任务—最高的经济和社会效益。 3.1 反应器设计基础 3.1.1反应器中流体的流动与混合 理想反应器的分类 对理想反应器(ideal reactor),主要讨论三种类型: 1.间歇反应器(Batch Reactor—BR); 2.平推流反应器(Plug /Piston Flow Reactor—PFR); 3.全混流反应器(Continuously Stirred Tank Reactor—CSTR)。 返混(back mixing)—不同停留时间的粒子之间的混合; 混合(mixing)—不同空间位置的粒子之间的混合。 注意:返混≠混合! 平推流—物料以均一流速向前推进。 特点是粒子在反应器中的停留时间相同,不存在返混。 T、P、C i随轴向位置变(齐头并进无返混,变化随轴 不随径)。

全混流(理想混合)—物料进入反应器后能够达到瞬间的完全混合。 特点是反应器内各处的T、P、C i相同,物性不随反应 器的位置变,返混达到最大。 3.1.2 反应器设计的基础方程 反应器的工艺设计包括两方面的内容: 1.由给定生产任务和原料条件设计反应器; 2.对已有的反应器进行较核,看达到质量要求时,产量是否能保证,或达到产量时,质量能否保证。 反应器设计的基础方程主要是: 1.动力学方程; 2.物料衡算方程; 3.热量衡算方程; 4.动量衡算方程。

一、物料衡算方程 对反应器内选取的一个微元,在单位时间内,对物质A有:进入量=排出量+反应消耗量+积累量(3.1-1) 用符号表示:F in F out F r F b 即:F in=F out+F r+F b(3.1-2) 1.对间操作,反应过程无进料和出料,即: F in=F out=0 则:-F r=F b(3.1-4) 反应量等于负积累量。 2.对连续稳定操作,积累量为零,即:F b=0 则F in=F out+F r(3.1-6) 二、热量衡算方程 对反应器内选定的微元,单位时间内的热量变化有: 随物料流-随物料流+与边界交+反应热=积累热量 入的热量出的热量换的热量 符号:Q in Q out Q u Q r Q b 入为正放热为正 即:Q in-Q out+Q u+Q r=Q b(3.1-8) 1.对于稳定操作的反应器,热的积累为零,即: Q b=0 Q in-Q out+Q u+Q r=0(3.1-9) 2.对稳态操作的绝热反应器,Q u=Q b=0,即: Q in-Q out+Q r=0(3.1-10) 反应热全部用来升高或降低物料的温度。

第三章理想反应器

第三章理想反应器 O [理想混合(完全混合)反应器、平推流(活塞流或 1. 理想反应器是指 挤出流)反应器] 2. 具有良好搅拌装置的釜式反应器按 __________ 反应器处理,而管径小,管子较长和流速较大 的管式反应器按 ________ 反应器处理。(理想混合反应器、平推流) 3. 分批式完全混合反应器操作的优化分析是以 ___________ 、 ______ 为目标进行优化的。(平均 生产速率Y R 最大、生产经费最低) .之比。(反应器的有效容积、进料流体的容积 6.全混流反应器的放热速率 Q G = O ( 7.全混流反应器的移热速率 Q r = O ( 为 与 V(_r A )(M r ) 4. 全混流反应器的空时 T 是 流速) 5. 全混流反应器的容积效率 7 .之比。(反应时间t 、空时T 8.全混流反应器的定常态操作点的判据为 O ( Q G =Q r ) 9. 全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为 10. 全混流反应器的返混 ________ O (最大) 11. 平推流反应器的返混为 ________ O (零) 12. 对于恒容的平推流管式反应器 _________ 时间、空时) 13. 对于恒容的 _______ 管式反应器平均停留时间、反应时间、空时一致。 (平推流) 14. 如果将平推流反应器出口的产物部分的返回到入口处与原始物料混合,这类反应器为 的平推流反应器。(循环操作) 15. 对于循环操作的平推流反应器,当循环比 3 7 0时为 当于 _______ 反应器。(平推流、全混流) 16. 对于循环操作的平推流反应器,当循环比 3 7 0 S 时则反应器内返混为 _________ O (零、最大) 17. 18. 19. 20. 对于绝热操作的放热反应,最合适的反应器类型为 对于反应级数n v 0的反应,为降低反应器容积, 对于反应级数n > 0的反应,为降低反应器容积, 对于自催化反应,最合适的反应器为 21. O ( Q G =Q r 、 dQ r \dQ G 齐 ‘苛) .一致。(平均停留时间、反应 反应器,而当3 时则相 时反应器内返混为 _______ O (全混流串平推流) 应选用 ___ 反应器为宜。 应选用 _______ 反应器为宜。 O (全混流串平推流) (全混流) (平推流) 对于可逆的放热反应,使反应速率最大的反应温度T o pt = -(E 2-E 1) k 0E 1C A0(1-X A ) ( Rln k 0E 2(C R0 +C A 0/A )) 22.对于可逆的放热反应,达到化学反应平衡时的温度Te =

{教育管理}化学反应工程三理想流动反应器 精品 精品

{教育管理}化学反应工程三理想流动反应器

第一节流动模型概述3-1反应器中流体的流动模型 3-2 反应器设计的基本方程 ?间歇过程--时间变化过程, ?流动过程--空间变化过程,, 实例1:管式反应器 实例2:串联釜式反应器

