环境工程原理均相化学反应器

第十三章均相化学反应器,第一节间歇与半间歇反应器第二节完全混合流反应器第三节平推流反应器,本章主要内容,一、间歇反应器二、半间歇反应器,第一节间歇与半间歇反应器,本节的主要内容,1、间歇反应器的操作方法将反应物料按一定比例一次加到反应器内，然后开始搅拌，使反应器内物料的浓度和温度保持均匀。反应一定时间，反应率达到所定的目标之后，将混合物料排出反应器。之后再加入物料，进行下一轮操作，如此反复。,一、间歇反应器,2、间歇反应器的设计计算设计计算的目的(1)确定达到一定的反应率时需要的反应时间(2)根据反应时间确定转化率或反应后的各组分浓度,第一节间歇与半间歇反应器,间歇反应器设计的基本方程及设计方法,(12.2.1),(12.2.3),第一节间歇与半间歇反应器,(12.2.2),间歇反应器中发生一级反应AB(恒容反应)，反应速率常数k为0.35h-1，要使A的去除率达到90，则A在反应器中需反应多少小时？,解：设xA为转化率，则cA的值为cA=cA0(1-xA)=cA0(1-0.90)=0.10cA0根据设计方程：cA/cA0=e-kt有0.10cA0/cA0=e-0.35t解得t=6.58h,例题13.1.1,第一节间歇与半间歇反应器,间歇反应器的图解设计法,(12.2.4),(12.2.6),第一节间歇与半间歇反应器,(1)将两种或两种以上的反应物、或其中的一些组分一次性放入反应器中，然后将某一种反应物连续加入反应器。特点：可控制加入成分在反应器中的浓度，便于控制反应速率。(2)将反应物料一次性加入反应器，在反应过程中将某个产物连续取出。特点：可以使反应产物维持在低浓度水平（利于可逆反应向生成产物的正方向进行；防止分泌产物对微生物生长的抑制作用）。,二、半间歇反应器（一）半间歇反应器的操作方法,第一节间歇与半间歇反应器,半间歇操作的特点(1)与间歇操作一样，是一个非稳态过程(2)与间歇操作不同之处：反应混合液的体积随时间而变化。,第一节间歇与半间歇反应器,nA(nA0qnA0t)(1xA),（二）半间歇反应器的设计计算1.转化率的定义,第一节间歇与半间歇反应器,2.半间歇反应器的设计方程,单位时间内A的加入量：qnA0qvcA0单位时间内A的排出量：0反应量：(-rA)V,积累量：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,第一节间歇与半间歇反应器,对于由反应(a)和(b)构成的反应系统，试定性说明在下述半间歇操作时的反应系统中各组分的浓度变化。(1)先向反应器中加入A，之后连续加入B。(2)先向反应器中加入B，之后连续加入A。A+BP，r1k1cAcB(a)A+PQ，r2k2cAcP(b),例题13.1.2,第一节间歇与半间歇反应器,(a)先加入A，连续加入B时的变化,(b)先加入B，连续加入A时的变化,A+BP，r1k1cAcB(a)A+PQ，r2k2cAcP(b),第一节间歇与半间歇反应器,(1)对于一个实际规模的均相连续反应器，影响反应物转化率的主要因素有哪些？(2)间歇反应器的一般操作方式是什么？你能举出哪些间歇反应器的例子？(3)半间歇反应器有哪几种操作方式？(4)半间歇反应器与间歇反应器相比有哪些异同点？(5)对于半间歇反应器，转化率是如何定义的？,本节思考题,第一节间歇与半间歇反应器,一、单级反应器二、多级串联反应器,第二节全混流反应器,本节的主要内容,一、单级反应（一）操作方法与特点,(1)操作方法：连续恒定地向反应器内加入反应物，同时连续不断地把反应液排出反应器，并采取搅拌等手段使反应器内物料浓度和温度保持均匀。全混流反应器是一种理想化的反应器。(2)应用：污水的pH中和槽、混凝沉淀槽以及好氧活性污泥的生物反应器（常称曝气池）,第二节全混流反应器,（二）设计方法,(cA0 xA)/(-rA)(12.3.5),恒容反应(cA0cA)/(-rA)(12.3.7),第二节全混流反应器,完全混合流反应器中发生一级反应AB，反应速率常数k为0.35h-1，要使A的去除率达到90，则A需在反应器中停留多少小时？