第11章环境工程原理反应动力学基础.

1、将化学和生物反应原理应用于污染控制工程，需要借 助适宜的装置，即反应器来实现。系统的掌握反应器的基本类型及其操作原理和设计 计算方法，对于优化反应器的结构型式、操作方式和工艺 条件，提高污染物去除效率有重要意义。本篇主要阐述化学与生物反应的计量学、动力学及其 研究方法，环境工程中常用的各类化学和生物反应器及其 基本设计计算方法等。利用化学和生物反应，使污染物转化成为无毒无害或 易于分离的物质，从而使污染介质得到净化的技术，即转 化技术是去除污染物和净化环境的重要手段。沉淀反应：水中重金属的沉淀分离 氧化反应：还原性无机污染物和有机污染物氧化 分解生物降解：反应常用于有机废水、挥发性有机废 气、

2、恶臭气体和有机固体废弃物的处理生物硝化、反硝化：水中硝酸氮的生物去除利用“转化原理”高效、快速去除污染物的关键是？影响反应结果（反应速率、反应进度）的主要因素同一反应相同的环境条件（温度、压力）相同的反应器体积相同的反应物 料组成和浓度第m篇 氏左工丑廉理影响反应速率和转化率的主要因素是什么？反应本身特性：反应热力学、动力学反应器的特性：质量传递、混和状态等反应工程的主要研究内容主要研究内容：反应动力学和反应器。反应动力学：从工程应用的角度阐明反应速率与各 项物理因素（温度、浓度、压力、催化剂）之间的 关系。反应器：在反应动力学的基础上，论述反应器的设第m篇攻工权恳理计和操作的优化等问题。5反

3、应工程的主要研究内容研究对象：工程应用中的反应过程研究目的： 工程应用中反应过程的优化优化对象：反应器的型式、结构、操作方式、工艺条件等目标函数：反应速率、转化率、能量消耗、设备费用、运行费 用等。本篇的主要内容 第一章反应动力学基础 第十二章反应动力学的解析方法 第十三章均相化学反应器 第十四章非均相化学反应器第十五章微生物反应器第十一量反龙钿力夕氐磁 第一章反应动力学基础本章主要内容第一节反应器和反应操作V反应器的主要类型与特点、常见的反应器操 作方式及其特点第二节反应的计量关系V反应组分（参与反应的各物质）间的定量关系 第三节反应动力学V反应速率与反应条件之间的关系本节的主要内容、反应操

4、作二、反应器三、反应器的操作方式Ed反应器内物料的流动与混和状态五、反应器的类型六、反应器的设计七、反应器的放大第一节及力去与瓯注傑作利用化学或生物反应进行工业生产或污染物处理时， 需要通过反应条件等的控制，使反应向有利的方向进行。 为达到这种目的而采取的一系列工程措施通称为反应操作 (Operation of reaction) o二、反应器反应器是实现反应的外部条件，同一反应在具有不同 特性的反应器内进行，也会产生不同的反应结果。化夕反龙器(Chemical reactor)笙杨 反应 器(Biorcnclor/Biological reactor)第一节及力去与瓯注傑作三、反应器的操作方

5、式间歇操作(分批操作)(Batch operation) 充/排式操作(Fill and draw operation) 连续操作(Continuous operation) 半间歇操作(Semi-batch operation) 半连续操作(Semiconlinuous operation)12第一节及力去与瓯注傑作（一）间歇操作（分批操作）将反应原料一次加入 反应器，反应一段时间或 达到一定的反应程度后一 次取出全部的反应物料， 然后进入下一轮操作。第一节及力去与瓯注傑作13(1)间操作的主要特点操作特点反应过程中既没有物料的输入，也没有物料的输出, 不存在物料的进与出。基本特征间歇反应过

6、程是一个非稳态的过程，反应器内组成随时 间变化而变化。第一节及力妥与反注傑作 主要优点操作灵活，设备费低，适用于小批量生产或小规模 废水的处理。主要缺点设备利用率低，劳动强度大，每批的操作条件不易 相同，不便自动控制。充/排式操作(Fill and draw)A应 用微生物的培养、驯化；污水处理特性的研究第一爷及力妥与反注傑作A操 作将废水或培养液一次加入反应器(培养器)，同时添加微生物i种。培养一定时间后，取出部分培养液，并加入新鲜的废水或培养液，进入下一批培养,如此反复。污水进水工序空气反应工序处理水充/排式操作的应用序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor简称S