Schematic of a Steam Cracker for Ethylene Production from Naphtha heating gas Crack gas cooler Crack gas 125 bar steam Steam Naphtha preheater Naphtha burner Radiation zone convectio n zone F e e d w a t e r 石脑油蒸馏制乙烯产品

High Pressure Polymerisation of Ethylene Pressure : 1500 –2500 bar (1bar =0.1MPa )Residence time: 100 –150 s Reactor: Diam. 34 –50 mm; L = 400 –900 m pression purge polymerisation deposition LP-stripper HP-stripper 150-300at HP-pressor LP-pressor 1500-3000bar Tubular reactor and stirred tank Wax separation 乙烯高压聚合

串联反应釜

理想流动模型 Dispersion Recycle reactor (Semi-)Batch reactor 3-1反应器中流体的流动模型 流动模型:反应器中流体流体与返混的描述非理想流动模型 Plug-Flow Reactor (PFR) Continuous stirred tank (CSTR)

反应器设计

第九章反应器设计 9.1 概述 (1) 9.2反应器的分类和结构特点 (3) 9.3 发酵罐设计与分析 (6) 9.5 其他反应器 (14) 9.1 概述 生物反应器是指一个能为生物反应提供适宜的反应条件,以实现将原料转化为特定产品的设备,是生物技术产业化的核心。 生物反应器设计的主要内容包括:(1)反应器选型,即根据生产工艺要求、反应及物料的特性等因素,确定反应器的操作方式、结构类型、传递和流动方式等;(2)设计反应器结构,确定各种结构参数,即确定反应器的内部结构及几何尺寸、搅拌器形式、大小及转速、换热方式及换热面积等;(3)确定工艺参数及其控制方式,如温度、压力、pH、通气量、底物浓度、进料的浓度、流量和温度等。生物反应器设计的基本要求: (1)避免将必须蒸汽灭菌的部件与其它部件直接相连; (2)法兰应尽量少; (3)尽可能采用焊接连接,焊接部位要充分抛光; (4)避免产生凹陷和裂缝; (5)设备各部件能分别进行灭菌; (6)反应器的接口处用蒸汽封口; (7)阀门要易清洗,易使用,易灭菌; (8)反应器内易保持一定正压; (9)为便于清洗,反应器主体部分应尽量简单。 反应器的设计以及工程放大,主要采用数学模型法,即利用数学模型来分析、研

究生化反应过程中的现象和规律,即用数学语言表达过程中各种变量之间的关系。 数学模型的建立:以生物反应器为研究对象,将其中的生化反应过程分解为生化反应、传递过程及流体流动与混合等子过程,并分别进行研究,通过物料衡算和热量衡算将各子过程的相关参数进行关联和偶合,即对动力学方程、物料衡算及热量衡算式联立求解,从而得到所研究的生化反应过程规律的解析表达形式。另一方面,由于生化反应过程极为复杂,往往对过程的机理研究得不透彻或有些问题尚不清楚,在这种情况下,就必须结合一定的经验模型,即在一定条件下由实验数据进行数学关联并拟合而得到的模型。

第三章 理想反应器

第三章 理想反应器 1.理想反应器是指_______、_______。[理想混合(完全混合)反应器、平推流(活塞流或挤出流)反应器] 2.具有良好搅拌装置的釜式反应器按_______反应器处理,而管径小,管子较长和流速较大的管式反应器按_______反应器处理。(理想混合反应器、平推流) 3.分批式完全混合反应器操作的优化分析是以_______、_______为目标进行优化的。(平均生产速率R Y 最大、生产经费最低) 4.全混流反应器的空时τ是_______与_______之比。(反应器的有效容积、进料流体的容积流速) 5.全混流反应器的容积效率η为_______与_______之比。(反应时间t 、空时τ) 6.全混流反应器的放热速率G Q =______________。(p r A C v H r V ρ0) )((?--) 7.全混流反应器的移热速率r Q =______________。( )()1(000P m P c v U A T T c v UA T ρρ+-+ ) 8.全混流反应器的定常态操作点的判据为_______。(r G Q Q =) 9.全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为_______、_______。(r G Q Q =、 dT dQ dT dQ G r ?) 10.全混流反应器的返混_______。(最大) 11.平推流反应器的返混为_______。(零) 12.对于恒容的平推流管式反应器_______、_______、_______一致。(平均停留时间、反应时间、空时) 13.对于恒容的_______管式反应器平均停留时间、反应时间、空时一致。(平推流) 14.如果将平推流反应器出口的产物部分的返回到入口处与原始物料混合,这类反应器为_______的平推流反应器。(循环操作) 15.对于循环操作的平推流反应器,当循环比β→0时为_______反应器,而当β→∞时则相当于_______反应器。(平推流、全混流) 16. 对于循环操作的平推流反应器,当循环比β→0时反应器内返混为_______,而当β→∞时则反应器内返混为_______。(零、最大) 17. 对于绝热操作的放热反应,最合适的反应器类型为_______。(全混流串平推流) 18. 对于反应级数n <0的反应,为降低反应器容积,应选用_______反应器为宜。(全混流) 19. 对于反应级数n >0的反应,为降低反应器容积,应选用_______反应器为宜。(平推流) 20. 对于自催化反应,最合适的反应器为_______。(全混流串平推流) 21.对于可逆的放热反应,使反应速率最大的反应温度 = opt T _______。 ( )()1(ln ) (002'00 1012A A R A A C C E k C E k R E E χχ+---) 22. 对于可逆的放热反应,达到化学反应平衡时的温度 =e T _______。

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