水處理反應器.

1、第三章第三章第三章第三章第三章第三章 理想流動反應器理想流動反應器理想流動反應器理想流動反應器理想流動反應器理想流動反應器河北科技大學化學與制藥工程學院College of Chemical and Pharmaceutical EngineeringHebei University of Science and Technology 反應器選型、反應器選型、設計和優(yōu)化設計和優(yōu)化反應器中的反應器中的流動狀況影流動狀況影響反應結果響反應結果數學數學模型模型流動流動模型模型對實際過程對實際過程的簡化的簡化理想理想模型模型非理想非理想模型模型第三章第三章 理想流動反應器理想流動反應器建立模型的建立模

2、型的基本方法基本方法理想氣體狀態(tài)方程間歇反應器間歇反應器平推流反應器全混流反應器連續(xù)流動反應器連續(xù)流動反應器第三章第三章 理想流動反應器理想流動反應器完全沒有返混返混極大(a)(b)(c)間歇攪拌反應器 Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)第三章第三章 理想流動反應器理想流動反應器This unit can be depicted as shown in the right figure, with the following essential components:a) A vessel capable of containing a volume V of

3、reaction fluid.b)A surface unable for heat exchange.c) A stirring system to mix the reactants at the start of the operation if required, and to facilitate heat transfer with the heat exchange surface.特點：特點：反應物料間歇加入與取出，反應物料的溫度和濃度等操作參數隨時間而變，不隨空間位置而變，所有物料質點在反應器內經歷相同的反應時間第三章第三章 理想流動反應器理想流動反應器 第一節(jié)第一節(jié) 流動模

4、型概述流動模型概述 平推流反應器 Piston Flow Reactor (PFR)活塞流模型或理想置換模型活塞流模型或理想置換模型This type of units is illustrated in the following figure. This reactor consists of a tube inside which the reaction medium flows. This makes i t t h e s i m p l e s t s t r u c t u re conceivable for a continuous operation system. Th

5、e heat exchange necessary to add heat to the system or to remove it generally occurs across the tube wall.假設：反應物料以穩(wěn)定流量流入反應器，在反反應物料以穩(wěn)定流量流入反應器，在反應器中平行地像氣缸活塞一樣向前移動應器中平行地像氣缸活塞一樣向前移動特點：沿著物料的流動方向，物料的溫度、濃度不斷變化，而垂直于物料流動方向的任一截面上物料的所有參數，如溫度、濃度、壓力、流速都相同，因此，所有物料質點在反應器中具有相同的停留時間，反應器中不存在返混。第三章第三章 理想流動反應器理想流動反應器 全

6、混流反應器 Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)第三章第三章 理想流動反應器理想流動反應器 第一節(jié)第一節(jié) 流動模型概述流動模型概述連續(xù)攪拌槽式反應器連續(xù)攪拌槽式反應器 或理想混合反應器或理想混合反應器This reactor essentially comprises a tank equipped with a stirring system, a feed pipe and a withdrawal pipe. It is assumed that, at any point of such a unit, the intensive variable

7、s, such as concentrations and temperature, have the same value. The same unit is also provided with continuous reactant feed and continuous withdrawal to remove the reaction mixture containing the reaction products.假設：反應物料以穩(wěn)定流量流入反應器，在反反應物料以穩(wěn)定流量流入反應器，在反應器中，剛進入的新鮮物料與存留在反應應器中，剛進入的新鮮物料與存留在反應器中的物料瞬間達到完全混

8、合。器中的物料瞬間達到完全混合。特點：反應器中所有空間位置的物料參數都是均勻的，而且等于反應器出口處的物料性質，物料質點在反應器中的停留時間參差不齊，有的很長，有的很短，形成一個停留時間分布。年齡反應物料質點從進入反應器算起已經停留的時間；反應物料質點從進入反應器算起已經停留的時間；是對仍留在反應器中的物料質點而言的。是對仍留在反應器中的物料質點而言的。壽命反應物料質點從進入反應器到離開反應器的時間；反應物料質點從進入反應器到離開反應器的時間；是對已經離開反應器的物料質點而言的。是對已經離開反應器的物料質點而言的。第三章第三章 理想流動反應器理想流動反應器 第一節(jié)第一節(jié) 流動模型概述流動模型概

