chapter05-ideal reactor (experimental reactor)-2

第五章 理想反应器/试验研究用反应器 余 皓 华南理工大学化学与化工学院 Tel: 15918573970 yuhao@scut.edu.cn 理想反应器的 基本类型  BSTR和CSTR，反应器内不存在任何梯度，各处的温度、 浓度完全相同  进入CSTR的流体在瞬间与釜内流体达到完全混合，即混合 时间为0  进入PFR的流体在瞬间达致径向上的完全混合，即径向上的 分散系数无穷大，在流动方向上存在由于流动和反应造成的 浓度梯度，但不存在轴向的返混，即轴向分散系数为0 BSTR CSTR PFR 非理想流动 返混：流速分布、扩散、湍流；停留时间分布 混合：混合尺度；接触 实际反应器流动形式的复杂性 u 沟 流 回 流 存在速度分布 存在死区和短路现象 存在沟流和回流 偏离理想流动模式，反应结果与理想反应器的计算值具有 较大的差异。 Dead zone Short circuiting 实际流动与PFR的偏离(轴向返混) 与CSTR的偏离 1. 并行流存 在速度分布 2. 存在分子 热运动 V Distribution Laminar Eddy涡流 H2 空气 T T0 热反馈Q Q=0 Q = Q T T0 L U=300m/s D分子=10 -5 m2/s ∧分子= Cpρ D分子 离子反应 生化反应 Dispersion 胃 曝气池 CSTR 非CSTR short circuit Piston flow Stagnant region 影响反应结果的三大要素： a) 停留时间分布（residence time distribution, RTD） b) 凝集态（state of aggregation） c) 早混或迟混（earliness and lateness of mixing） RTD对反应的影响 平均停留时间为 vVt / 实际停留时间ti不尽相同，转化率x1, x2, …, x5亦不相同。出口转化 率应为5个质点转化率的平均值，即 Nxx N i iA    1 Injection Detection (1) 停留时间分布函数F(t) F(t)函数定义为t=0时刻进入反应器的流体微元，在小于t 时刻离开反应器流体质点数占总示踪流体质点数的分率， 即     0 00 )( )( )( dttCv dttCv N dtn tF tt   (2) 停留时间分布密度函数 E(t) E(t)定义为在t=0时刻进入反应器的流体微元，在t时离 开反应器的概率，即    0 )( )( )( dttCv tCv N n tE   式中： — 摩尔流率，mol/s — 体积流率，m3/s — 总摩尔量，mol — t时刻的浓度，mol/m3 E(t)是一个量纲量，单位常取s-1 n v N )(tC 理想流动反应器的停留时间分布RTD dCVdttvC R)( tteCC  0 t=0:CB0,脉冲 t t R T D CSTR PF 流动存在径向分布的RTD u=u 0 [1-(r/R) 2 ]     2 0 2 0 2 2 0 2 0 3 2 0 3 2 / 2 1 1 / 2 2 2 ( ) dv rudr v R u L L dt d d u u r R t r dt dr t R tdv dt v t t E t t                    R T D t PF Laminar Flow 通过实验确定RTD 示踪技术 示踪剂：易于通过光学、电导、放射性、热导率等检测 脉冲实验和阶跃实验 t=0 阶跃输入 t<0 无示踪剂 t>0 m[kg/s] 出口 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 进口物流中瞬时 注入M单位示踪剂 记录出口示踪剂浓度 计算曲线下面积 计算平均停留时间 容器体积 脉冲实验 C tt 0 反应器, VR 示踪剂注入 出口检测 t 0c c 响应曲线 tt 01.0    00 )( )( )( )( )( dttc tc dttcv tcv tE   应满足 阶跃实验 C tt 0 反应器，VR t 0c c F(t) 0C F曲线是出口浓度的无因次形式 0 0 ( ) ( ) ( ) vc t c t F t vc c   dt tdF tE )( )(  数学期望 定义 E曲线下面积的重心在横轴上的投影    000 )()()(ˆ dtttEdttEdtttEt tˆ )(tE t 重心 还有 1 0 0 0 ˆ ( ) ( ) [1 ( )]t tE t dt tdF t F t dt         老流体 方差 描述E曲线的宽度          0 2 0 0 2 2 )()( )( )()( dttEtt dttE dttEtt  积分 2 2 2 2 2 0 0 ( 2 ) ( ) ( )t tt t E t dt t E t dt t         或 2 1 0 2 0 222 )()( ttdFttdttEt         1 0 0 2 1 0 2 )](1[2)1()( dttFtFdttdFt    0 22 )](1[2 tdttFt 定义 分部积分 故 对离散数据        1 00 0 0 )()( )( )( ttdFdtttE dttE dtttE t 1 1 1 0 0 