1、1第一章 绪 论本章所用学时数:2 学时。本章重点:冶金反应工程学的研究内容,研究方法。本章难点:冶金反应工程学的研究方法。一、冶金反应工程学的产生和发展1化学工程学的产生和发展(1) 化学工业除冶金外,还包括陶瓷、酿造、造纸、制碱、制酸、有机合成、石油化工等许多工业部门。相当长一段时间,它们被看作互不相关的部门独立地缓慢地发展着,技术的传授只能靠师傅的经验。(2) 后来,人们发现在各不相同的化工过程中,可以概括和抽象出一些共同的原理。系统研究这些过程的本质和共同规律,就促进了化学工程学的发展,形成一门独立的学科。(3) 五十年代中期以前,化学工程学还限于物理过程作为研究对象,即研究单元操作。
2、所谓单元操作是指具有共同的物理规律的操作过程。化学工厂可看作若干单元操作组成的系统。然而,单元操作不能解决有化学反应的过程。(4) 1957 年第一届欧洲化学工程学讨论会提出以研究化学反应过程为中心的化学反应工程学。所谓化学反应工程学,即将化学动力学和传递工程学相结合,以化学反应为中心的工程科学,研究对象是工业规模的反应器。(5) 近三十年来,随着石油化学工业各种催化反应被广泛应用和生产规模的大型化,对反应技术和反应器设计的要求日益提高,化学反应工程学有了迅速的发展。2冶金反应工程学的产生(1) 冶金工程的科学化是从三十年代把化学热力学引入冶金领域开始的,长期以来,冶金过程热力学的研究有了显著
3、的进展并对冶金工艺进步起了重要作用。热力学只解决过程的方向和限度,不描述反应的过程。(2) 化学动力学研究反应物质随时间变化的过程,但它从分子角度研究反应的速率和机理,所以是微观动力学。在其研究对象中,反应速率仅受温度、浓度和时间的影响,和装置的规模无关。2(3) 在工业规模反应器中,由于流动、传热、传质的影响,温度、浓度、反应时间的分布并不均匀,这必然影响化学反应的进行。在存在流动、传热、传质现象时研究化学反应速率和机理,称为宏观动力学。(4) 化学反应工程学正是研究流动、混合、传热、传质等宏观动力学因素对化学反应的影响。因此,借鉴化学反应工程学的概念和研究方法,提出了冶金反应工程学,这门学
4、科。3冶金反应工程学的发展(1) 在冶金方面由于其高温特点,反应速率大多受传质所控制,动力学研究和传输现象的关系更为密切。目前,冶金反应工程学和冶金过程动力学的研究是交叉进行的。(2) 日本学者鞭岩在本领域系统进行了研究并首先发表了名为“冶金反应工学”的专著,其他学者,如 F.Oeters 也开设了相近大案课程。他们一般应用传输现象理论和数学物理模拟技术分析冶金过程。(3) 八十年代以来,我国有更多冶金工作者认识到传输现象和反应工程在冶金研究中的重要性,已召开了多届冶金过程动力学和反应工程学学术讨论会,在喷射冶金、复合吹炼、连铸工艺等方面,也都做了一些基础研究工作。二、冶金反应工程学的内容和任
5、务1冶金反应工程研究内容和化学反应工程学基本相同,包括:(1) 研究反应器内的基本现象。研究反应器内反应动力学的控制环节,以及流动、传热、传质等宏观因素的特征和它们对反应速率的影响。(2) 研究反应器比拟放大设计。依据宏观动力学的规律,把实验装置科学地放大到工业规模,确定反应器的形状、大小和反应物达到的转化程度。(3) 过程优化。在给定的反应器工艺和设备条件及原料和产品条件(统称为约束条件)下,选择最合适大操作方法达到最好的生产目标。生产目标除产量、消耗、成本等因素外还包括环境、安全等。为运用最优化数学方法,把要达到的目标用函数形式表达,称为目标函数。(4) 反应器的动态特性。研究反应器的稳定
