第13章環(huán)境工程原理均相化學(xué)反應(yīng)器

1、第十三章 均相化學(xué)反應(yīng)器第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器第二節(jié) 完全混合流反應(yīng)器第三節(jié) 平推流反應(yīng)器本章主要內(nèi)容一、間歇反應(yīng)器二、半間歇反應(yīng)器第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器本節(jié)的主要內(nèi)容1、間歇反應(yīng)器的操作方法將反應(yīng)物料按一定比例一次加到反應(yīng)器內(nèi)，然后開始攪拌，使反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度和溫度保持均勻。反應(yīng)一定時間，反應(yīng)率達(dá)到所定的目標(biāo)之后，將混合物料排出反應(yīng)器。之后再加入物料，進(jìn)行下一輪操作，如此反復(fù)。一、間歇反應(yīng)器2、間歇反應(yīng)器的設(shè)計計算 設(shè)計計算的目的(1) 確定達(dá)到一定的反應(yīng)率時需要的反應(yīng)時間(2) 根據(jù)反應(yīng)時間確定轉(zhuǎn)化率或反應(yīng)后的各組分濃度第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器設(shè)計的基本方程及設(shè)計方法

2、 VrtnAAdd(12.2.1)AxAAAVrxnt00d(12.2.3)第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器AxAAArxct00d(12.2.4)（恒容反應(yīng)）AAccAArct0d(12.2.6)（恒容反應(yīng)）(12.2.2)VrtxnAAAdd0 間歇反應(yīng)器中發(fā)生一級反應(yīng)A B(恒容反應(yīng))，反應(yīng)速率常數(shù) k 為0.35 h-1，要使A的去除率達(dá)到90，則A在反應(yīng)器中需反應(yīng)多少小時？ 解：設(shè)xA為轉(zhuǎn)化率，則cA的值為 cA=cA0(1-xA)= cA0(1-0.90)=0.10cA0 根據(jù)設(shè)計方程：cA/cA0=e-kt 有 0.10cA0/cA0=e-0.35t 解得 t = 6.58 h例題例題

3、13.1.1第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器的圖解設(shè)計法0A面積ct0AxA1rt面積0A1r0AcAcAxAAArxct00d(12.2.4)AAccAArct0d(12.2.6)第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器 (1) 將兩種或兩種以上的反應(yīng)物、或其中的一些組分一次性放入反應(yīng)器中，然后將某一種反應(yīng)物連續(xù)加入反應(yīng)器。 特點：可控制加入成分在反應(yīng)器中的濃度，便于控制反應(yīng)速率。 (2) 將反應(yīng)物料一次性加入反應(yīng)器，在反應(yīng)過程中將某個產(chǎn)物連續(xù)取出。 特點：可以使反應(yīng)產(chǎn)物維持在低濃度水平（利于可逆反應(yīng)向生成產(chǎn)物的正方向進(jìn)行；防止分泌產(chǎn)物對微生物生長的抑制作用）。二、半間歇反應(yīng)器（一）半間歇反應(yīng)器的操作

4、方法第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器 半間歇操作的特點(1) 與間歇操作一樣，是一個非穩(wěn)態(tài)過程(2) 與間歇操作不同之處：反應(yīng)混合液的體積隨時間而變化。第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器反應(yīng)量-rAV濃度cA體積VA的流入量000AvnAcqqA的流出量AvAncqqtqnntqnntqnttxAnAAAnAAAnAA0000001)(AAA的量時間內(nèi)加入的的起始量的量時間內(nèi)反應(yīng)消耗掉的nA(nA0qnA0t)(1xA) （二）半間歇反應(yīng)器的設(shè)計計算1. 轉(zhuǎn)化率的定義第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器2. 半間歇反應(yīng)器的設(shè)計方程單位時間內(nèi)A的加入量：qnA0qvcA0單位時間內(nèi)A的排出量：0反應(yīng)量：(-rA)V積累

5、量： dnA/dtd(cAV)/dtcA(dV/dt)+V(dcA/dt)物料衡算式： qvcA0=(-rA)V+ cA(dV/dt)+V(dcA/dt) (13.1.2) qvcA0=(-rA)V+ cAqv+V(dcA/dt) (13.1.3) VV0qvt第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器反應(yīng)量-rAV濃度cA體積VA的流入量000AvnAcqqA的流出量AvAncqq 對于由反應(yīng)(a)和(b)構(gòu)成的反應(yīng)系統(tǒng)，試定性說明在下述半間歇操作時的反應(yīng)系統(tǒng)中各組分的濃度變化。(1) 先向反應(yīng)器中加入A，之后連續(xù)加入B。(2) 先向反應(yīng)器中加入B，之后連續(xù)加入A。 A+BP，r1k1cAcB(a) A+P

6、Q，r2k2cAcP(b) 例題13.1.2第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器AcBcQc(a)先加入A，連續(xù)加入B時的變化(b)先加入B，連續(xù)加入A時的變化BcPcQctctcA+BP，r1k1cAcB (a)A+PQ，r2k2cAcP (b)第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器(1) 對于一個實際規(guī)模的均相連續(xù)反應(yīng)器，影響反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的主要因素有哪些？(2) 間歇反應(yīng)器的一般操作方式是什么？你能舉出哪些間歇反應(yīng)器的例子？(3) 半間歇反應(yīng)器有哪幾種操作方式？(4) 半間歇反應(yīng)器與間歇反應(yīng)器相比有哪些異同點？(5) 對于半間歇反應(yīng)器，轉(zhuǎn)化率是如何定義的？本節(jié)思考題第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器一、單級反應(yīng)器二、多

7、級串聯(lián)反應(yīng)器第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 本節(jié)的主要內(nèi)容一、單級反應(yīng)（一）操作方法與特點(1) 操作方法：連續(xù)恒定地向反應(yīng)器內(nèi)加入反應(yīng)物，同時連續(xù)不斷地把反應(yīng)液排出反應(yīng)器，并采取攪拌等手段使反應(yīng)器內(nèi)物料濃度和溫度保持均勻。全混流反應(yīng)器是一種理想化的反應(yīng)器。(2) 應(yīng) 用：污水的pH中和槽、混凝沉淀槽以及好氧活性污泥的生物反應(yīng)器（常稱曝氣池）第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 （二）設(shè)計方法(cA0 xA)/(-rA) (12.3.5) 恒容反應(yīng)(cA0cA)/(-rA)(12.3.7) 第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 完全混合流反應(yīng)器中發(fā)生一級反應(yīng)A B，反應(yīng)速率常數(shù) k 為0.35 h-1，要使A的去除率達(dá)到90，則A需在

8、反應(yīng)器中停留多少小時？ 解：設(shè)xA為轉(zhuǎn)化率，則cA的值為 cA=cA0(1-xA)= cA0(1-0.90)=0.10cA0 根據(jù)反應(yīng)平衡方程：=(cA0-cA)/kcA 有 =(cA0-0.10cA0)/(0.350.10cA0)=25.7h 例題13.2.1第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器的圖解設(shè)計法0A面積c0AxA1r面積0Ac0A1rAc(cA0 xA)/(-rA)(cA0cA)/(-rA) （恒容反應(yīng)） 第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 二、多級串聯(lián)反應(yīng)器（一）多級串聯(lián)全混流反應(yīng)器的基本方程c0c1c24321420AC0A1rAC12n31第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 cAn

9、cA(n-1)AivAincqq)1()1(i-Avi-Ancqq在恒容條件下，第 i個反應(yīng)器的基本設(shè)計方程為：00,AnAinAniAqqqxAiiAAiAAiAiiAViirxxcrccqV)1(0)1(13.2.1)第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 （二）多級串聯(lián)反應(yīng)器的逐步計算法一級恒容反應(yīng)：rAikCAiAiAiiAAiAiiAViikcccrccqV)1()1(1011kccAA)1)(1 (1210212kkckccAAA)1 ()1)(1 (210nAAnkkkcciiAAikcc1)1(第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 （二）多級串聯(lián)反應(yīng)器的逐步計算法二級恒容反應(yīng)：rAikcAi22)1()1(Ai

10、AiiAAiAiiAViikcccrccqViiAiAikckc2411)1( 第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 酸的水解反應(yīng)，可以近似地看作一級反應(yīng)，該反應(yīng)在300 K 時的速率方程為：-rA=2.7710-3CAmol/(m3.s)。將乙酸濃度為600 mol/m3的液體以0.050 m3/min的速度送入一完全混合流反應(yīng)器。試求以下幾種情況時的乙酸的轉(zhuǎn)化率。(1) 反應(yīng)器的體積為0.80 m3時(2) 0.40 m3的反應(yīng)器，二個串聯(lián)使用時(3) 0.20 m3的反應(yīng)器，四個串聯(lián)使用時例題13.2.2第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 (1) 反應(yīng)器的體積為0.80 m3時s96060/105080. 03330

11、1mol/m0 .1649601077. 216001kccAA%7 .726001646000101AAAAcccx平均空間時間第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 (2) 0.40 m3的反應(yīng)器，二個串聯(lián)使用時s48060/105040. 03323202mol/m6 .110)4801077. 21 (600)1 (kCCAA%6 .816006 .1106000202AAAACCCx每個槽的平均空間時間第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 (3) 0.20m3的反應(yīng)器，四個串聯(lián)使用時s24060/105020. 03343404mol/m1 .78)2401077. 21 (600)1 (kccAA%0 .87600

12、1 .786000304AAAAcccx每個槽的平均空間時間第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 （三）圖解計算法AiAiiAViirccqV )1(iiAAiAiccr)1( 操作方程)(AAickfr 速率方程i10ArAC反應(yīng)曲線1iAC第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 iACiAriAC3Ac2Ac31:斜率1Ac210Ac110ArAC反應(yīng)曲線圖解計算法的步驟第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 已知一級反應(yīng)A B在10個串聯(lián)的完全混合流反應(yīng)器（CSTR）中進(jìn)行，假設(shè)反應(yīng)速率常數(shù)k為0.35 h-1，反應(yīng)物A的初始濃度為150 mg/L，10個CSTR完全相同，A在每個CSTR中的停留時間是1/1.5 h，分別采用公式法和圖解

13、法求A的轉(zhuǎn)化率。 例題13.2.3第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 公式法：0)11(AnAnckc15081734. 0150)667. 0)(35. 0(11(nnAnc當(dāng)n=10時, 有 mg/l1810AC所以10個串聯(lián)的CSTR反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率為：xA=(150-18.0)/150100%=88.0%。對于完全混合流反應(yīng)器，基本方程為第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 圖解法：以-rA為縱坐標(biāo)，以rA橫坐標(biāo)作圖得反應(yīng)曲線。以-1/的斜率逐條繪制操作曲線。從圖中讀出第10個CSTR的出口濃度rA為18mg/L。所以10個串聯(lián)的CSTR反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率為：xA=(150-18.0)/150100%=88.0%。AAA

14、kcrtcdd一級反應(yīng)速率方程為第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 501001500102030405060-rA /mg/(L.h)rA , mg/l斜率=1.50 h-1AAAkrtrrdd18(1) 全混流連續(xù)反應(yīng)器的一般操作方式是什么？你能舉出哪些間歇反應(yīng)器的例子？(2) 與間歇反應(yīng)器相比，對于同一反應(yīng)，在同樣的反應(yīng)條件下，達(dá)到同樣的轉(zhuǎn)化率，所需全混流連續(xù)反應(yīng)器的體積有何不同？為什么？本節(jié)思考題第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 (3) 對于一簡單不可逆反應(yīng)，在反應(yīng)器總有效體積和反應(yīng)條件不變的條件下，隨著全混流反應(yīng)器的級數(shù)的增加，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率如何變化？為什么？轉(zhuǎn)化率的極限值是什么？(4) 簡述多級全混流反應(yīng)器

15、的解析計算法。(5) 簡述多級全混流反應(yīng)器的圖解計算法。本節(jié)思考題第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 一、簡單的平推流反應(yīng)器二、具有循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 本節(jié)的主要內(nèi)容一、簡單的平推流反應(yīng)器 平推流反應(yīng)器的特點： 在連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作條件下，反應(yīng)器各斷面上的參數(shù)不隨時間變化而變化。 反應(yīng)器內(nèi)各組分濃度等參數(shù)隨軸向位置變化而變化，故反應(yīng)速率亦隨之變化。 在反應(yīng)器的徑向端面上各處濃度均一，不存在濃度分布。（一）操作方式 將物料連續(xù)流入、并連續(xù)取出，在反應(yīng)器內(nèi)使物料沿同一方向、以同樣的速度流動（活塞流、Piston Flow） 第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 （二）設(shè)計計算方法恒溫恒容

16、反應(yīng)的設(shè)計方程：與間歇反應(yīng)相同（表13.1.1）第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 在例題13.2.3中，假如反應(yīng)在1個平推流反應(yīng)器中進(jìn)行，且停留時間與10個串連CSTR的總停留時間相同，試計算A的轉(zhuǎn)化率，并與例題13.2.3中的結(jié)果比較。對于平推流反應(yīng)器，基本方程為 kAAeCC0于是有mg/l5 .14)150()67. 6)(35. 0(eCA所以1個平推流反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率為： xA=(150-14.5)/150100%=90.3%。例題例題13.3.1解：解：第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 xA=88.0%。 平推流反應(yīng)器中發(fā)生一級反應(yīng)A B，反應(yīng)速率常數(shù)k 為0.35 h-1，要使A的去

17、除率達(dá)到90，則A需在反應(yīng)器中停留多少小時？ 設(shè)xA為轉(zhuǎn)化率，則cA的值為 cA=cA0(1-xA)= cA0(1-0.90)=0.10cA0根據(jù)反應(yīng)平衡方程：cA/cA0=e-k有 (0.10cA0)/cA0=e-0.35解得 =6.58 h 例題例題13.3.2解：解：第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 乙酸的水解反應(yīng)，可以近似地看作一級反應(yīng)，該反應(yīng)在300 K時的速率方程為：-rA=2.7710-3 cAmol/(m3s)。將乙酸濃度為600 mol/m3的液體以0.050 m3/min的速度送入一有效體積為0.80 m3的平推流反應(yīng)器，求反應(yīng)器出口處的轉(zhuǎn)化率。 例題13.3.3第三節(jié) 平推流反應(yīng)器

18、AxAAAVAxkcdxqcV000)1 (根據(jù)題意s96060/ )1050(80. 03930. 019601077. 23exA)1ln(Axk)1ln(AVxqkVkAex1kAex1解：對于一級反應(yīng)，在恒容條件下：-rA=kcA=kcA0(1-xA) 第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 k=2.7710-3(1/s),第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 圖解計算法0A面積c0AxA1r面積0A1r0ACACAxAAArdxc00(12.3.18)AAccAArdc0(12.3.19) 間歇反應(yīng)器的圖解設(shè)計法第一節(jié)間歇與半間歇反應(yīng)器0Act面積0AxAr1t面積0Ar10AcAcAxAAArdxct00（12.2

19、.4）AAccAArdct0（12.2.5）(1) 將排出反應(yīng)器的混合物的一部分不經(jīng)任何處理直接返送到入口處。二、具有循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器（一）循環(huán)反應(yīng)器的操作方法反應(yīng)器反應(yīng)物料產(chǎn)物循環(huán)(a)反應(yīng)器反應(yīng)物料產(chǎn)物未反應(yīng)物料循環(huán)(b)分離器(2) 在反應(yīng)器出口設(shè)一分離裝置，將反應(yīng)產(chǎn)物分離取出，只把未反應(yīng)的物料返送到反應(yīng)器入口處。 第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 (3) 微生物培養(yǎng)中常用的一種形式。在反應(yīng)器出口設(shè)置菌體分離器，將反應(yīng)產(chǎn)生的菌體濃縮，把濃縮后的菌體的一部分或全部返送到反應(yīng)器 生成物營養(yǎng)物質(zhì)菌體分離器菌體濃縮液(c)第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 （二）循環(huán)反應(yīng)器的設(shè)計方法Vcqq，AVAn00A0VAn

20、cqq111AVAncqq22A2VAncqqAeAeeVAencxqqMN33VAnqq，(a) 平推流循環(huán)反應(yīng)器eqqV3V排出反應(yīng)器的體積流量循環(huán)物料的體積流量循環(huán)比第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 1. 循環(huán)反應(yīng)器的物料衡算反應(yīng)器系統(tǒng)外圍，即虛線部分的轉(zhuǎn)化率xAe(qnA0qnAe)/ qnA0 (13.3.2)即：qnAeqnA0(1xAe)/ qnA0(13.3.3) Vcqq，AVAn00A0VAncqq11A1VAncqq22A2VAncqqAeAeeVAencxqqMN33VAnqq，第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 反應(yīng)器出口點(2)A的物質(zhì)流量 qnA2(1) qnAeqnA0(1)(1xAe)

21、 (13.3.4) N點出的物料衡算 qnA3qnAeqnA0(1xAe) (13.3.5) 混合點M處的物料衡算式為： qnA1qnA0qnA3 (13.3.6) 由(15.3.5)和(15.3.6)式可得： qnA1qnA01(1xAe) (13.3.7)Vcqq，AVAn00A0VAncqq11A1VAncqq2A2VnA2cqqAeAeeVAencxqqMN33VAnqq，第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 1、進(jìn)入反應(yīng)器的物質(zhì)流量不是qnA0而是qnA1 qnA1qnA01(1xAe) (13.3.7)2、進(jìn)入反應(yīng)器的物料是新鮮物料與反應(yīng)后物料的混合物。故對反應(yīng)器本身進(jìn)行物料衡算時，不能使用qnA

22、0定義的轉(zhuǎn)化率xA。 幾點說明與注意點第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 qnA2(1) qnAeqnA0(1)(1xAe) (13.3.4)qnA0 qnA2qnA0(1xAe) (13.3.10)不難理解xAe可以視為與qnA0，即qnA0(1)為基準(zhǔn)的反應(yīng)器出口(2)處的xA2相等。 00AnAnAnAqqqx第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 2. 循環(huán)反應(yīng)器的等價反應(yīng)器Vcqq，AVAn00A0VAncqq11AAnxqAeAAn22xxqM(b) 與(a)等價的反應(yīng)器Vcqq，AVAn00A0VAncqq11A1VAncqq22A2VAncqqAeAeeVAencxqqMN33VAnqq，(a) 平推流循環(huán)反

23、應(yīng)器第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 等價反應(yīng)器系統(tǒng)的特點(1) 物料流的體積流量qv0qv0(1)，組成與原物料流相同，所以qnA0qnA0(1)。(2) 原物料流與循環(huán)流在M點處混合所產(chǎn)生的組成變化，被假設(shè)為是在反應(yīng)器M內(nèi)所發(fā)生的。進(jìn)入反應(yīng)器M的物料流為未反應(yīng)物料qV0，A的進(jìn)入量為qnA0，假想是由于在該反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生反應(yīng)， A的排出量變?yōu)閝nA1。Vcqq，AVAn00A0VAncqq11AAnxqAeAAn22xxqM第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 (3) 反應(yīng)器M出口處的轉(zhuǎn)化率xA1為：)1 ()1 (1)1 (0000101AnAeAnAnAnAnAnAqxqqqqqx11AeAxx(13.3.13)第

24、三節(jié) 平推流反應(yīng)器 Vcqq，AVAn00A0VAncqq11AAnxqAeAAn22xxqM系統(tǒng)（b）的主反應(yīng)器與原系統(tǒng)有相同的反應(yīng)體積和轉(zhuǎn)化率，因此可以利用該系統(tǒng)對原系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計計算。AenAnAenAnAnAnAAxqqqqqqx)1 ()1 ()1 (000202(4) 以qnA0為基準(zhǔn)的反應(yīng)器出口處的轉(zhuǎn)化率xA2為：(5) 主反應(yīng)器內(nèi)的質(zhì)量流量與體積流量分別為： qnAqnA0(1)(1xA) (13.3.15) qv qv 0(1)(1+AxA) (13.3.16) 第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 AeAexxAAAnrxdqV)1(0)1 (設(shè)計方程3. 循環(huán)反應(yīng)器的設(shè)計方法等價反應(yīng)器的設(shè)計AxAAAnrdxqV00(12.3.15)參照第十二章 積分反應(yīng)器的設(shè)計方程第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 AeAexxAAAnrxdqV)1(0)1 (設(shè)計方程ABCDEFG2CDAB 0A1rAxx1AeAex圖解解析法第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 對于如圖13.3.3所示的平推流循環(huán)反應(yīng)器，試推導(dǎo)出恒溫、恒容條件下的設(shè)計方程。 混合點M處的A的物料衡算式為：1AAeccAArdc 100000)(AVVAeVAVcqqcqcq 例題例題13.3.4解：解：對于恒容反應(yīng)，反應(yīng)過程中體積恒定，故反應(yīng)器的設(shè)計方程可簡單地表示為：第三節(jié) 平