0 0 0 ( ) (1 ) (1 ) | [1 ( )] [1 ( )]tdF t td F t F F t dt F t dt                  i ii Ftt   i ii tFt )1( 平均停留时间 积分 或者 )(tF t dF dt t   0 )( dttF 图解 用停留时间分布诊断反应器不正常流动 窄而对称的曲线 说明流型正常 均值与 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 观 平均停留 时间相同 不应拖尾 RTD提前说明存在死区 均值早于表观 平均停留时间 通常有拖尾 出现多个等时间间隔的峰， 说明存在强烈的内循环 双峰往往由于沟流 快速流体 慢速流体 RTD推迟 均值晚于 表观平均 停留时间 流速或体积测量有误； 示踪剂在反应器发生了反应或吸附； 反应器出入口有返混。 用停留时间分布诊断反应器不正常流动 流型正常 指数衰减 均值与表观 平均停留 时间相同 延时： 反应器具有平推 流特性。 出入口的管线 是否太长？ 存在缓慢的内循环 混合不当 RTD提前说明存在死区 均值早于表观 平均停留时间 RTD推迟： 流速或体积测量有误； 示踪剂选择不当 均值晚于 表观平均 停留时间 存在短路时出现一个 提前的尖锐峰 互不相混的流体微元在反应器中经历不同的历程 反应器可以等效为一系列不同长度PFR的并联 Ax 非理想流动反应器的转化率 反应物在出口 的平均浓度 某一停留时间 在t~t+dt间微 元中所含反应 物的浓度 出口物流中 停留时间在 t~t+dt间微元 的比例 所有出 口微元 计算方法  1 0 )()( tdFtxx AA   0 )()( dttEtxx AA 或 对任何反应器，只要已知动力学和停留时间分布，就可以 依上式计算转化率 C tt 0 t )(tE 例1: CSTR   t etE   1 )( 二级反应 tkC tkC tx A A 0 0 1 )(         0 0 0 1 1 dte tkC tkC X t A A   例2: PFR    0 0 0 1 )()()( A A kC kC xdtttxX     例：在某一实际流动反应器内进行等容一级反应A  P， k ＝0.03 s-1，现测得脉冲示踪时出口的浓度相应为： t (s) 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 c (g/m3) 2.0 7.5 9.1 8.0 5.8 3.7 2.3 1.5 0.8 0.5 试求反应器出口的平均转化率？ 解：本征动力学方程 kt A ex 1 停留时间分布函数：    ittc tc tE )( )( )( ][102 2.41 4195 )( )( s tc tct t i ii    ][2393102 2.41 527250 )( )( 222 2 2 st tc tct i ii     平均转化率为：   ttEtxx AA )()( )(txA )(tE ttExA )( t 25 50 75 100 ….. 250 0.5276 0.7769 0.8946 0.9502 …. 0.9994 0.0019 0.0073 0.0088 0.0078 ….. 0.0005 0.0256 0.1414 0.1976 0.1845 …. 0.0121 8988.0)()(  ttEtxx AA 1 0.953kAx e   若为PFR： 非理想流动—多釜串联模型  把一真实反应器分解成N个等容积的全混釜区 0v 0v V 1 2 3 N C tt 0 N=1 )(E 1 1 2 2 5 10 20 2 2 2 1  t N  非理想流动－二维扩散模型 流体速度沿径向为均匀分布 仅在轴线方向上存在总体流动 Da及Dr不随径向位置r和距示踪源 距离Z变化 Da和Dr取决于分子扩散、湍流扩 散 二维扩散模型 0 2 2                 Z C u r C r rr D Z C D g r a                     )0(0,0 0 0 00 0 CCrZ CZ r C Rr r C r 柱坐标系 特例：Dr＝0 一维轴向扩散模型 无因次形式 R r  RD ZD a r 2 1 2 1  2 1 2 1 2 ra g DD RU  C C 0                      2 1 2 2                   0 01 00      二维扩散模型的解    0 )( exp)( 0 222 0 22 0            for KKJ KKJ n nn nn    0 )( exp)( 0 222 0 22 0            for KKJ KKJ n nn nn 常用来测定轴、径向扩散系数 Kn为满足1阶Bessel函数J1(Kn)=0的第n个根 聚集态的影响 理想反应器假定混合为分子尺度，实际工程难以达到，如 结团 弥散 两种体系的反应程度显然应该是不 同的。 工程中，尽量改善体系的分散尺度，以达到最有效的混合， 从而改善反应效果。 鼓泡 气体 液体 喷 雾 xAf (CA1+CA2)/2 宏观流体和微观流体的反应特性 N级反应 n A Ar kC   1 2 2 n n A A A C C r k    1 2 2 n A A A C C r k              2/ 2/ 21 21 n A n A n AA A A CC CC X x    宏观流体 微观流体 当n=1, x/X=1 CA1 CA2 宏观流体 微观流体 0/A AC C 0Ak C n=0 0/A AC C 02 Ak C n=0.5 0/A AC C 02 Ak C n=2 0级反应 Ar k  0 0 00 1 1 ACt k A A kt k X e dt e C C                 通常有: n>1, xmacro>xmicro; n<1, xmacro 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。将一平推流反应器与一全混流反 应器串联，分两种情况： a) 平推流在前，b) 全混流在前。 2V V1 1V V2 )(tE t2    t e 2 2 两种情况的停留时间分布函数是相同的（V1=V2）： 2 2 )( 2        tetE t 当反应为一级反应，线性动力学，a)和b)的转化率是相同的；     2/1 2/exp 1 21 2exp 1 Da Da k k xA         kDa 其中： 而当反应为二级时，即为非线性动力学，过程的转化率与 混合后的顺序有关，定量地， 22 AA ckr  ， 02 AckDaI  则有： DaI DaIDaI xA )2/1(211 1   2/)2/11( 211 1 DaIDaIDaI DaI xA    for case a) for case b) 试验研究用反应器的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗  催化反应总伴随着传递现象，这些传递过程 会对总包反应动力学造成不可忽视的影响  排除一切温度和浓度梯度  例外：  前期的优化工作已经给出了催化剂的最优形状 ，在保证流体力学相似的情况下亦可在存在浓 度和温度梯度的情况下去测量宏观动力学。  采用具有理想的流动形式的反应器会使得数 据的处理变得较为容易 相间和相内浓度、温度梯度 反应器的选择  气固催化  固定床，满足以下条件可以当作PFR  D/dp > 10；  L/dp > 100；  流速不高的液固体系，L/dp > 102～3。  液固催化  浆态床，通常可忽略温度梯度  气液固催化  滴流床，传质复杂 消除温度、浓度梯度  微分反应器  各点反应速率相同。总转化率通常≤5%  反应热效应，将催化剂用惰性的固体加以稀释  计算简单  缺点：  低转化率使得组分 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 变得很困难  研究一定转化率水平下的催化剂行为，需要配气  积分反应器 无梯度反应器  CSTR是无梯度的，要求充分混合  通过循环实现极大返混  避免使用外部泵，内循环  转篮式 Wc at F0, C0 FR Ff , Cf Ci 需注意的问题  过高的转速有可能造成液固相体系中催化剂 的离析，并非转速越高越好  流体应充分地穿过催化剂层  轴附近的催化剂颗粒与位于转篮翼末的催化 剂颗粒可能有不同的性能 高通量催化剂研究策略  分析技术的进步允许 快速的表征和分析  利用黑箱方法进行大 量筛选，100样／天  基于大量实验的合理 的关联 并行方法催化剂试验 并行催化剂开发 气固相催化试验 高 压 平 行 反 应 器 试验研究用反应器的选择  Critical reading  Valera FE et al. The Flows the Thing…Or Is It? Assessing the Merits of Homogeneous Reactions in Flask and Flow. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49:2478  混合时间？  热效应？  传递？  放大？ 习题  为测定一流化床反应 器中的气体扩散系数， 进行氢气稳态示踪实 验。在不同表观气体 速度（m/s)下测得试 验数据（C/C0)如下， 所用反应器直径 280mm。  请给出该反应器中的 轴、径向气体扩散系 数。 Gas distributor Cyclone Hydrogen Gas collector 2 0 0 m m r/R 0.34 r/R 0.22 r/R 0.17 r/R 0.086 r/R 0.057 1 0.662 1 0.737 1 1.025 0.855 0.948 1 0.970 0.9 0.858 0.9 0.905 0.9 0.825 0.755 1.119 0.9 1.002 0.8 0.745 0.8 0.666 0.8 0.989 0.655 1.073 0.8 1.061 0.7 0.699 0.7 0.646 0.7 0.771 0.555 1.000 0.6 1.062 0.6 1.147 0.6 0.782 0.6 0.872 0.455 0.942 0.4 1.168 0.3 1.728 0.3 1.697 0.3 1.321 0.300 1.446 0.2 1.103 0.1 2.728 0.1 2.690 0.1 1.559 0.100 1.504 0.1 1.107 0 4.318 0 3.808 0 2.215 0.000 1.370 0 1.120