7、BR)第一节及力去鸟反注傑作（二）连续操作连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反 应器。污水初沉池曝气池回流污泥处理水剩余污泥18（污水的活性污泥处理系统）第一节及力去与瓯注傑作(1)操作的主要特点操作特点：物料连续输入，产物连续输出，时刻伴 随着物料的流动。基本特征：连续反应过程是一个稳态过程，反应器 内各处的组成不随时间变化。(反应组分、浓度可 能随位置变化而变化。)主要优点：便于自动化，劳动生产率高，反应程度与产品质量较稳定。规模大或要求严格控制反应条 件的场合，多采用连续操作。主要缺点：灵活性小，设备投资高。第一爷及力去与反注傑作(三) 半间歇操作/半连续操作操 作原料与产物中

8、的一种或一种以上为连续输入或输出, 而其它成分分批加入或取出的操作称为半间歇操作 或半连续操作。A应 用生物反应器的分批补料操作(fed-batch operation), 又称“补料分批操作，俗称“流加操作主要特点半间歇操作具有间歇操作和连续操作的某些特点。 反应器内的组成随时间变化而变化。第一节及力巽与及注傑作半间歇操作操作过程A的流入量空间速度（空速）（Space velocity）及力去与瓯注傑作单位反应器有效体积所能处理的物料的体积流量。空间速度（SV） = Q/U意:V单位为时间的倒数。*表示单位时间内能处理几倍于反应器体积的 物料，反映了一个反应器的强度。（SV = 2h1 表示

9、山处理2倍于反应体积的流体。）V 空速越大，反应器的负荷越大。第一爷及龙巽乌反沦需作V反应器内反应物的流动与混合状态在实际的反应器中，一般存在浓度、温度和流速的分 布，从而可能造成不同的“流团间有不同的停留时间、 组分、浓度和反应速率。（例子：同时进场以班为单位顺 序出场；跳球抽号机）返 混（back mixing）:处于不同停留时间的“流团”间的混合称返混。 混合后形成的新“流团的组分和浓度与原来的流团不同，反应速率亦可能随之发生变化， 这将影响整个反应器的反应特性。第一爷及力男鸟反注傑作完全混合流（亦称全混流、理想混合）反应物进入反应器后，能瞬间达到完全混合，反应 器内的浓度、温度等处处相

10、同。全混流可以认为返 混为无限大。平（推）流（亦称活塞流、挤出流）反应物以相同的流速和一致的方向移动，即反应物 在反应器内齐头并进。在径向充分混合，但不存在 轴向混合，即返混为零。理想流动状态全混流和推流是两种极端的流动状态，通称为理想 流。介于全混流和推流之间的流态为非理想流态。第一节及力巽鸟反注傑作五、反应器的类型（-）按反应器的结构分类釜(槽)式(tank)反应器、管式(tubular)反应器、塔式 (column/tower)反应器、固定床(fixed bed reactor) 膨胀床 (expanded bed reactor) 流化床(fluidized bed reactor)W

11、o（-）按反应物的聚集状态分类均相反应器、非均相反应器（如气一液反应器等）（三）按反应操作分类间歇反应器（分批反应器）、连续反应器和半连续反应器以及恒温反应器、非恒温反应器等。第一节及力去与瓯注傑作27（四）按流态分类理想流反应器和非理想流反应器。完全混合流（全混 流）反应器和推流反应器。（a）釜式反应器b）管式反应器第一爷及龙去与及注傑作 反应物(reactants)反应的出发物质产 物(produc反应中产生的物质 反应组分(reaction mixture)参与反应的物质的总称反应式描述反应物经过反应生成产物(products)的过程的关系式QaA+QbB QpP+&qQ“等分子反应”与

12、“非等分子反应”等分子反应计量方程中计量系数的代数和等于零非等分子反应计量系数的代数和非为零(可正、可负)每消耗1摩尔的某反应物所引起的反应系统总摩尔数的变化量(刃称为该反应物的膨胀因子。11.2.5)35注 意：反应式表示反应历程，并非方程式，不能按方程式的 运算规则将等式一侧的项移到另一侧。 计量方程(stoichiometric equation):描述各反应物、生成物在反应过程中的量的关系 的方程。aA/a + aBA/B = UpMv + QqA/q(-aA)MA + (-aB)A7B +dpMp +幺少0=0 方程中Ma、Mp和Mq的物理意义是什么? 表示各组分的摩尔质量。一第二羊