6、性和响应性,即当过程受到扰动后,过3程所发生的变化以及时间滞后情况,以找到有效的控制方法。2与一般的化工过程相比,冶金过程有自己的特点:(1) 高温过程,过程监控困难;(2) 高温过程,过程的限制环节是传质,最少涉及催化反应;(3) 冶金过程涉及大原料多,因此副反应多;(4) 冶金过程涉及的原料、熔渣的性质未完全测定;(5) 冶金产品不仅有成分要求,还有结构、夹杂等的要求;(6) 冶金炉的设计基本上靠经验。3根据冶金过程的特点,冶金反应工程学的任务主要有:(1) 解析冶金过程;(2) 优化操作工艺;(3) 过程控制。三、冶金反应工程学的研究方法1建立数学模型进行研究(1)反应器内发生现象的数学
7、描述:)流动过程:Navier Stokes 方程;)传热过程:Fourier 定律;)传质过程:Fick 定律;)化学反应:质量作用定律(2)建立数学模型时,要对整个体系或其中一部分进行质量、能量、动量的平衡计算,列出衡算方程。针对控制体,即衡算对象的空间范围,进行衡算。输入速率 输出速率 消耗速率 =积累速率整个体积宏观衡算。可以得到参量之间的关系式,实用性大。控制体可以取:微元体微分衡算。可以得到体内的温度、浓度和流速分布。要计算出上述衡算方程,还要给出方程系数、边界条件、初始条件42建立物理模型进行研究进行物理模型研究的原因:(1)由于高温测试手段颇不完备,对高温下的冶金反应器难以直接
8、观测,常需要用相似模型进行研究。即,用冷模型进行研究;(2)过程无法用数学模型描述时可以用物理模型研究,由因次分析方法给出对象的描述方程;(3)可以用物理模型检验数学模型。第二章 冶金工程动力学本章所用学时:4 学时。本章重点:均相反应速率方程参数的确定,流-固相反应动力学。本章难点:粒径不断缩小的未反应核模型。第一节 化学反应过程的速率一、化学反应的分类1按相分类均相反应:气相反应、液相反应;非均相反应:气-固相、液-固相、气-液相、液- 液相和固-固反应。2按反应分类(1)单一反应:AR(2)串联反应:ARS(3)并联反应:A(4)可逆反应:A R3按反应条件分类(1)等温与变温反应(2)
9、等压与变压反应(3)恒容与变容反应RS5二、化学反应的速率1定义:单位时间单位体积反应物消耗量产物生成量称为反应速率。对于均相反应 aA+bBrR+qQdtVnrA恒容时: C2反应速率与浓度的关系(1)基元反应:反应物分子通过碰撞一步成为生成物的反应基元反应的速率过程用质量作用定律描述:aA+bBrR+qQ基元反应: bBaACkr(2) 非基元反应:由基元反应构成的反应,其反应机理不一定都已研究过。aA+bBrR+qQ其反应速率方程可由指数方程的形式给出: BAkrk、 用实验测定,随实验条件而变。其中, 称为反应级数。n3反应速率与温度的关系可以用 Arrhenius 的经验式表示:k=
10、Ae-E/RT 。其中,活化能 E 越大,反应对温度的越敏感。第二节 均相反应动力学均相反应可以按以下方法考虑反应条件均相反应 等 温 恒 压等 温 恒 容气 相 反 应液 相 反 应 : 等 温 恒 容但是,为了简化,以下讨论均按等温恒容反应考虑,所使用的速率式均是针对间歇反应器:一、单一反应的速率式:AR6如果是一级反应,速率式为: AAkCdtr如果,初始浓度为 CA0,则可积分如下: Akt0为其速率方程。)ln(0ACt其中, 称为未转化率,而转化率可表示为: 。0AC 0ACX二、串联反应的速率式: QRkk 21如果,串联反应的两步反应都是一级反应: AAdtCr1RARkt21
11、RQCdtr2假设初始条件为:C R0=CQ0=0,可得浓度随时间的变化式: ktAe0)(21012tktRCkRAQ0串联反应的重要特点是中间产物存在峰值,峰值出现的时间和峰值浓度如下式所示: 12max)ln(kt20axCAR三、并联反应的速率式: 7如果,并联反应中的两个反应都为一级反应: AACkdtr21ARCkdtr1AQt2假设 CR0=CQ0=0积分得: tkAe)(021)(0210 21tkAReC)(0210 21tkAQkC特点: 20QR四、可逆反应的速率式: RAk 21都是一级反应: RAACdtr21假设 CR0=0,C R=CA0-CA,则: 0221)(