9、述返混返混：又稱逆向返混，又稱逆向返混，不同年齡不同年齡的質點之間的混合。的質點之間的混合。是時間概念上的混合是時間概念上的混合 BSTR PFR CSTR1投料 一次加料(起始) 連續(xù)加料(入口) 連續(xù)加料(入口)2年齡 年齡相同(某時) 年齡相同(某處) 年齡不同3壽命 壽命相同(中止) 壽命相同(出口) 壽命不同(出口)4返混 全無返混 全無返混 返混極大反應器特性分析反應器特性分析 第一節(jié)第一節(jié) 流動模型概述流動模型概述5 濃度分布 - 推動力反應器特性分析反應器特性分析 第一節(jié)第一節(jié) 流動模型概述流動模型概述反應推動力隨反應時間逐漸降低反應推動力隨反應器軸向長度逐漸降低反應推動力不變

10、，等于出口處反應推動力 偏離平推流的情況非理想流動模型非理想流動模型 第一節(jié)第一節(jié) 流動模型概述流動模型概述漩渦運動：渦流、漩渦運動：渦流、湍動、碰撞填料湍動、碰撞填料截面上流截面上流速不均勻速不均勻溝流、短路：填料或溝流、短路：填料或催化劑裝填不均勻催化劑裝填不均勻非理想流動模型非理想流動模型 第一節(jié)第一節(jié) 流動模型概述流動模型概述 偏離全混流的情況死角死角短路短路攪拌造成攪拌造成的再循環(huán)的再循環(huán) 流動狀況對化學反應的影響 - 由物料停留時間不同所造成由物料停留時間不同所造成非理想流動模型非理想流動模型 第一節(jié)第一節(jié) 流動模型概述流動模型概述短路、溝流短路、溝流停留時間減少停留時間減少轉化率

11、降低轉化率降低死區(qū)、死區(qū)、再循環(huán)再循環(huán)停留時停留時間過長間過長A+BP：有效反應體積減少：有效反應體積減少A+BPS 產物產物P減少減少 停留時間的不均停留時間的不均3-2 反應器設計的基本方程反應器設計的基本方程 第一節(jié)第一節(jié) 流動模型概述流動模型概述反應器設計的基本內容選擇合適的反應器型式選擇合適的反應器型式 反應動力學特性反應動力學特性+ +反應器的流動特征反應器的流動特征+ +傳遞特性傳遞特性確定最佳的工藝條件確定最佳的工藝條件 最大反應效果最大反應效果+ +反應器的操作穩(wěn)定性反應器的操作穩(wěn)定性 進口物料的配比、流量、反應溫度、壓力和最終轉化率進口物料的配比、流量、反應溫度、壓力和最終

12、轉化率計算所需反應器體積計算所需反應器體積 規(guī)定任務規(guī)定任務+ +反應器結構和尺寸的優(yōu)化反應器結構和尺寸的優(yōu)化反應器設計的基本方程反應器設計的基本方程 第一節(jié)第一節(jié) 流動模型概述流動模型概述the kinetic equationthe mass balance equationthe energy balance equationthe momentum balance equation第二章中講過第二章中講過計算反應體積計算反應體積計算溫度變化計算溫度變化計算壓力變化計算壓力變化反應器設計的基本方程反應器設計的基本方程 第一節(jié)第一節(jié) 流動模型概述流動模型概述物料衡算方程某組分流入量某組分流

13、入量= =某組分流出量某組分流出量+ +某組分反應消耗量某組分反應消耗量+ +某組分累積量某組分累積量反應消耗累積流入流入流出流出反應單元反應單元反應器反應單元流入量流出量反應量累積量間歇式間歇式整個反應器整個反應器00平推流平推流(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))微元長度微元長度0全混釜全混釜(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))整個反應器整個反應器0非穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)反應器設計的基本方程反應器設計的基本方程 第一節(jié)第一節(jié) 流動模型概述流動模型概述熱量衡算方程帶入的熱焓帶入的熱焓= =帶出的熱焓帶出的熱焓+ +反應熱反應熱+ +熱量的累積熱量的累積+ +傳給環(huán)境的熱量傳給環(huán)境的熱量反應熱累積帶入帶入帶出帶出反應單元反應單元反應器反應單元帶入量帶

14、出量反應熱累積量間歇式間歇式整個反應器整個反應器00平推流平推流(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))微元長度微元長度0全混釜全混釜(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))整個反應器整個反應器0非穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)傳給環(huán)境傳給環(huán)境反應器設計的基本方程反應器設計的基本方程 第一節(jié)第一節(jié) 流動模型概述流動模型概述動量衡算方程氣相流動反應器的壓降大時，需要考慮壓降對反應的影響，需進行動量衡算。但有時為了簡化計算，常采用估算法。第二節(jié)第二節(jié) 理想流動反應器理想流動反應器3-3 間歇反應器特點: 1 1 由于劇烈攪拌，反應器內物料濃度達到分子尺度由于劇烈攪拌，反應器內物料濃度達到分子尺度上的均勻，且反應器內濃度處處相等，因而排除上的均勻，且反應器內濃度處處相等，因

15、而排除了物質傳遞對反應的影響；了物質傳遞對反應的影響； 2 2 具有足夠強的傳熱條件，溫度始終相等，無需考具有足夠強的傳熱條件，溫度始終相等，無需考慮器內的熱量傳遞問題；慮器內的熱量傳遞問題； 3 3 物料同時加入并同時停止反應，所有物料具有相物料同時加入并同時停止反應，所有物料具有相同的反應時間。同的反應時間。優(yōu)點： 操作靈活，適用于小批量、多品種、反應時間較長的操作靈活，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產品生產產品生產 精細化工產品的生產精細化工產品的生產缺點缺點：裝料、卸料等輔助操作時間長，產品質量不穩(wěn)定：裝料、卸料等輔助操作時間長，產品質量不穩(wěn)定間歇反應器的數學描述間歇反應器的數學

16、描述 第二節(jié)第二節(jié) 理想流動反應器理想流動反應器對整個反應器進行物料衡算：)1 (00AAAAAAAxnndtdxndtdnVr流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應量反應量 + + 累積量累積量00單位時間內反應量單位時間內反應量 = = 單位時間內消失量單位時間內消失量AfAfxAAAxAAArdxCrdxVnt0000AAAfCCAAxAAArdCrdxCt000等容過程，液相反應等容過程，液相反應間歇反應器的數學描述間歇反應器的數學描述 第二節(jié)第二節(jié) 理想流動反應器理想流動反應器 實際操作時間=反應時間(t) + 輔助時間 (t)反應體積反應體積V VR R是指反應物料在反應

17、器中所占的體積是指反應物料在反應器中所占的體積 V VR R=V(t+t)=V(t+t)1/rA xAt/CA01/rA CAt反應速率rA=kCArA=kCA2AACCkt0lnAfxAAArdxCt00Axkt11ln011AACCktAAAxxktC10AACCAArdCt0間歇反應器中的單反應間歇反應器中的單反應 第二節(jié)第二節(jié) 理想流動反應器理想流動反應器間歇反應器中的單反應間歇反應器中的單反應 第二節(jié)第二節(jié) 理想流動反應器理想流動反應器k k增大增大( (溫度升高）溫度升高）tt減少減少反應體積減小反應體積減小間歇反應器中的單反應間歇反應器中的單反應 第二節(jié)第二節(jié) 理想流動反應器理想

18、流動反應器2. 反應濃度反應濃度的影響的影響1. k的影響的影響零級反應：零級反應：t t與初濃度與初濃度C CA0A0正比正比一級反應：一級反應：t t與初濃度與初濃度C CA0A0無關無關二級反應：二級反應：t t與初濃度與初濃度C CA0A0反比反比3. 殘余濃度殘余濃度零級反應：殘余濃度隨零級反應：殘余濃度隨t t直線下降直線下降一級反應：殘余濃度隨一級反應：殘余濃度隨t t逐漸下降逐漸下降二級反應：殘余濃度隨二級反應：殘余濃度隨t t慢慢下降慢慢下降反應后期的速度很??；反應機理的變化1. 連續(xù)定態(tài)下，各個截面上的各種參數只是位置的函數，不隨時間而變化；2. 徑向速度均勻，徑向也不存在

19、濃度分布；3. 反應物料具有相同的停留時間。3-4 平推流反應器平推流反應器 第二節(jié)理想流動反應器第二節(jié)理想流動反應器一一. 特點：特點：二二. 基本公式：基本公式： 第二節(jié)理想流動反應器第二節(jié)理想流動反應器流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應量反應量 + + 累積量累積量0RAAAAAAdVrdxxCVxCV)1 ()1 (0000RAAAdVrdxCV00AfxAAARrdxCVV000二二. 基本公式：基本公式： 第二節(jié)理想流動反應器第二節(jié)理想流動反應器1. k與xA的關系等溫時等溫時k k為常數為常數2. V0與xA的關系等分子反應？變分子反應？等分子反應？變分子反應？3. 等容過程AfxAAARrdxCVV000與間歇反應器的公式相同與間歇反應器的公式相同二二. 等溫平推流反應器的計算等溫平推流反應器的計算 第二節(jié)理想流動反應器第二節(jié)理想流動反應器AfxAAARrdxCVV000)1 (0AAAxCCAfAfAxCCnAAnAnAARk