環(huán)境工程原理pp第13章均相化學反應器

1、第十三章 均相化學反應器第十三章 均相化學反應器第一節(jié) 間歇與半間歇反應器第二節(jié) 完全混合流反應器第三節(jié) 平推流反應器本章主要內(nèi)容一、間歇反應器二、半間歇反應器第一節(jié) 間歇與半間歇反應器本節(jié)的主要內(nèi)容1. 間歇反應器的操作方法 將反應物料按一定比例一次加到反應器內(nèi)，然后開始攪拌，使反應器內(nèi)物料的濃度和溫度保持均勻。反應一定時間，反應率達到所定的目標之后，將混合物料排出反應器。之后再加入物料，進行下一輪操作，如此反復。一、間歇反應器2. 間歇反應器的設(shè)計計算 設(shè)計計算的目的(1)確定達到一定的反應率時需要的反應時間(2)根據(jù)反應時間確定轉(zhuǎn)化率或反應后的各組分濃度第一節(jié) 間歇與半間歇反應器間歇反應

2、器設(shè)計的基本方程及設(shè)計方法 A0AAA0dxrxct(12.2.4)（恒容反應） A0AAAdccrct(12.2.6)（恒容反應） VrtnAAdd(12.2.1)(12.2.2)A0AAA0dxVrxnt(12.2.3)第一節(jié) 間歇與半間歇反應器VrtxnAAA0dd【例題13.1.1】間歇反應器中發(fā)生一級反應A B(恒容反應)，反應速率常數(shù)k為0.35 h-1，要使A的去除率達到90，則A在反應器中需反應多少小時？ 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.

3、35t 解得t=6.58h第一節(jié) 間歇與半間歇反應器間歇反應器的圖解設(shè)計法A0積ct面t積面A0AAA0 xrdxct(12.2.4)A0AAAccrdct(12.2.6)第一節(jié) 間歇與半間歇反應器0Ax1/rAA0cAc01/rA (1)將兩種或兩種以上的反應物、或其中的一些組分一次性放入反應器中，然后將某一種反應物連續(xù)加入反應器。 特點：可控制加入成分在反應器中的濃度，便于控制反應速率。 (2)將反應物料一次性加入反應器，在反應過程中將某個產(chǎn)物連續(xù)取出。 特點：可以使反應產(chǎn)物維持在低濃度水平（利于可逆反應向生成產(chǎn)物的正方向進行；防止分泌產(chǎn)物對微生物生長的抑制作用）。二、半間歇反應器（一）半

4、間歇反應器的操作方法第一節(jié) 間歇與半間歇反應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：反應混合液的體積隨時間而變化。第一節(jié) 間歇與半間歇反應器反應量-rAVA的流入量A0VA0cqqnABccV濃度，體積tqnntqnntqnttxnnnA0A0AA0A0AA0A0A1)(AAA的量時間內(nèi)加入的的起始量的量時間內(nèi)反應消耗掉的nA(nA0qnA0t)(1xA) （二）半間歇反應器的設(shè)計計算1. 轉(zhuǎn)化率的定義第一節(jié) 間歇與半間歇反應器2. 半間歇反應器的設(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反應量：(rA)V積累量：dnA/

5、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) 間歇與半間歇反應器反應量-rAVA的流入量A0VA0cqqnABccV濃度，體積【例題13.1.2】對于由反應(a)和(b)構(gòu)成的反應系統(tǒng)，試定性說明在下述半間歇操作時的反應系統(tǒng)中各組分的濃度變化。(1)先向反應器中加入A，之后連續(xù)加入B。(2)先向反應器中加入B，之后連續(xù)加入A。A+BP，r1k1cAcB(a)A+PQ，r2k2cAcP(b) 第一節(jié)

6、 間歇與半間歇反應器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) 間歇與半間歇反應器(1) 對于一個實際規(guī)模的均相連續(xù)反應器，影響反應物轉(zhuǎn)化率的主要因素有哪些？(2) 間歇反應器的一般操作方式是什么？你能舉出哪些間歇反應器的例子？(3) 半間歇反應器有哪幾種操作方式？(4) 半間歇反應器與間歇反應器相比有哪些異同點？(5) 對于半間歇反應器，轉(zhuǎn)化率是如何定義的？本節(jié)思考題第一節(jié) 間歇與半間歇反應器一、單級反應器二、多級串聯(lián)反應器第二節(jié) 全混流反應器 本節(jié)的主要內(nèi)容一、單