12、Akkt反应平衡时: 0dtA求得平衡浓度为: 021AAeCk其中,平衡常数为: 2K8求得 CAt 的关系式为: ln)1(0AeCtKk第三节 均相反应速率方程参数的确定一、确定均相反应速率方程参数的步骤:分两步:(1)在固定温度下确定反应速率与浓度的关系,求出反应级数;(2)在不同温度求出速率常反与温度的关系,求出速率常数。实验方法可以分为两类,即间歇法和连续法:(1)间歇法:在一个固定容积的反应器中,使事先加入的反应物在一定温度下进行反应,测定其中一个特定成分的浓度随时间变化的情况。(2)连续法:用连续加料,连续出料的反应器进行实验,一般使反应器在稳定状况下操作。二、简单反应的解析1
13、、积分法首先,假定速率式;然后,得出 CAt 关系的积分式;最后,由实验数据检验假定是否正确。对于 AR 反应:速率式为: nAAkCdt若为 0 级反应,积分式为:kt=C A0-CA若为 1 级反应,积分式为: ln0kt若为 2 级反应,积分式为: 01ACt若为 n 级反应,积分式为: 1)(01nktAn如果 CAt 关系经实测为直线,则为 0 级反应;如果(lnCA)t 为直线关系,则为1 级反应;如果(1/CA)t 为直线关系,则为 2 级反应,如此类推。2、微分法9由实验测得 CAt 的变化曲线,在 CAt 曲线上可测得: t 曲线,对dCA关系式两边,取对数,可得:nAkdt
14、 AACnkdtClogl)log(用 log( )logC A 作图得一直线,斜率为 n,截距为 logk。dtCA3、半衰期法XA=0.5 时对应的反应时间称为半衰期 t1/2半衰期其实是积分法的具体应用,但是其测定方法简单,准确。由积分式可得半衰期公式 nAnACktktC1021210)(IlI)5.(01级级级级作图: 得一条直线,斜率为(1n) ,由此可以得到反应级数和速率ACtlogl21常数。三、复合反应的解析复合反应:两个以上反应同时发生的反应。1、积分法利用各个反应的特点:并联反应:各个反应级数相同时,两产物的浓度存在以下关系: 210kCQR串联反应:中间产物存在峰值浓度
15、,根据峰值的出现时间和峰值的大小,可以求出反应级数和速率常数。2、微分法例:有这样的复合反应: ,BAk 1 Rk210BABACkdtC21由实验测得 的 关 系 曲 线的 关 系 曲 线tBA还可测得速率曲线: 的 关 系 曲 线的 关 系 曲 线tdCBA由这两组方程可以求出 k1 和 k2第四节 流固相反应动力学对于非均相反应过程要考虑反应动力学和流体中的传质现象。反应动力学: dtnAr1流体中的传质: )(0AsfCkj建立反应速率方程,需要选择合适的流一固相反应模型,具体的反应模型如下: 型粒 径 不 变 的 未 反 应 核 模 型粒 径 不 断 缩 小 的 未 核 模整 体 反
16、 应 模 型未 反 应 核 模 型其中,未反应核模型设想流体先在固体表面发生反应,随着过程的进行,反应逐渐向内部发展而成为一个逐渐缩小的未反应核。由于生成物性质不同,有的固体粒子大小不变,有的大小改变。整体反应模型设想流体同时进入整个固体颗粒,并在颗粒内部各处同时发生反应。这种模型称为拟均相模型,适用多孔固体。一、粒径不变的收缩核模型以气一固反应为例:A(g)+bB(s)rR(g)+qQ(S)反应步骤为:(1)气体反应物 A 通过气膜扩散到固体表面;(2)A 通过灰层(固体产物层)扩散到未反应核的表面;(3)A 与固体 B 在未反应核表面进行反应;11(4)生成的气相产物 R 通过灰层扩散到粒
