第一章_反应器基本理论1.ppt

Re又为雷诺数（Reynolds number）的数学符号，一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。公式为：Re=ρvd/η，其中v、ρ、η分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。例如流体流过圆形管道，则d为管道直径。利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。例如，对于小球在流体中的流动，当Re比“1”小得多时，其阻力f=6πrηv（称为斯托克斯公式），当Re比“1”大得多时，f′=0.2πr2v2而与η无关。 　　雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流（也称湍流）流动状态，一般管道雷诺数Re2000为层流状态，Re4000为紊流状态，Re=2000～4000为过渡状态[2]。在不同的流动状态下，流体的运动规律．流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速υ与最大流速υmax的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。 质量作用定律 19世纪中期，德贝格和 瓦格提出：化学反应速率与反应物的有效质量成正比。此即质量作用定律，其中的有效质量实际是指浓度。近代实验证明，质量作用定律只适用于基元反应，因此该定律可以更严格完整地表述为：基元反应的反应速率与各反应物的浓度的幂的乘积成正比，其中各反应物的浓度的幂的指数即为基元反应方程式中该反应物化学计量数的绝对值。如对基元反应NO2+CO=CO2+NO，其速率方程式可根据质量作用定律写作： 　　r=k[NO2][CO] 式中r为反应速率，[NO2]、[ CO]分别为反应物NO2和CO的浓度，k称为反应的速率常数。根据质量作用定律，基元反应的级数与反应的分子数是相等的。 讨论： 1. τ‘超过某一值后， VBSTRVCSTR 2. 对速度很快的反应， τ‘很小，也会使得 VBSTRVCSTR 3. 对反应速度较快， τ‘相对较长的反应，不适宜用BSTR 3. CSTR与PFR CSTR的容积效率：η＝VP/VM ＝τP/τM XA,V相同 与级数有关 讨论： 1. 零级反应，η＝1，两者容积相等 2. XA一定，随着n ， η ， VmVp 3. η总1, 随着XA , η , VMVp 4. 多釜串联反应器与PFR 一级反应 讨论： N＝1，单个连续釜的η最小 N＝∞， η＝1， 多釜串联总容积＝VPFR 3. 当N少时，增加釜数， η增大明显，当N多时，效果不明显，实际生产一般不超过4. 典型反应过程的反应器体积计算 设计型 操作型 根据物料处理量及反应工艺要求，选择反应器类型，求VR 根据反应特征及反应器体积，决定最优控制条件，使反应过程达到优化目标. 反应器计算的基本方法 1.建立动力学方程 2. 物料衡算方程 选取关键组分 选择控制体 温度、浓度均一，才可取单位时间，否则微元时间 选控制体的原则 如果反应器内各处浓度均一,衡算的控制体选整个反应器,存在两个或两个以上相态,各点物料组成未必相同,选微元体积为控制体. 对确定的关键组分： 进入反应器的物料量=引出反应器的物料量+反应消耗的物料量+累积的物料量 1 2 3 4 间歇： 1=2+3 连续： 1=2+3 半连续： 1=2+3+4 二、间歇釜式反应器 特点： 　 1.分批装、卸(周期性、非稳态性)；　 2.适用于不同品种和规格的产品的生产，广泛用于医药、试剂、助剂等生产。　 3.整个操作时间=反应时间+辅助时间（装+卸+清洗）(每批） 计算 经验估计 A+B C A为 关键组 ，对整个反应器作物料A的衡算 二、间歇釜式反应器 基础设计式 等容过程 基础设计式 基础设计式 讨论： 1. 2. 图解法 一级反应 二级反应 零级反应 　 α=1，t与CAO无关 一批操作总时间 单位时间内处理的反应物料的体积 辅助时间 讨论：1. ＝vτ + vτ’ 反应容积 辅助容积 W为Kmol/h 对于沸腾或易发泡液体物料： φ=0.4~0.6 对于一般流体 ： φ=0.7~0.85 3.最优反应时间 目标函数：单位操作时间的产品质量最大 A R 单位操作时间的产品产量 对反应时间求导 最优时间 目标函数：以生产费用最低 3.最优反应时间 设单位时间内反应操作费用为aτ ，辅助操作为a0，固定费用为af 单位质量产品的总费用： AT= aτ+ a0 +af VRCR 对反应时间求导 最优时间 dAT/dt=0 单位时间 设计式 设