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13环境工程原理PPT第13章--均相化学反应器

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《化学反应工程》陈甘棠编著课件《均相反应器》解析

《化学反应工程》陈甘棠编著课件《均相反应器》解析

化

学
工
程
系
理想间歇反应器中简单反应的结果
反应速率式
反应级数
转化率式 kt=cA0xA
零级
rA=k rA=kcA rA=kcA
2
一级
1 kt ln 或xA＝ 1 －e kt 1 xA
二级
cA0 kt xA cA0 kt 或xA＝ 1 xA 1+cA0 kt
化
学
工
程
系
例3-1 拟在等温间歇反应器进行氯乙醇的皂化反 应：ClCH2CH2OH＋NaHCO3→ OHCH2CH2OH ＋NaCl＋CO2 乙二醇产量为 20kg／h。使用 15 ％的 NaHCO3水溶 液及30％(均为质量)的氯乙醇水溶液作原料，摩尔 比为1∶1，混合液密度为1.02kg/L。该反应对氯乙 醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率 常数等于 5.2L／(mol· h)。要求氯乙醇转化率达到 95％。 (1) 若辅助时间为 0.5h，试计算反应器的有效体积。 (2) 若装填系数取 0.75 ，试计算反应器的实际体积。

化
学
工
程
系
根据流动模型，理想反应器分为：
理想反应器 全混流反应器 平推流反应器
化
学
工
程
系
3.1 间歇操作的完全混合反应器

特点 釜式反应器结构： 加热方式 搅拌器形式 温度测量
化
学
工
程
系
一、间歇反应器特点 1. 反应物料一次加入，产物一次取出。需 要一定非生产性时间； 2.非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应 时间连续变化，产品质量不易稳定； 3.同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度 相同。

均相化学反应器

均相化学反应器
t c A0
xA 0
(12.2.1)
(12.2.2)
(12.2.3) (12.2.4)（恒容反应）
dxA rA
t
cA
c A0
dcA rA
(12.2.6)（恒容反应）
第一节 间歇与半间歇反应器
间歇反应器的图解设计法
t c A0
xA
0
dxA rA
(12.2.4)
t
A的流入量
qn A0 qVcA0
反应量 -rAV
浓度cA 体积V
qvcA0=(－rA)V+ cAqv+V(dcA/dt)
(13.1.3)
第一节 间歇与半间歇反应器
例题13.1.2
对于由反应 (a) 和 (b) 构成的反应系统，试定性说明在下 述半间歇操作时的反应系统中各组分的浓度变化。 (1)先向反应器中加入A，之后连续加入B。 (2)先向反应器中加入B，之后连续加入A。 A+B→P，r1＝k1cAcB A+P→Q，r2＝k2cAcP (a) (b)
1 n
[(1 x A )1n 1]
(n 1)
Vm c A rA Km cA
t
1 [c A0 x A K m ln(1 x A )] Vm
c A0 c B c B0 c A ln c B0 B c A0 x A c B0 (1 x A )
A BB P
nA＝(nA0＋qnA0t)(1－xA)
第一节 间歇与半间歇反应器
2. 半间歇反应器的设计方程
单位时间内A的加入量：qnA0＝qvcA0 单位时间内A的排出量：0 反应量：(－rA)V 积累量：dnA/dt＝d(cAV)/dt＝cA(dV/dt)+V(dcA/dt) 物料衡算式： qvcA0=(－rA)V+ cA(dV/dt)+V(dcA/dt) (13.1.2)

《化学反应工程》陈甘棠编著课件《均相反应器》ppt

《化学反应工程》陈甘棠编著课件《均相反应器》ppt
B
A
VCR=vCA0t-VCA
化
学
工
程
系
半连续操作的釜式反应器
CA / CA0
C / CA0
CR / CA0
化
学
工
程
系
3.6 反应器非等温过程分析
•基本概念和原理
•非等温反应器设计
•全混流反应器的热稳定性分析
化
学
工
程
系
一、基本概念和原理 反应热ΔHr，J/mol。吸热为正，放热为负。
Hr2 Hr1 cp dT
化
学
工
程
系
3.3 理想连续搅拌釜式反应器——全混流反应器
一、特点 1. 反应器内各空间位置 温度、浓度均一。 2. 返混无穷大 3.反应器内浓度、温度 与出口处浓度、温度 相同。
CA0 FA0 v0 T0 CA F A v Tout VR T=Tout G Ci=Ci，out T m， in G
T m，out
0
0
rAV R
dn A dt
即： rAV R
dnA dt
化
学
工
程
系
积分得(1)：t n A0