17、子表面;(5)生成的气相产物 R 通过气膜扩散到气体本体中。反应的控制步骤不同,则反应的速率式也不同。1、流体膜控制时的速率为:此时,反应的速率式可表示为: )(0ASffACakj其中,a S 为粒子的比表面积。经一定推导(在以前冶金物化中已学过)后,可以得到反应物 B 的转化率和时间的关系。 BAfmcAfmXCbkrrCbkt 0300)(13为反应完了时间。0Aft2、固体产物层中扩散控制时的速率式此时,反应的速率式可表示为: drCaDjASS其中,a S 为未反应核的比表面积。假定 JS 不随 r 变化,得: )(302cAcrCsJs经一定推导(在以前冶金物化中已学过)后,可以得
18、到反应物 B 的转化率和时间的关系。 )1(2)1(33BBXt为反应完了时间。02AmCDsbrt3、未反应核界面化学反应控制时的速率式:设为未反应核界面发生的反应为一级反应,则可得速率式为:12AosBACsakdtVbnr经一定推导(在以前冶金物化中已学过)后,可以得到反应物 B 的转化率和时间的关系。 ocBrtXt113为反应完了时间。AomCbkrt二、变化粒径的收缩模型粒子反应后没有产物层,随反应进行粒子不断缩小,这是适用的模型是变化粒径的收缩核模型。同样,反应的限制环节不同,反应速率式也不相同。1、界面化学反应控制时:和粒径不变时的情况一样。2、流体膜中的扩散成为限制环节时的速
19、率式: oAfmCkbdtr讨论:k f 随粒子半径变化而变化。当气相中 A 组分的分率为 y 时,代表 kf 的无量纲数 Sh 可用下式求得: 2131216.0Re6.02 udDScDydKSh pPf对于小粒子,只考虑前项: .hyrdkfp对于大粒子,只考虑后项: 213Re6.0Sc2121ruKkpf对于小粒子,可以列出速率式: AomCryDbdt为小粒子时转化率随时间的变化关系。1123220 BAomXtrcCbDyt 13为反应完了时间。AomDCbyrt220对于大粒子,可以列出速率式: AOmCruKdtr21为大粒子时转化率随时间的变化关系。1132212330 B
20、AomXtrcuCKbt 为反应完了时间。2132UCKbyrtAo, 为无因次时间。Bxt三、整体反应模型流体同时进入粒子内部各处,并同时发生反应称为整体反应模型。适用:疏松多孔的粒子对于球形粒子,在 球壳微元作衡算,可得如下微分方程。drAAsArCrDtC2根据上述微分方程,由初始条件及边界条件可以求出方程的解。四、控制步骤的判定1、改变温度判断。化学反应控制时对温度的敏感程度远大于其他情况。下图表示温度对各种控制步骤的影响。142、作图判断。作两种图,即: 图和 图ocrBX若 ,反应控制;roc若 ,流体膜控制;BX若两个图均不成比例,灰层控制。3、t 与粒径的比例关系判断。时,流体
21、膜控制,且 Re 增大,指数减小;0.251r时,灰层控制;.t时,化学反应控制。r4、根据粒子表面是否形成灰层判断。当粒子表面形成坚实的灰层时,流体通过这一层的阻力远大于流体膜阻力,因而当粒子灰层不剥落时,流体膜阻力可以忽略。灰层阻力与流体流动速率的变化也无关。第五节 气一液相反应动力学 液 反 应 。即 气伴 随 化 学 反 应 的 吸 收 ,化 学 吸 收 液 体 中 的 吸 收物 理 吸 收 : 气 体 溶 解 到吸 收 :一、物理吸收物理吸收过程包括:气膜扩散、气-液界面的吸收和液膜扩散过程,各自的描述方15程如下。气膜扩散: igigPkPDj 液膜扩散: lillil CCj亨利
22、定律: iiPH.假设传质处于稳态,可以把上面三式中不好测的表面浓度和分压消去,得到下式: llgCKpj *)(其中,p*代表和液相主体浓度平衡的气相分压。而总传质系数可以计算如下:lgKH1lglKH1二、化学吸收化学吸收时,气相侧扩散和物理吸收一样,而在液体中则完全不同,液相侧的扩散和化学反应交叉进行。根据反应快慢可分为:1、化学反应可忽略的吸收,可视为物理吸收:这种吸收的首要条件是, 。其中,k 为反应速率常数; 为反应物在反应1器内的停留时间。2、缓慢的化学吸收判断条件为: 在 液 相 边 界 层 中 进 行 。缓 慢 的 化 学 吸 收 。在 液 相 主 体 中 进 行 , 为12