7、級反應器（一）操作方法與特點操作方法：連續(xù)恒定地向反應器內(nèi)加入反應物，同時連續(xù)不斷地把反應液排出反應器，并采取攪拌等手段使反應器內(nèi)物料濃度和溫度保持均勻。全混流反應器是一種理想化的反應器。應 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器（常稱曝氣池）第二節(jié) 全混流反應器 （二）設(shè)計方法(cA0 xA)/rA (12.3.5) 恒容反應(cA0cA)/rA(12.3.7) 第二節(jié) 全混流反應器 【例題13.2.1】完全混合流反應器中發(fā)生一級反應A B，反應速率常數(shù)k為0.35 h-1，要使A的去除率達到90，則A需在反應器中停留多少小時？ 解：設(shè)xA為轉(zhuǎn)化率，則cA的值為 cA=

8、cA0(1-xA)= cA0(1-0.90)=0.10cA0 根據(jù)反應平衡方程：=(cA0-cA)/kcA 有=(cA0-0.10cA0)/(0.350.10cA0)=25.7h 第二節(jié) 全混流反應器 第二節(jié) 全混流反應器 全混流反應器的圖解設(shè)計法A0積c面積面(cA0 xA)/-rA(cA0cA)/rA（恒容反應） 第二節(jié) 全混流反應器 A0c0Ac-1/rA0Ax-1/rA二、多級串聯(lián)反應器（一）多級串聯(lián)全混流反應器的基本方程c0c1c243214212n31cn第二節(jié) 全混流反應器 A0c0Ac1/rAiincqqAVA1)-A(V1)-A(iincqq在恒容條件下，第i個反應器的基本設(shè)

9、計方程為：0AA0AAninniqqqxiiiiiiiirxxcrccqVA)1(AA0AAA)1(AV)(13.2.1)第二節(jié) 全混流反應器 （二）多級串聯(lián)反應器的逐步計算法一級恒容反應：rAikcAiiiiiiiiikcccrccqVAA)1(AAA)1(AV10AA11kcc)1)(1 (121A021AA2kkckcc)1 ()1)(1 (210AAnnkkkcciiikcc1)1(AA第二節(jié) 全混流反應器 （二）多級串聯(lián)反應器的逐步計算法二級恒容反應：rAikcAi22AA)1(AAA)1(AViiiiiiiikcccrccqViiiikckc2411)1(AA第二節(jié) 全混流反應器

10、【例題13.2.2】乙酸的水解反應，可以近似地看作一級反應，該反應在300K時的速率方程為：rA=2.7710-3cAmol/(m3s)。將乙酸濃度為600mol/m3的液體以0.050m3/min的速度送入一完全混合流反應器。試求以下幾種情況時的乙酸的轉(zhuǎn)化率。(1)反應器的體積為0.80m3時；(2)0.40m3的反應器，二個串聯(lián)使用時；(3)0.20m3的反應器，四個串聯(lián)使用時。第二節(jié) 全混流反應器 (1)反應器的體積為0.80m3時s96060/105080. 03330AA1mol/m0 .1649601077. 216001kcc%7 .72600164600A0A1A0A1cccx

11、平均空間時間第二節(jié) 全混流反應器 (2)0.40m3的反應器，二個串聯(lián)使用時s48060/105040. 033232A0A2mol/m6 .110)4801077. 21 (600)1 (kcc%6 .816006 .110600A0A2A02Acccx每個槽的平均空間時間第二節(jié) 全混流反應器 (3)0.20m3的反應器，四個串聯(lián)使用時s24060/105020. 033434A0A4mol/m1 .78)2401077. 21 (600)1 (kcc%0 .876001 .78600A0A3A0A4cccx每個槽的平均空間時間第二節(jié) 全混流反應器 （三）圖解計算法iiiiirccqVAA)

12、1(AViiiiccr)1(AAA操作方程)(AAckfri速率方程icA irA i1反應曲線) 1 A(ic第二節(jié) 全混流反應器 0AcrAA3cA2c31斜率A1c21A0c11反應曲線圖解計算法的步驟第二節(jié) 全混流反應器 0AcrA【例題13.2.3】已知一級反應A B在10個串聯(lián)的完全混合流反應器(CSTR)中進行，假設(shè)反應速率常數(shù)k為0.35 h-1，反應物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法求A的轉(zhuǎn)化率。 第二節(jié) 全混流反應器 公式法：A0A)11(ckcnn15081734. 0150)66

13、7. 0)(35. 0(11(Annnc當n=10時, 有 mg/l180A1c所以10個串聯(lián)的CSTR反應器的轉(zhuǎn)化率為：xA=(150-18.0)/150100%=88.0%。對于完全混合流反應器，基本方程為第二節(jié) 全混流反應器 圖解法：如圖所示，以rA對cA作圖得反應曲線，以1/的斜率構(gòu)造三角曲線圖得10個CSTR反應器的反應曲線，從圖中讀出第10個CSTR的出口濃度cA為18mg/L。所以10個串聯(lián)的CSTR反應器的轉(zhuǎn)化率為：xA=(150-18.0)/150100%=88.0%。AAAddkcrtc一級反應速率方程為第二節(jié) 全混流反應器 0501001500102030405060Sl

14、ope=1.50h-1rA /(mgL1h1)cA/(mgL1)(1) 全混流連續(xù)反應器的一般操作方式是什么？你能舉出哪些間歇反應器的例子？(2) 與間歇反應器相比，對于同一反應，在同樣的反應條件下，達到同樣的轉(zhuǎn)化率，所需全混流連續(xù)反應器的體積有何不同？為什么？本節(jié)思考題第二節(jié) 全混流反應器 (3) 對于一簡單不可逆反應，在反應器總有效體積和反應條件不變的條件下，隨著全混流反應器的級數(shù)的增加，反應物的轉(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器的解析計算法。(5) 簡述多級全混流反應器的圖解計算法。本節(jié)思考題第二節(jié) 全混流反應器 一、簡單的平推流反應器二、具有循環(huán)

15、操作的平推流反應器第三節(jié) 平推流反應器 本節(jié)的主要內(nèi)容一、簡單的平推流反應器平推流反應器的特點：在連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作條件下，反應器各斷面上的參數(shù)不隨時間變化而變化。反應器內(nèi)各組分濃度等參數(shù)隨軸向位置變化而變化，故反應速率亦隨之變化。在反應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) 平推流反應器 第三節(jié) 平推流反應器 （二）設(shè)計計算方法恒溫恒容反應的設(shè)計方程：與間歇反應相同（表13.1.1）第三節(jié) 平推流反應器 【例題13.3.1】在例題13.2.3中，假如反應在1個平推

16、流反應器中進行，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。對于平推流反應器，基本方程為 kcc eA0A于是有mg/L5 .14e )150()67. 6)(35. 0(Ac所以1個平推流反應器的轉(zhuǎn)化率為：xA=(150-14.5)/150100%=90.3%。解：第三節(jié) 平推流反應器 xA88.0%第三節(jié) 平推流反應器 【例題13.3.2】平推流反應器中發(fā)生一級反應A B，反應速率常數(shù)k為0.35 h-1，要使A的去除率達到90，則A需在反應器中停留多少小時？ 設(shè)xA為轉(zhuǎn)化率，則cA的值為cA=cA0(1-xA)= cA0(1-0.9

17、0)=0.10cA0根據(jù)反應平衡方程：cA/cA0=e-k有(0.10cA0)/cA0=e-0.35解得=6.58h 解：第三節(jié) 平推流反應器 【例題13.3.3】乙酸的水解反應，可以近似地看作一級反應，該反應在300K時的速率方程為： rA=2.7710-3cA mol/(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的平推流反應器，求反應器出口處的轉(zhuǎn)化率。 第三節(jié) 平推流反應器 對于一級反應，在恒容條件下：rA=kcA=kcA0(1-xA) A0AA0AVA0)1 (dxxkcxqcV930. 0960e131077. 2Ax

18、)1ln(Axk)1ln(AVxqkVkxe1A解：第三節(jié) 平推流反應器 kxe1A根據(jù)題意，k=2.7710-3 s1s96060/ )1050(80. 03s根據(jù)題意，k=2.7710-3 s1s96060/ )1050(80. 03s第三節(jié) 平推流反應器 圖解計算法A0積c面積面A0cAcA0AAA0dxrxc(12.3.18)A0AAAdccrc(12.3.19) 0Ax1/rA01/rA(1)將排出反應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)操作的平推流反應器（一）循環(huán)反應器的操作方法反應器反應物料產(chǎn)物循環(huán)(a)反應器反應物料產(chǎn)物未反應物料循環(huán)(b)分離器(2)在

19、反應器出口設(shè)一分離裝置，將反應產(chǎn)物分離取出，只把未反應的物料返送到反應器入口處。第三節(jié) 平推流反應器 (3)微生物培養(yǎng)中常用的一種形式。在反應器出口設(shè)置菌體分離器，將反應產(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器 生成物營養(yǎng)物質(zhì)菌體分離器菌體濃縮液第三節(jié) 平推流反應器 （二）循環(huán)反應器的設(shè)計方法Vcqqn，AVAA00VA0cqqnA11VA1cqqnA2V2A2cqqnAeAeVeAecxqqnMN3VA3qqn，(a) 平推流循環(huán)反應器VeV3qq排出反應器的體積流量循環(huán)物料的體積流量循環(huán)比第三節(jié) 平推流反應器 1. 循環(huán)反應器的物料衡算反應器系統(tǒng)外圍，即虛線部分的轉(zhuǎn)化率xA

20、e(qnA0qnAe)/ qnA0 (13.3.2)即：qnAeqnA0(1xAe)/ qnA0(13.3.3) Vcqqn，AVAA00VA0cqqnA1V1A1cqqnA2V2A2cqqnAeAeeVAecxqqnMN3VA3qqn，第三節(jié) 平推流反應器 反應器出口點(2)A的物質(zhì)流量 qnA2(1) qnAeqnA0(1)(1xAe) (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(13.3.5)和(13.3.6)式可得： qnA1qnA01(1xAe) (13.3.7)

21、V，c，q，qAVAnA00VA0cqqnA11VA1cqqnA2V2A2cqqnAeAeVeAecxqqnMN3VA3qqn，第三節(jié) 平推流反應器 1. 進入反應器的物質(zhì)流量不是qnA0而是qnA1 qnA1qnA01(1xAe)(13.3.7)2. 進入反應器的物料是新鮮物料與反應后物料的混合物。故對反應器本身進行物料衡算時，不能使用qnA0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)為基準的反應器出口

22、(2)處的xA2相等。 A0A0AAnnnqqqx第三節(jié) 平推流反應器 2. 循環(huán)反應器的等價反應器Vcqqn，AVAA0V0A0cqqnA1A1xqnAeA2A2xxqnM(b) 與(a)等價的反應器(a) 平推流循環(huán)反應器第三節(jié) 平推流反應器 Vcqqn，AVAA00VA0cqqnA1V1A1cqqnA2V2A2cqqnAeAeeVAecxqqnMN3VA3qqn，等價反應器系統(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)為是在反應器M內(nèi)所發(fā)生的。進入反應器M的物料流為未反應物料q

23、V0，A的進入量為qnA0，假想是由于在該反應器內(nèi)產(chǎn)生反應， A的排出量變?yōu)閝nA1。第三節(jié) 平推流反應器 Vcqqn，AVAA0V0A0cqqnA1A1xqnAeA2A2xxqnM(3)反應器M出口處的轉(zhuǎn)化率xA1為：)1 ()1 (1)1 (A0AeA0A00AA1A0A1nnnnnnqxqqqqqx1A1Aexx(13.3.13)第三節(jié) 平推流反應器 Vcqqn，AVAA0V0A0cqqnA1A1xqnAeA2A2xxqnM系統(tǒng)b的主反應器與原系統(tǒng)有相同的反應體積和轉(zhuǎn)化率，因此可以利用該系統(tǒng)對原系統(tǒng)進行設(shè)計計算。AeA0AeA0A0A2A0A2)1 ()1 ()1 (xqqqqqqxnn

24、nnnn(4)以qnA0為基準的反應器出口處的轉(zhuǎn)化率xA2為：(5)主反應器內(nèi)的質(zhì)量流量與體積流量分別為：qnAqnA0(1)(1xA) (13.3.15)qV qV0(1)(1+AxA) (13.3.16) 第三節(jié) 平推流反應器 AeAe)1(AAA0d)1 (xxnrxqV設(shè)計方程3. 循環(huán)反應器的設(shè)計方法等價反應器的設(shè)計A0AAA0dxnrxqV(12.3.15)參照第十二章 積分反應器的設(shè)計方程第三節(jié) 平推流反應器 A2A1AA0AdxxnxVqrAeAe)1(AA0A)1 (xxnrxdqV設(shè)計方程ABCDEFG2CDAB 0Ax1AexAex圖解解析法第三節(jié) 平推流反應器 1/rA

25、【例題13.3.4】對于如圖13.3.3所示的平推流循環(huán)反應器，試推導出恒溫、恒容條件下的設(shè)計方程。 對于恒容反應，反應過程中體積恒定，故反應器的設(shè)計方程可簡單地表示為：混合點M處的A的物料衡算式為：A1AeAAccrdc A1V0VAe0V0A0V)(cqqcqcq 解：第三節(jié) 平推流反應器 將式代入式整理可得：式即為平推流循環(huán)反應器在恒容條件下的基本設(shè)計方程。 AeAeA01AAV0d)1 (cccrcqV 所以1)(AeA0A1ccc 第三節(jié) 平推流反應器 V0(1)Vq【例題13.3.5】某平推流反應器中發(fā)生不可逆一級液相反應(cA0=10 mol/L)，A的轉(zhuǎn)化率為90。如果保持反應器系統(tǒng)的處理量不變，將流出液的三分之二回流至反應器入口，那么A的轉(zhuǎn)