,解：设xA为转化率，则cA的值为cA=cA0(1-xA)=cA0(1-0.90)=0.10cA0根据反应平衡方程：=(cA0-cA)/kcA有=(cA0-0.10cA0)/(0.350.10cA0)=25.7h,例题13.2.1,第二节全混流反应器,第二节全混流反应器,全混流反应器的图解设计法,(cA0 xA)/(-rA),(cA0cA)/(-rA)（恒容反应）,第二节全混流反应器,二、多级串联反应器（一）多级串联全混流反应器的基本方程,12n,第二节全混流反应器,在恒容条件下，第i个反应器的基本设计方程为：,(13.2.1),第二节全混流反应器,（二）多级串联反应器的逐步计算法,一级恒容反应：rAikCAi,第二节全混流反应器,（二）多级串联反应器的逐步计算法,二级恒容反应：rAikcAi2,第二节全混流反应器,酸的水解反应，可以近似地看作一级反应，该反应在300K时的速率方程为：-rA=2.7710-3CAmol/(m3.s)。将乙酸浓度为600mol/m3的液体以0.050m3/min的速度送入一完全混合流反应器。试求以下几种情况时的乙酸的转化率。(1)反应器的体积为0.80m3时(2)0.40m3的反应器，二个串联使用时(3)0.20m3的反应器，四个串联使用时,例题13.2.2,第二节全混流反应器,(1)反应器的体积为0.80m3时,平均空间时间,第二节全混流反应器,(2)0.40m3的反应器，二个串联使用时,每个槽的平均空间时间,第二节全混流反应器,(3)0.20m3的反应器，四个串联使用时,每个槽的平均空间时间,第二节全混流反应器,（三）图解计算法,操作方程,速率方程,第二节全混流反应器,反应曲线,图解计算法的步骤,第二节全混流反应器,已知一级反应AB在10个串联的完全混合流反应器（CSTR）中进行，假设反应速率常数k为0.35h-1，反应物A的初始浓度为150mg/L，10个CSTR完全相同，A在每个CSTR中的停留时间是1/1.5h，分别采用公式法和图解法求A的转化率。,例题13.2.3,第二节全混流反应器,公式法：,当n=10时,有,所以10个串联的CSTR反应器的转化率为：xA=(150-18.0)/150100%=88.0%。,对于完全混合流反应器，基本方程为,第二节全混流反应器,图解法：,以-rA为纵坐标，以rA横坐标作图得反应曲线。以-1/t的斜率逐条绘制操作曲线。从图中读出第10个CSTR的出口浓度rA为18mg/L。,所以10个串联的CSTR反应器的转化率为：xA=(150-18.0)/150100%=88.0%。,一级反应速率方程为,第二节全混流反应器,(1)全混流连续反应器的一般操作方式是什么？你能举出哪些间歇反应器的例子？(2)与间歇反应器相比，对于同一反应，在同样的反应条件下，达到同样的转化率，所需全混流连续反应器的体积有何不同？为什么？,本节思考题,第二节全混流反应器,(3)对于一简单不可逆反应，在反应器总有效体积和反应条件不变的条件下，随着全混流反应器的级数的增加，反应物的转化率如何变化？为什么？转化率的极限值是什么？(4)简述多级全混流反应器的解析计算法。(5)简述多级全混流反应器的图解计算法。,本节思考题,第二节全混流反应器,一、简单的平推流反应器二、具有循环操作的平推流反应器,第三节平推流反应器,本节的主要内容,一、简单的平推流反应器,平推流反应器的特点：在连续稳态操作条件下，反应器各断面上的参数不随时间变化而变化。反应器内各组分浓度等参数随轴向位置变化而变化，故反应速率亦随之变化。在反应器的径向端面上各处浓度均一，不存在浓度分布。,（一）操作方式将物料连续流入、并连续取出，在反应器内使物料沿同一方向、以同样的速度流动（活塞流、PistonFlow）,第三节平推流反应器,第三节平推流反应器,（二）设计计算方法,恒温恒容反应的设计方程：与间歇反应相同（表13.1.1）,第三节平推流反应器,在例题13.2.3中，假如反应在1个平推流反应器中进行，且停留时间与10个串连CSTR的总停留时间相同，试计算A的转化率，并与例题13.2.3中的结果比较。,对于平推流反应器，基本方程为,于是有,所以1个平推流反应器的转化率为：xA=(150-14.5)/150100%=90.3%。,例题13.3.1,解：,第三节平推流反应器,第三节平推流反应器,xA=88.0%。,平推流反应器中发生一级反应AB，反应速率常数k为0.35h-1，要使A的去除率达到90，则A需在反应器中停留多少小时？