23、lkDM若为缓慢的化学吸收,限制环节为液相主体中的反应。对于这一种吸收,强化反应的办法为:加大反应器的体积3、快速的化学吸收反应判断条件为: kM一般在液膜表面或其内部某一面上进行反应,在液膜扩散的同时反应。16对于一般的化学吸收,可引入一个无因次数,八田数,就可以利用物理吸收的公式计算化学吸收的问题,其定义如下: 物 理 吸 收 的 传 质 系 数化 学 吸 收 的 膜 传 质 系 数_liK和化学反应速度常数 k 的关系见下式:不可逆一级反应: thrlABokDC最后,可得考虑了化学吸收后的总传质系数计算公式:lgkHkK1lglkHK1第三章 理想反应器本章所用学时:4 学时。本章重点
24、:理想反应器模型,理想反应器的组合。本章难点:理想反应器模型式的推导。第一节 反应器的分类及概述一、接操作的连续性分类1间歇操作反应器,在反应进行前一次加料,到一定时的卸料,反应过程不出料也不加料。2连续操作反应器,连续加进反应物,同时连续取出反应产物而通过控制进出料的量保持操作稳定和不产生积累。3半连续操作反应器,往反应器中连续加入一种反应物,或连续取出一种反应产物,其余物料在反应结束后一次取出。二、按相分类17 错 流逆 流顺 流两 相 流单 相 流参 加 反 应 的 相 数 分 类非 均 相 反 应 器 : 按 实 际均 相 反 应 器三、按设备外形分类,对于塔形反应器还可按下述方法分类
25、。釜 形 反 应 器塔 形 反 应 器管 形 反 应 器其中,固定床和移动床统称为填充床。流 化 床移 动 床固 定 床 .按设备外形,还可以分为:反应器卧 式立 式四、按温度条件分类 变 温等 温或 外 部 换 热自 身 换 热或蓄 热 式 反 应 器绝 热 式 反 应 器第二节 反应器的设计一、设计原则1、步骤:首先,要决定最适宜的尺寸;其次,采用什么样的操作。2、依据: 动力学研究为确定反应器尺寸提供基础数据,但由于工业规模反应器中的温度、浓度和流动等不均匀,故必须将动力学研究与传递、流动和混合等现象结合考虑,才能18符合实际,使设计合理。3、出发点:物料衡算式是反应器设计的出发点。物料
26、衡算式如下:反应物流入反应器的速率 =反应物流出反应器的速率 +反应消耗速率 +积累速率反应器内浓度均匀分布时,可取整个反应器进行衡算,如不均匀,则需取微元体衡算。若系非等温操作,应考虑热量衡算。二、停留时间1、间歇反应器:用反应时间代表停留时间,反应时间是指实际反应开始到反应进行到某一时刻为止。2、流通式反应器:采用空间时间 ,空间速度 SV,平均停留时间 来代表停留时间。空间时间:物理意义是 时间通过反应器入口进入反应器 的物料体积相当于一个反应器的容积。 0QVR加 料 的 体 积 流 率反 应 器 容 积空间速度 SV:物理意义是每单位时间进料量相当于 SV 个反应器的容积。空间速度是
27、空间时间的倒数。 1SV平均停留时间:也用 表示。 QR物 料 的 体 积 流 率反 应 器 容 积恒容时,空间时间等于平均停留时间。三、理想反应器的概念1、两种理想流动活塞流:所有流体按顺序流过反应器,没有轴向混合,径向分布均匀。完全混合流:流体一进入反应器就和反应器内物料完全混合均匀。2、理想反应器:反应器内流动和混合属于理想流动的反应器称为理想反应器。19完 全 混 合 流 反 应 器活 塞 流 反 应 器流 通 式 理 想 反 应 器间 歇 式 理 想 反 应 器(1)间歇式反应器的特点:反应物一次加入反应器内,并立即混合均匀,到一定时间将反应产物取出。(2)活塞流反应器的特点:沿流动
