水处理反应器.

1、第三章第三章第三章第三章第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器理想流动反应器理想流动反应器理想流动反应器理想流动反应器河北科技大学化学与制药工程学院College of Chemical and Pharmaceutical EngineeringHebei University of Science and Technology 反应器选型、反应器选型、设计和优化设计和优化反应器中的反应器中的流动状况影流动状况影响反应结果响反应结果数学数学模型模型流动流动模型模型对实际过程对实际过程的简化的简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 理想流动反应器理想流动反应器建立模型的建立模

2、型的基本方法基本方法理想气体状态方程间歇反应器间歇反应器平推流反应器全混流反应器连续流动反应器连续流动反应器第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器完全没有返混返混极大(a)(b)(c)间歇搅拌反应器 Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器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.特点：特点：反应物料间歇加入与取出，反应物料的温度和浓度等操作参数随时间而变，不随空间位置而变，所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器 第一节第一节 流动模

4、型概述流动模型概述 平推流反应器 Piston Flow Reactor (PFR)活塞流模型或理想置换模型活塞流模型或理想置换模型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.假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中平行地像气缸活塞一样向前移动应器中平行地像气缸活塞一样向前移动特点：沿着物料的流动方向，物料的温度、浓度不断变化，而垂直于物料流动方向的任一截面上物料的所有参数，如温度、浓度、压力、流速都相同，因此，所有物料质点在反应器中具有相同的停留时间，反应器中不存在返混。第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器 全

6、混流反应器 Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器 第一节第一节 流动模型概述流动模型概述连续搅拌槽式反应器连续搅拌槽式反应器 或理想混合反应器或理想混合反应器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.假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混

8、合。器中的物料瞬间达到完全混合。特点：反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短，形成一个停留时间分布。年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。是对仍留在反应器中的物料质点而言的。寿命反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的物料质点而言的。是对已经离开反应器的物料质点而言的。第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器 第一节第一节 流动模型概述流动模型概

9、述返混返混：又称逆向返混，又称逆向返混，不同年龄不同年龄的质点之间的混合。的质点之间的混合。是时间概念上的混合是时间概念上的混合 BSTR PFR CSTR1投料 一次加料(起始) 连续加料(入口) 连续加料(入口)2年龄 年龄相同(某时) 年龄相同(某处) 年龄不同3寿命 寿命相同(中止) 寿命相同(出口) 寿命不同(出口)4返混 全无返混 全无返混 返混极大反应器特性分析反应器特性分析 第一节第一节 流动模型概述流动模型概述5 浓度分布 - 推动力反应器特性分析反应器特性分析 第一节第一节 流动模型概述流动模型概述反应推动力随反应时间逐渐降低反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低反应推动力不变

10、，等于出口处反应推动力 偏离平推流的情况非理想流动模型非理想流动模型 第一节第一节 流动模型概述流动模型概述漩涡运动：涡流、漩涡运动：涡流、湍动、碰撞填料湍动、碰撞填料截面上流截面上流速不均匀速不均匀沟流、短路：填料或沟流、短路：填料或催化剂装填不均匀催化剂装填不均匀非理想流动模型非理想流动模型 第一节第一节 流动模型概述流动模型概述 偏离全混流的情况死角死角短路短路搅拌造成搅拌造成的再循环的再循环 流动状况对化学反应的影响 - 由物料停留时间不同所造成由物料停留时间不同所造成非理想流动模型非理想流动模型 第一节第一节 流动模型概述流动模型概述短路、沟流短路、沟流停留时间减少停留时间减少转化率

11、降低转化率降低死区、死区、再循环再循环停留时停留时间过长间过长A+BP：有效反应体积减少：有效反应体积减少A+BPS 产物产物P减少减少 停留时间的不均停留时间的不均3-2 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 第一节第一节 流动模型概述流动模型概述反应器设计的基本内容选择合适的反应器型式选择合适的反应器型式 反应动力学特性反应动力学特性+ +反应器的流动特征反应器的流动特征+ +传递特性传递特性确定最佳的工艺条件确定最佳的工艺条件 最大反应效果最大反应效果+ +反应器的操作稳定性反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终

12、转化率计算所需反应器体积计算所需反应器体积 规定任务规定任务+ +反应器结构和尺寸的优化反应器结构和尺寸的优化反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 第一节第一节 流动模型概述流动模型概述the kinetic equationthe mass balance equationthe energy balance equationthe momentum balance equation第二章中讲过第二章中讲过计算反应体积计算反应体积计算温度变化计算温度变化计算压力变化计算压力变化反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 第一节第一节 流动模型概述流动模型概述物料衡算方程某组分流入量某组分流

13、入量= =某组分流出量某组分流出量+ +某组分反应消耗量某组分反应消耗量+ +某组分累积量某组分累积量反应消耗累积流入流入流出流出反应单元反应单元反应器反应单元流入量流出量反应量累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度0全混釜全混釜(稳态稳态)整个反应器整个反应器0非稳态非稳态反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 第一节第一节 流动模型概述流动模型概述热量衡算方程带入的热焓带入的热焓= =带出的热焓带出的热焓+ +反应热反应热+ +热量的累积热量的累积+ +传给环境的热量传给环境的热量反应热累积带入带入带出带出反应单元反应单元反应器反应单元带入量带

14、出量反应热累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度0全混釜全混釜(稳态稳态)整个反应器整个反应器0非稳态非稳态传给环境传给环境反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 第一节第一节 流动模型概述流动模型概述动量衡算方程气相流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算。但有时为了简化计算，常采用估算法。第二节第二节 理想流动反应器理想流动反应器3-3 间歇反应器特点: 1 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因

15、而排除了物质传递对反应的影响；了物质传递对反应的影响； 2 2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；虑器内的热量传递问题； 3 3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。同的反应时间。优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产产品生产 精细化工产品的生产精细化工产品的生产缺点缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定间歇反应器的数学描述间歇反应器的数学

16、描述 第二节第二节 理想流动反应器理想流动反应器对整个反应器进行物料衡算：)1 (00AAAAAAAxnndtdxndtdnVr流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反应量反应量 + + 累积量累积量00单位时间内反应量单位时间内反应量 = = 单位时间内消失量单位时间内消失量AfAfxAAAxAAArdxCrdxVnt0000AAAfCCAAxAAArdCrdxCt000等容过程，液相反应等容过程，液相反应间歇反应器的数学描述间歇反应器的数学描述 第二节第二节 理想流动反应器理想流动反应器 实际操作时间=反应时间(t) + 辅助时间 (t)反应体积反应体积V VR R是指反应物料在反应

17、器中所占的体积是指反应物料在反应器中所占的体积 V VR R=V(t+t)=V(t+t)1/rA xAt/CA01/rA CAt反应速率rA=kCArA=kCA2AACCkt0lnAfxAAArdxCt00Axkt11ln011AACCktAAAxxktC10AACCAArdCt0间歇反应器中的单反应间歇反应器中的单反应 第二节第二节 理想流动反应器理想流动反应器间歇反应器中的单反应间歇反应器中的单反应 第二节第二节 理想流动反应器理想流动反应器k k增大增大( (温度升高）温度升高）tt减少减少反应体积减小反应体积减小间歇反应器中的单反应间歇反应器中的单反应 第二节第二节 理想流动反应器理想

18、流动反应器2. 反应浓度反应浓度的影响的影响1. k的影响的影响零级反应：零级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0正比正比一级反应：一级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0无关无关二级反应：二级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0反比反比3. 残余浓度残余浓度零级反应：残余浓度随零级反应：残余浓度随t t直线下降直线下降一级反应：残余浓度随一级反应：残余浓度随t t逐渐下降逐渐下降二级反应：残余浓度随二级反应：残余浓度随t t慢慢下降慢慢下降反应后期的速度很小；反应机理的变化1. 连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间而变化；2. 径向速度均匀，径向也不存在

19、浓度分布；3. 反应物料具有相同的停留时间。3-4 平推流反应器平推流反应器 第二节理想流动反应器第二节理想流动反应器一一. 特点：特点：二二. 基本公式：基本公式： 第二节理想流动反应器第二节理想流动反应器流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反应量反应量 + + 累积量累积量0RAAAAAAdVrdxxCVxCV)1 ()1 (0000RAAAdVrdxCV00AfxAAARrdxCVV000二二. 基本公式：基本公式： 第二节理想流动反应器第二节理想流动反应器1. k与xA的关系等温时等温时k k为常数为常数2. V0与xA的关系等分子反应？变分子反应？等分子反应？变分子反应？3. 等容过程AfxAAARrdxCVV000与间歇反应器的公式相同与间歇反应器的公式相同二二. 等温平推流反应器的计算等温平推流反应器的计算 第二节理想流动反应器第二节理想流动反应器AfxAAARrdxCVV000)1 (0AAAxCCAfAfAxCCnAAnAnAARk