,设xA为转化率，则cA的值为cA=cA0(1-xA)=cA0(1-0.90)=0.10cA0根据反应平衡方程：cA/cA0=e-k有(0.10cA0)/cA0=e-0.35解得=6.58h,例题13.3.2,解：,第三节平推流反应器,乙酸的水解反应，可以近似地看作一级反应，该反应在300K时的速率方程为：-rA=2.7710-3cAmol/(m3s)。将乙酸浓度为600mol/m3的液体以0.050m3/min的速度送入一有效体积为0.80m3的平推流反应器，求反应器出口处的转化率。,例题13.3.3,第三节平推流反应器,根据题意,解：对于一级反应，在恒容条件下：-rA=kcA=kcA0(1-xA),第三节平推流反应器,k=2.7710-3(1/s),第三节平推流反应器,图解计算法,(12.3.18),(12.3.19),(1)将排出反应器的混合物的一部分不经任何处理直接返送到入口处。,二、具有循环操作的平推流反应器（一）循环反应器的操作方法,(2)在反应器出口设一分离装置，将反应产物分离取出，只把未反应的物料返送到反应器入口处。,第三节平推流反应器,(3)微生物培养中常用的一种形式。在反应器出口设置菌体分离器，将反应产生的菌体浓缩，把浓缩后的菌体的一部分或全部返送到反应器,第三节平推流反应器,（二）循环反应器的设计方法,(a)平推流循环反应器,第三节平推流反应器,1.循环反应器的物料衡算,反应器系统外围，即虚线部分的转化率,xAe(qnA0qnAe)/qnA0(13.3.2)即：qnAeqnA0(1xAe)/qnA0(13.3.3),第三节平推流反应器,反应器出口点(2)A的物质流量qnA2(1)qnAeqnA0(1)(1xAe)(13.3.4)N点出的物料衡算qnA3qnAeqnA0(1xAe)(13.3.5)混合点M处的物料衡算式为：qnA1qnA0qnA3(13.3.6)由(15.3.5)和(15.3.6)式可得：qnA1qnA01(1xAe)(13.3.7),第三节平推流反应器,1、进入反应器的物质流量不是qnA0而是qnA1qnA1qnA01(1xAe)(13.3.7)2、进入反应器的物料是新鲜物料与反应后物料的混合物。故对反应器本身进行物料衡算时，不能使用qnA0定义的转化率xA。,几点说明与注意点,第三节平推流反应器,qnA2(1)qnAeqnA0(1)(1xAe)(13.3.4),qnA2qnA0(1xAe)(13.3.10),不难理解xAe可以视为与qnA0，即qnA0(1)为基准的反应器出口(2)处的xA2相等。,第三节平推流反应器,2.循环反应器的等价反应器,(b)与(a)等价的反应器,第三节平推流反应器,等价反应器系统的特点,(1)物料流的体积流量qv0qv0(1)，组成与原物料流相同，所以qnA0qnA0(1)。(2)原物料流与循环流在M点处混合所产生的组成变化，被假设为是在反应器M内所发生的。进入反应器M的物料流为未反应物料qV0，A的进入量为qnA0，假想是由于在该反应器内产生反应，A的排出量变为qnA1。,第三节平推流反应器,(3)反应器M出口处的转化率xA1为：,(13.3.13),第三节平推流反应器,系统（b）的主反应器与原系统有相同的反应体积和转化率，因此可以利用该系统对原系统进行设计计算。,(4)以qnA0为基准的反应器出口处的转化率xA2为：,(5)主反应器内的质量流量与体积流量分别为：qnAqnA0(1)(1xA)(13.3.15)qvqv0(1)(1+AxA)(13.3.16),第三节平推流反应器,设计方程,3.循环反应器的设计方法,等价反应器的设计,(12.3.15),参照第十二章积分反应器的设计方程,第三节平推流反应器,设计方程,图解解析法,第三节平推流反应器,对于如图13.3.3所示的平推流循环反应器，试推导出恒温、恒容条件下的设计方程。,混合点M处的A的物料衡算式为：,例题13.3.4,解：对于恒容反应，反应过程中体积恒定，故反应器的设计方程可简单地表示为：,第三节平推流反应器,将式代入式整理可得：,式即为平推流循环反应器在恒容条件下的基本设计方程。,所以,第三节平推流反应器,某平推流反应器中发生不可逆一级液相反应(cA0=10mol/L)，A的转化率为90。如果保持反应器系统的处理量不变，将流出液的三分之二回流至反应器入口，那么A的转化率将有何变化？,例题13.3.4,第三节平推流反应器,第三节平推流反应器,对于反应器a有,对于反应器b，其等价反应器为c，反应器c的体积流量为3qV，反应物料中A的浓度为(cA0+2cAe)/3。,通过比较以上两个方程可以得到cA