28、方向没有混合,所有流体微元在反应器内停留时间是相等的。(3)完全混合流反应器的特点:反应器内物料混合均匀,排出的物料组成和反应器内的物料组成完全一致。四、理想反应器的模型1、间歇式反应器模型通过物料衡算可以得到:20dtVXntrRAA0为基础设计式XRArnt0若是等温恒容反应,即密度不变时,则有:或XArdCt0ACt0若反应为一级反应,将 代入上式:AkrAXkt1lnl10由此得到一个重要结论,在间歇反应器中,反应物达到一定转化率所需时间只与反应速率有关,或者说当反应速率一定时,时间 t 只与要求的转化率有关,而与反应器体积无关。因此,只需使反应器的温度、搅拌程度相同,就可将实验结果高
29、倍放大,由反应时间可算出反应器的体积。间歇反应器的模型式可用下图表示:例 1:对于间歇反应器,发生一级不可逆反应,是等温恒容反应,rA=kCA,k=0.04min -1,试求 20min 时的转化率。解: AAA XXXAXR kdCdrdCVrdnt 0000 )1(Akt1ln21AX1ln04.25A例 2:对于间歇反应器,在溶液中 A 物质有反应: rA=kCA,k=0.80h -1,A 的转化率为 0.92,日处理量为 500t,溶液密度为 1100kgm-3,每批生产时间为 1h,求反应器体积。解: AXkt1lnht4.97.0l8.小时处理的溶液体积: 13241.50m反应器
30、体积:18.9(4.4+1)=102m 32、完全混合流反应器模型假设反应器内处于稳态,没有积累项,且是一个等温恒容过程: ARAArVCQ00为衡容时的设计式。ARrV0ARrXQ0ARCV0为一般情况下的设计式。ArXC0rACA 的关系图和 rAXA 的关系图如下:22摩尔流率的定义为:F A0=Q0CA0为一般情况下的设计式ARrXFV0对于等温恒容过程: ARrCQ0已知 rA 时,由要求的 CA 可求出空间时间 。对于一级不可逆反应,r A=kCA。 ARkrCQV0由此可得,一级不可逆反应时,C A 和 XA 与 的关系:和kC10k1例 3:已知全混流反应器,体积为 0.2m3
31、,溶液体积流率为 0.01m3S-1,其中反应物A 的初始浓度为 0.01kmolm-3,反应为 rA=kCA,k=0.05S -1,求 A 的去除率。解: kX120.0QVR51A3、活塞流反应器模型假设反应器处于稳态,没有积累项。在反应器内取体积微元 dVR,微元中的转化率为 dXA。对于 dVR 进行物料衡算,可知:23输入项:FA=F 0(1X A) ;输出项:F A+dFA=FA0(1X AdX A) ;反应消耗项:r AdVR;建立的衡算式为:F A0dXA=rAdVR 。然后,积分可得:为一般情况下的设计式。AXRrFV0其中,F A0=Q0CA0,则有:也为一般情况下的设计式
32、。AXARrdQ00对于等温恒容过程,上式可变为:这就是等温恒容时的设计式。ACrd0活塞流反应器的模型式图解如下:和例 4:已知活塞流反应器体积为 0.2m3,溶液体积溶液为 0.01m3S-1,其中反应物 A的初始浓度为 0.01kmolm-3,反应速率式为 rA=kCA,k=0.05S -1,求 A 的去除率。解: AAOAOXkkdC1lnl1 ARQVl05.2.024求得: 632.0AX第三节 理想反应器的组合一、理想反应器的串联几个金混流反应器的串联时,浓度和转化率的变化见下图。假设反应器内发生的过程是等温恒容过程。对第 i 级反应器进行衡算:iAOii VrQC1AiiV10
33、假设反应器内的反应均为一级不可逆反应, 。iikr则可得递推式为: 。iiC1由此可得出口浓度为: 。nionkk1各反应器内转化率的变化见下图:25由上图可见,采用多个全混流反应器后,其效率接近于活塞流反应器,当反应器数目为无限时,全混流反应器的串联所达到的效果就是活塞流反应器。二、循环反应器1、采用循环反应器的目的: (1)控制反应物,反应温度;(2)回收部分热量;(3)使物料的反应器内有一定的停留时间。2、设计式循环反应器的示意图见下图:假设 Q1=Q0+Q3新料比: 1加料循环比: 1013Q整个循环反应器的空间时间: ORV反应器实际的空间时间: 1QR在入口处,对 A 组分衡算:2