13、反&拎针蚩誤*K例题11.2. 13丙烷在870K附近时的热分解反应 的计量方程为：GH& =0.300QH6 +0.065CH. + 0668爭4+0.635(2耳+0300耳，试计算j摩尔的 丙烷分解后反应体系的总摩尔数将增加多少？解：丙烷的膨胀系数(0.3 00+ 0.065+ 0.668+ 0.6 3 5+ 0.30Q) -11= 0.968故每分解1摩尔的丙烷反应体系的总摩尔数将增加 0.968摩尔。八第二辛反龙掬针誤二、反应的分类(-)根据独立的计号方程的个数分类 简单反应(单一反应)(single reaction)能用一个计算方程描述的反应，包括可逆反应 (reversible

14、 reachon )。 复杂反应(复合反应)(multiple reaction)需用多个计算方程才能描述的反应，即反应系统中 同时存在多个反应，同时各反应产物产生的比例也 随反应条件的变化而变化。其中包括并列反应、平 行反应、串联反应、平行一串联反应等。V并列反应组反应物，反应物相同，而生成物不同。4平行反应若干个反应同时进行，且互不影响。*串联反应ABtJP4平行一串联反应AQ A+Q-PA + BQ A + 2B-P P+B-R掌握各反应的特征第二反龙拎针#誤圭（二）根据反应系统中反应物的相态及其数量分类均相反应所有反应处在同一相内的反应。V液相反应V气液相反应。非均相反应反应物处于不同

15、相，而反应物是在界面发生。V液固反应4气固反应气液反应。41三、反应进度与转化率反应过程中系统内各物理量的变化不发生变化的物理量反应组分的总质量可能发生变化的物理量总摩尔数 体积（不变时称恒容反应） 压力（不变时称恒压反应） 温度（不变时称恒温反应）第二竽反龙拎针異宝（-）反应进度aAA + aBB = a【P + aQ（HAO_nA）（nBO_nB）（nP 一0）工（S 一Hqo）nA0 nA _ flBQf -BA?尸nro _ % _2q（）（11.2.17）aPQq5a反应程度症义为：产/ /0叫 一 /0在没有特别说 明的情况下指 右侧的定义式S _ay：反应组分i的计量系数43（二

16、）转化率（conversion,第二年反力絵针凄美tfractional conversion）间歇反应器的转化率的定义心=（心（）”a）2a（）=1 一/（）在环境工程中，污染物的转化率称去除率（removalefficiency, fractional removal）转化率与反应进度的关系xA=（a/ha0）连续反应器的转化率的定义Xa=（%ao%a）/%ao=1 一哺a/% 需第二辛反龙掬针蚩黒車转化率的应用关键组分的转化率一其它任一反应组分在反应体系中 的量的计算任一反应物的量的计算如何求转化率：aA质量分率 摩尔分率 浓 度反应组分（反应前后）关键组分的转 化率（g）转化率与质量分

17、数（Xm）的关系（反应前后总质量不 变）仏=仏0（1 壮）6=（仏0一仏）/认）转化率与摩尔分数（Z） 可能变化）的关系（反应前后摩尔总数47%（1心）5 一 1 cl +西4Jo（l + &Z&）11.2.28）转化率与浓度的关系（适用于恒容体系）（表1122）Ca=Cao（1 一“）6=（%）一 Ca%）非恒容体系?45i第二丰反龙的针蚩與圭K例题11.2.2 3 间歇反应器中含有10.0 mol的反应原料A, 反应结束后，A的剩余量为1.0 molo若反应按2A+B-P的反应式进 行，且反应开始时A和B的摩尔比为5： 3。试分别计算A和B转化率。解：卩亠盏誥9根据反应式，s=2 an = 1故 nB=nBO-nAOXA“_ 1 _ 1川初r知02知0-0.9 = 0.753故A和B的转化率分别为90%和75%o第二t例题：污水(人工)湿地处理系统中污染物 去除率的计算。湿 地？地球之肾人工湿地系统是利用植物、土壤(填充介质)、微生物的综合作用去除水中有机物、氮、磷以及病原微生物的一种“绿色技术。其缺点是占地面积较大。第二竽反&掬针果皇本节思考题(1) 什么是膨胀因子？膨胀因子为1的反应体系，反应 后系统的物质的量将如何变化？若是膨胀因子为 0.5的反应体系，则如何变化？(2) 什么是简单反应和复杂反应？可逆反应属于哪一 类