xA
0
dx A rAVR
※间歇反应器的 设计方程※（1）
恒容时： t CA0
xAf
xA 0
dxA rA
对于间歇系统达到一定转化率所需时间取决于 反应速率，而与反应器体积大小无关；反应器 的大小由处理量决定。
当各釜容积相同且在相同的温度下操作时
C AN 1 C A0 (1 k i ) N
单釜空时，V=NVi=Nv0i
化
学
工

绪论 均相反应动力学 均相反应器

绪论 均相反应动力学 均相反应器
'''




（5）转化率？ X--针对反应物而言
n A0 n A xA n A0
dnA n A0 dxA 若恒容, xA C A0 C A C A0
n A0 dxA dxA (rA ) C A0 V dt dt
，
（1）反应速率恒为正值，反应物组分速 率的“-” （2）不同组分计算的反应速率之间的换 算关系： （3）当混合物的体积（即密度）一定时，
i 2 i i i 2 i 2 i
i
(9.154) 0.5712 (1.2111 3.045) 4 0.5712 (1.2111 2 ) 1.884 m n a1
x
i
m xi
y x y x x
i i i 2 i
i

m xi y i xi y i m xi2 ( xi ) 2
滴流床
第二章 均相反应动力学



2.1化学反应速率及动力学方程式 2.1.1化学反应速度 2.1.2动力学方程 2.1.3动力学方程的建立 2.2 可逆反应 2.3 自催化反应 2.4 复合反应 2.5 变分子气相反应
建立动力学方程的方法： 1、积分法 半衰期法 2、微分法 3、初速度法
(rA )
xi2 0.4197 0.0021 0.0291 0.1203 0.5712
xi yi 1.7844 0.0898 0.3562 0.8150 3.045
lg k a 0
y x x y x m x x x
i i i i i 2 i
i 2 i
y x x x y m x ( x )

1-均相反应动力学和理想反应器.ppt

1-均相反应动力学和理想反应器.ppt

• 单程转化率和全程转化率 • 物料循环的必要性
例如：合成氨、合成甲醇等。
• 单程转化率：原料通过反应器一次达到的转化率
（以反应器进口物料为基准）；
•全程转化率：
•新鲜原料进入反应系统到离开系统所达到的转化率
（以新鲜原料为基准）
•全程转化率=12-15%
✓转化率和反应进度之间的关系：
xA
A
n A0
压、离子强度、溶剂等对的影响比温度对其影响要小得多， 故假设仅为温度的函数。用Arrhenius方程来描述，即：
E
• 活化能的物理意义：
E
k k0e RT
d dT k R E2T k (d k)k/d (T)TR ET
k k0e RT
• 活化能反应了温度对反应速率常数的影响程度。
• 活化能：将反应分子激发到可进行反应的“活化状态”
转化率、目的产物的收率和选择率来评价反应程度和产物分布。
收率： 选择率：
生成目的产物；所消 关耗 键的 组分量
Y
关键组分的起始量
生成目的产物所消 关耗 键的 组分量
S
已转化的关键组分量
注意:
1、对于单一反应 ：Y=xA (关键组分) 对于复杂反应： Y≠xA
2、收率也有单程和全程之分（循环物料系统）
时间是变化的，所以反应速率是指某一瞬间状态下的“瞬时反应速率”。
五、反应动力学方程
描述反应速率与影响反应速率的因素之间的函数关系式，也称为速率方程。
rf(p,T,C)
均相反应：
rfT(T)fC(C) （温度效应*浓度效应）
对于不可逆反应过程： a A b Br R sS
E
rkccA mcB n k0eRT cA mcB n

环工原理

环工原理

第02章质量衡算与能量衡算第二节质量衡算1、什么是稳态系统和非稳态系统?2、以物料的全部组分为衡算系统时，其衡算方程如何表述？3、以某种组分为衡算系统时，其衡算方程如何表述？4、什么是转化速率？如何确定其正负？第三节能量衡算1系统内部能量的变化与环境的关系如何？2什么是封闭系统和开放系统？3简述热量衡算方程的涵义。

4对于不对外做功的封闭系统，其内部能量的变化如何表现？热量衡算方程？5对于不对外做功的开放系统，系统能量变化率可如何表示？热量衡算方程？第03章流体流动第一节管道系统的衡算方程1用圆管道输送水，流量增加1倍，若流速不变或管径不变，则管径或流速如何变化？2当布水孔板的开孔率为30％时，流过布水孔的流速增加多少？3拓展的伯努利方程表明管路中各种机械能变化和外界能量之间的关系，试简述这种关系，并说明该方程的适用条件。

4在管流系统中，机械能的损耗转变为什么形式的能量？其宏观的表现形式是什么？5对于实际流体，流动过程中若无外功加入，则流体将向哪个方向流动？6如何确定流体输送管路系统所需要的输送机械的功率？第二节流体流动的内摩擦力1简述层流和湍流的流态特征。

2流体流动时产生阻力的根本原因是什么？3什么情况下可用牛顿黏性定律计算剪切应力？牛顿型流体有哪些？4简述温度和压力对液体和气体黏度的影响。

第四节流体流动的阻力损失1写出圆直管中阻力损失通式。

2试推导层流流动的速度分布和阻力损失公式。

（课后练习)3圆管内，层流流动的摩擦系数如何确定？4不可压缩流体在水平直管中稳态层流流动，试分析以下情况下，管内压力差如何变化：a.管径增加一倍；b.流量增加一倍；c.管长增加一倍。

5试分析圆管湍流流动的雷诺数和管道相对粗糙度对摩擦系数的影响。

第五节管路计算1管路设计中选择流速通常需要考虑哪些因素?2简单管路具有哪些特点？3分支管路具有哪些特点？4并联管路具有哪些特点？5分析管路系统中某一局部阻力变化时，其上下游流量和压力的变化。

反应器PPT课件


此类反应器需有投料和卸料的时间，通 常用于实验室实验或少量水处理中。
精品课件
10
物料衡算式为：
dCi dt
r(Ci )
t=0，Ci=C0；t=t，C=Ci，积分上式得：
t
ccoi
dCi r (Ci )
设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则
t
ccoi
dCi kCi
1 C0 k lnCi
精品课件
11
理想反应 器分类
完全混合间歇式反应器（CMB型，completely mixed batch）
完全混合，间歇操作，封闭系统
完全混合连续式反应器（CSTR型,continous flow stirred tank reactor） 完全混合，连续操作，不封闭系统
推流式反应器（PF型，plug flow reactor）
推流式，连续操作，不封闭系统
精品课件
9
完全混合间歇式反应器（CMB型，completely mixed batch）
• 投入反应物，均匀混合，并发生反应， 达到预期反应程度后，排出反应物
特征： 1.反应过程中为封闭系统，无物质输入输 出。 2.反应器中反应物浓度随时间是变化的， 但任一时刻t，反应器中浓度认为是均 匀的。
精品课件
12
完全混合连续式反应器（CSTR型，continous flow stirred tank reactor ）
反应物连续输入，一进入反应器即与 反应器内的物料快速混合均匀（瞬间 ）。反应器内物料连续流出，且出水 中反应物浓度与反应器内各点处反应 物浓度相同。
• 特征： • 1.连续流入，连续流出； • 2.反应器内各点反应物浓度相同，且
Cn 0.01,n 2,k 0.92 C0

釜式及均相管式反应器PPT


对于反应 A R ，若要求产物R的浓度为cR，
则单位操作时间的产品产量PR为
PR
VRcR t t0
对反应时间求导，
dPR
VR [( t
t0
) dcR dt
cR
]
dt
( t t0 )2
并可由 dPR 0 ，得
dt
dCR CR dt t t0
3. 配料比
对反应 A B P S ，如动力学方程为 ( rA )V kcAcB 在工业上，为了使价格较高的或在后续工序中较 难分离的组分A的残余浓度尽可能低，也为了缩短 反应时间，常采用反应物B过量的操作方法。定义 配料比 m cBo / cAo，于是，等容液相反应过程中组分的 浓度 cB cB0 (cA0 cA ) cA (m 1)cA0 代入动力学方程
面积为反应时间。
图3-1 等温间歇液相反应 过程的参数积分
图3-2等温间液相歇反应过程 反应时间的图解积分
1.等温等容液相单一反应
在间歇反应器中，若进行等容液相单一不可逆反应， 反应物系的体积VR不变，以零级、一级和二级不可逆反 应的本征速率方程代入
c Af
nAf VR
nA0 ( 1 xAf VR
❖ 桨式搅拌器 ❖ 锚式和框式搅拌器 ❖ 螺带式搅拌器
2.Major Diameter and Low Speed Agitators
(1) 桨式搅拌器
旋转直径为釜径的0.35~0.8倍，甚至达0.9倍以上。常用 转速为1~100rpm，叶端圆周速度为1~5ms-1。
(a) 平桨式
(b) 斜桨式
2.Major Diameter and Low Speed Agitators
二、间歇釜式反应器的数学模型

均相化学反应器


活塞流反应器：
流体以队列形式通过反应器，流体元素在流动方向上绝无混合现象。 反应器中每一流体元素的停留时间都是相等的。
恒流搅拌反应器：
反应器中内含物受到了极好搅拌，是完全均匀的，当反应物进入反应器 后被立即均匀分散到反应器中，从反应器的流出物成分与反应器中完全 一样。
反应物在反应器内的停留时间不相同
研究反应器有关问题的学科称为化学反应工程， 它是使化学工程有别于其他工程的一门特征学科。
相态 均相反应器
不存在传质问题
反应器的分类
多相反应器 存在传质问题
运行方式
间歇反应器
连续流反应 器稳态操作，成分
不随时间变化
非稳态操作，成分随时间变化， 反应器成分均一
活塞流反应器
恒流搅拌反应器
连续流反应器
反应器概述
tC(t)dt
tc
0
0 C(t)dt
tc =mean residence time derived from trace curve, T
C(t)=tracer concentration at time, M/L3
The variance c2 used to define the spread of the distribution
(t t )2 C(t)dt t 2C(t)dt
2 c
0
0
(t ) 2
0 C(t)dt
0 C(t)dt
Concentration versus time tracer response curves
If the concentration versus time tracer response curve is defined by a series of discrete time step measurements, the theoretical mean residence time and variance are defined as

化学反应工程-13-第三章-均相非理想流动反应器


1 2 exp

1 2
4k t 1 Pe
例1用脉冲示踪法测定某管式反应器的停留时间分布，所得反应器出口处示踪剂 的浓度CA数据如下表所示：
序号1 时 间 （min） CA(g/m3) 1 0 0.0 2 2 6.5 3 4 12.5 4 6 12.5 5 8 10.0 6 10 5.0 7 12 2.5 8 14 1.0 9 16 0.0
6384返混对反应过程产生不利影响n1在实际应用上往往是根据rtd的形状来判断反应器中实际的流型看看是否符合理想流动状态若有偏差则应在反应器的结构方面进行改进使之符合理想流动情况
3.4.3 轴向分散模型（又名扩散模型）
一、扩散模型的建立和求解 1、模型的建立 ①平推流假设。径向截面上流体具有均一的主体流速 u。 ②在流动方向上存在扩散过程，且服从费克定律。 ③扩散系数 E Z 在整个管内是恒定的。
Pe1 2 E exp 5 4 2 Pe 1
2 1 Pe
2 1 2 8 Pe Pe
2
⑶不同边界条件时特征值汇总
1 0.01 Pe
1.0
2
开式边界条件
闭式边界条件
开—闭或闭—开

1
2
2
1 e
2
Pe
e

1
21 C A0
2
1 e
2
Pe
e
Pe 1 l 2L
有解析解：
CA 1 xA C A0 4 Pe Pe 2 1 1 exp 1 2 2
概念： 所谓开式边界条件是指边界处或测试点处与反 应器内流型没有突然改变； 闭式边界条件正好相反，流型发生突然改变。
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