34、631AAoACQCQ可以得到: 3311 Ao由: 23A则,可得: 。1oC针对活塞流反应器: 21ACrd则, 21ACrd已知 ,由上式可求 ,即反应器体积。AAoXC2例如,反应器内为一级反应,即: ,代入上式可得:Akr2121AACCdd则, kAe2koAC22最终可得: koAAe2另一个重要参数为,出料循环比: 23Q0 视为活塞流, 视为全混流反应器。三、反应器的比较和选择1、理想反应器和实际反应器的关系:有差别,但有指导作用。2、反应器型式的选择反应器型式,可以分为:间歇式或流通式;27等温或变温;串联、并联或循环式等等。选择时考虑的因素:反应本身的动力学特征;生产规模
35、;操作的经济性;经济上合理性、技术上先进性。3、不同反应器比较间歇式应器和活塞流反应器的比较:设计式类似,达到相同转化率所需反应器体积一样,但一个间歇式反应器操作有一个非生产时间,所以实际上活塞流反应器的效率要高一些,在安全、成本允许的情况下应选择活塞流反应器。全混流和活塞流反应器全混流反应器的体积比活塞流反应器的体积要大得多,且随着以下因素的两者体积差别扩大:转化率 ;1AX膨胀率: 扩大;0AxV反应级数增大。所以,应采用活塞流反应器,以提高效率,但有些反应要求反应器内充分搅拌,这时应采用多个全混流反应器的串联,以达到接近活塞流反应器的效率。第四章 非理想均相反应器本章所用学时:4 学时。
36、本章重点:C 曲线,F 曲线,管型反应器的扩散模型,多釜串联模型。本章难点:管型反应器的扩散模型,多釜串联模型。返混:不同时加入反应器的分子产生的混合。28第一节 研究方法1、集合中参数分布的概念:在大量个体的集合中,具有集一参数值的个体所占分率的变化。在反应工程学中,主要针对:反应物分子在反应器内停留时间。在工程上一般采用“刺激一响应”实验法,其方法是刺激某一系统,观察该系统如何响应这一刺激信号。具体到冶金和化工上,采用:加示踪剂于反应器入口流测出口流冲示踪剂浓度变化的方法。示踪剂加入法示踪剂加入后,响应曲线的特征简要介绍如下:脉冲加入管式反应器(流通式)管式反应器(流通式)间歇式反应器阶跃
37、加入管式反应器在水溶液中用:染色剂、发光物质、电解质(KCL)在高温熔体中用:放射性同位素,加入溶体中不存在的元素脉冲加入阶跃加入理想流动(活塞流) ,响应曲线见图1。非理想流动,响应曲线见图 2。理想流动(全混流) ,响应曲线见图 3。非理想流动,响应曲线见图 4。理想流动:示踪剂进入反应器立即混合均匀,达到一定浓度不再变化。非理想流动:大多数地点示踪剂浓度低于平均浓度,少数地点则高于平均值。理想流动(活塞流) ,响应曲线见图 5。非理想流动,响应曲线见图 6。29图 1 图 2图 3 图 4图 5 图 62、停留时间分布函数(1)停留时间分布函数:E (t)函数E(t)dt:代表出口流中在
38、系统中停留时间为 tt+dt 的分子所占分率。111 )(0: 1t totodEdtdt 的 分 子 所 占 分 率布 反 应 器 内 停 留 时 间特 性 :(2)停留时间分布函数:F(t)函数30F(t)函数:出口流中在反应器内停留时间小于 t 的分子所占分率。特性: todE, 1)(Fdt(3)平均停留时间 otEt(恒容反应)0AQVtR(4)无因次停留时间: t特性: dtEtFdE第二节 响应曲线的类型一、 函数和阶跃函数1、反应器内若为理想活塞流时入口输入讯号=出口的响应讯号入口为脉冲加入 出口为 函数入口为阶跃加入 出口为阶跃函数2、 函数:表示脉冲特性的不连续函数,是一种特殊的分布函数其函数值集中于数学期望,而方差为 0。表达式: