环境工程原理15-反应器

1、环境工程原理化学与材料科学学院环境工程原理反应工程基础第8章编辑：廖杰2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理反应工程基础第8章概述反应的计量关系反应动力学理想反应器8.18.28.38.42015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理8.1 概述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

2、常用于有机废水、挥发性有机废气、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2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理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。本章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。2015/12/6College of Chemistry & M

3、aterials环境工程原理8.1.1 反应及反应工程的研究方法影响反应结果（反应速率、反应转化率）的主要因素同一反应相同的环境条件（温度、压力）相同的反应器体积反应结果（反应速率、转化率）是否相同？相同的反应物料组成和浓度2015/12/6不同的反应器结构不同的操作方式College of Chemistry & Materials环境工程原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、混合状态等2015/12/6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、

4、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，论述反应器的设计和操作的优化等问题。College of Chemistry & Materials环境工程原理反应工程的研究方法是研究对象：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。2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理8.1.2 反应器和反应操作反应操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

5、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(operationof reaction)。反应器 (reactor) ：进行化学或生物反应的容器的总称。化学反应器 (chemical reactor)生物反应器 (bioreactor/biological reactor)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。2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理反应器的特性及其决定因素、操作方式、操作反应器研究开发的主要目的：选择合适的反应器型式；反应器的设计计算（确定

6、反应器的尺寸）；确定操作方式和优化操作条件； 反应器性能的评价。2015/12/6反应器的结构型式条件等反应器内反应物的流动 状态、混合状态、浓度 与温度分布、质量和能 量传递性能等College of Chemistry & Materials环境工程原理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

7、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。2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理完全混合流（亦称全混流、理想混合）(complete mixing)：反应物进入反应器后，能瞬间达到完全混合，反应器内浓 度、温度等处处相同。全混流可以认为返混为无限大。（平）推流（亦称活塞流、挤出流）(plug/ piston flow)：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

8、理想流态。2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理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 bedreactor)、流化床(fluidized bed reactor)等。按反应物的聚集状态分类：均相反应器、非均相反应器（如气-液反应器等）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。按流态分类：理想流反应器和非理想流反

9、应器。完全混合流（全混流）反应器和推流反应器。2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理进料进料出料出料(a)(b)出料出料出料气体液体气泡液体气体进料进料进料(c)(d)(e)(f)（a）釜式反应器（d）固定床反应器（b）管式反应器（e）膨胀床反应器（c）鼓泡塔（ f）流化床反应器2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理反应器的操作方式间歇操作（分批操作）(batch operation)充/排式操作 (fill and draw operation) 连续操作 (con

10、tinuous operation) 半间歇操作 (semi-batch operation)半连续操作 (semi-continuous operation)2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理间歇操作（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。2015/12/6出料反应进料浓度cA物质的量nA体积VCollege of Chemistry & Materials环境工程原理间歇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

11、输出，不存在物料的进与出。 基本特征：间歇反应过程是一个非稳态的过程，主 反 要优点：操作灵活，设备完全混合流反应器费应低器，内适组用成于随小时批间量变生化产而或变化。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，不便自动控制浓度反应时间2015/。12/6反应产物 反应物College of Chemistry & Materials环境工程原理充/ 排 式 操作(fill and draw)应用：微生物的培养、驯化；污水处理特性的研究操作：将废水或培养液一次加入反应器(培养器)，同时添加微生物菌种。培养一定时间后，取出部分培养液，并加入新鲜的废水

12、或培养液，进入下一批培养，如此反复。空气处理水污水进水工序沉淀工序排水工序静置工序反应工序充/排式操作的应用序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor，简称SBR)2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理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A的流入量qnA0 qV0 cA0体积VA的流出量qnA qV cA初沉池二沉池污水处理水回流污泥剩余污泥连续操作的应用（污水的活性污泥处理系统）2015/12/6曝气池反应量-rAV浓度cACollege of Chemistry & Mat

13、erials环境工程原理连续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。2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理半间歇操作/ 半 连 续 操 作操作：原料与产物中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

14、或半连续操作。应用：生物反应器的分批补料操作(fedbatchoperation)，又称“补料分批操作”，俗称“流加操作”A的流入量cBA2015/12/6主要特点：半间歇操作具有qnA0 qV cA0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。反应量-r V浓度cA、体积VCollege of Chemistry & Materials环境工程原理有关反应器操作的几个工程概念反应持续时间(reaction time)： 简称反应时间，主要用于间歇反应器，指达到一定反应程度所需的时间。停留时间(retention time)：亦称接触时间，指连续操作中一物料“微元

15、”从反应器入口到出口经历的实际时间。 平均停留时间：在实际的反应器中，各物料“微元”的停留时间不尽相同，存在一个分布，即停留时间分布。各“微元”的停留时间的平均称平均停留时间。2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理空间时间（空时、空塔接触时间）(space time)反应器有效体积(V)与物料体积流量(qv)之比值。空间时间 V / qV注意：具有时间的单位，但不是反应时间也不是接触时间可视为处理与反应器体积相同的物料所需要的时间。30s 表示了什么？每30s处理与反应器有效体积相等的流体2015/12/6College of C

16、hemistry & Materials环境工程原理空间速度（空速）(space velocity)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 / VV注意：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。（SV2 h-1表示1h处理2倍于反应体积的流体。）空速越大，反应器的负荷越大。2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理反应器的设计选择合适的反应器型式；确定最佳的操作条件；计算达到规定的目标所需要的反应体积，确定 反应器的主要尺寸。反应器设计用到的基本方程：反应动

17、力学方程、物料/ 能 量 / 动 量 衡 算式反应器的放大从 实 验 室到 实 际 规模 应 用 ：逐 级 经 验放 大 、 数学模型设计2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理本节思考题快速去除污染物的关键是什么？反应器的一般特性主要指哪几个方面？ 反应器研究开发的主要任务是什么？ 什么是间歇操作、连续操作和半连续操作？它 们一般各有哪些主要特点？ 什么是空间时间和空间速度？它们所表达的物理意义分别是什么？(1)(2)(3) (4)(5)2015/12/6College of Chemistry & Materials环境

18、工程原理本节思考题一般情况下，反应器内的流体流动状态会对反应结果产生影响，为什么？ 根据反应物料的流动与混合状态，反应器可分 为哪些类型。 反应器设计的基本内容包括哪几个方面？它通常用到哪几类基本方程？(6)(7)(8)2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理8.2 反应的计量关系反应式与计量方程反应的分类 反应进度与转化率8.2.18.2.28.2.32015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理8.2.1 化学计量方程反应物 (reactants)：反应的出发物质 产物 (

19、products)：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。2015/12/6A A+BB P P+QQCollege of Chemistry & Materials环境工程原理计量方程(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。= PMP+ QMQAMA + BMB(-A)MA + (-B)MB +PMP+QMQ=0方程中MA、M

20、B、MP和MQ的物理意义是什么？表示各组分的摩尔质量。2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理“等分子反应”与“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） 膨胀因子：每消耗1mol的某反应物所引起的反应系统总物质的量的变化量()称为该反应物的膨胀因子。AnA 0 nAA2015/12/6 P Q A BA n n0College of Chemistry & Materials环境工程原理【例8-1】挥发性有机污染物丙烷在870K附近时的热分解反应的计量方程

21、为：C3H8 0.300C3H6 0.065C2 H6 0.668C2 H4 0.635CH4 0.300H2 试计算1摩尔的丙烷分解后反应体系的总摩尔数将增加 多少？解：丙烷的膨胀系数为： A(0.300 0.065 0.668 0.635 0.300) 1A1 1.968 1 0.9681故每分解1 mol的丙烷反应体系的总物质的量将增加0.968 mol。2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理8.2.2 反应的分类根据独立的计量方程的个数分类：简单反应（单一反应）(single reaction)包括可逆反应 (revers

22、ible reaction )复杂反应（复合反应）(multiple reaction)平行反应串联反应(parallel reaction)、(consecutive reaction)平行-串联反应 (consecutive-parallelreaction)等。2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理根据反应系统中反应物的相态及其数量分类：均相反应非均相反应 均相内反应(如反应只发生在液相的气液相反应)界面反应(反应只发生在相界面上的反应：如固相催化反应)2015/12/6College of Chemistry &

23、Materials环境工程原理8.2.3 反应进度与转化率反应过程中系统内各物理量的变化情况不发生变化的物理量：反应组分的总质量总物质的量体积（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）可能发生变化的物理量：2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理反应进度AA + BB= PP + QQ(nA0nA)(nB0nB)(nP nP0)(nQ -nQ0) nQ0nQnA 0 nAnB0 nBnP nP 0 A B反应进度定义为：或在没有特别说明的情况下指右侧的定义式iii：反应组分i的计量系数2015/12/6 n

24、i ni 0 Vn n i i 0 P QCollege of Chemistry & Materials环境工程原理转化率(conversion，fractional conversion)间歇反应器的转化率的定义:xA=(nA0nA)/nA0=1nA/nA0 在环境工程中，污染物的转化率称去除率(removal efficiency， fractional removal)转化率与反应进度的关系：xA=(A/ nA0)连续反应器的转化率的定义：xA=(qnA0qnA)/qnA0=1qnA/qnA0式中qnA0和qnA分别为流入和排出反应器的A组分的量。2015/12/6Colleg

25、e of Chemistry & Materials环境工程原理转化率的应用：关键组分的转化率与其它任一反应组分在反应体系中的量 的计算关系：任一反应物的量的计算nini 0nA0 xA 如何求转化率：化率(x )反应组分（反应前后）2015/12/6关键组分的转A质量分数 摩尔分数 浓 度iACollege of Chemistry & Materials环境工程原理转化率与质量分数(xm)的关系（反应前后总质量不变）转化率与摩尔分数(z)的关系（反应前后摩尔总数可能变化）（表8-2）AA1 zx zzA A0 A转化率与浓度的关系（适用于恒容体系）(表8-3）非恒容体系？2

26、015/12/6xA = (cA0 cA)/ cA0cA = cA0(1 xA)z zA0 (1 xA )x zA0 zAA0 (1 A A )xA = (xmA0 xmA)/ xmA0 xmA = xmA0(1xA)College of Chemistry & Materials环境工程原理【例8-2】一间歇反应器中含有10.0 mol的反应原料A，反应结束后，A的剩余量为1.0 mol。若反应按2A+BP的反 应式进行，且反应开始时A和B的物质的量比为5:3。试分别 计算A和B转化率。nA1.0解：x 1 1 0.9AnA010.0根据反应式， A 2 B 11 nn n x故BB

27、0A0 A2nB1nA0 1 xAnB02nB0nB1nA0 1 5 0.9 0.75x 1 xBAn2 n2 3B0B0 故A和B的转化率分别为90%和75%。 2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理本节思考题什么是膨胀因子？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？ 什么是简单反应和复杂反应？可逆反应属于哪一类反 应？什么是均相内反应和界面反应？(1)(2)(3)(4) 对于连续反应器，某一关键组分的转化率的一般定义是什么？(5) 对于实际规模的化学反应器，影响某一关键组分的 转化率的主要因素是什么？2015/

28、12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理8.3 反应动力学反应速率的定义及表示方法反应速率方程 均相反应动力学8.3.18.3.28.3.32015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理8.3.1 反应速率及表示方法（一）一般定义单位时间单位体积反应层中某组分的反应量或生成量。1dniriV dtAPVdtVdt2015/12/6 r dnAr dnPCollege of Chemistry & Materials环境工程原理气-固相反应的反应速率表示方法以固体催化剂的质量(m)

29、、表面积(S)、颗粒体积(Vp)为基准的反应速率 dnA r,r ,r rm、S、VpAmAsAVpAVdt(rA)V=(rAm)m= (rAs)S= ( rAVp)Vp2015/12/6College of Chemistry & MaterialsV VV VL LV VG G：V VV VL LV VG G环境工程原理气-液相反应的反应速率表示方法以液相界面积(S)、液相体积为基准的反应速率气体AVdt液相（体积：V ）S、VLL气泡（体积：VG ）气液混合物V=VL+VG）（体积气体2015/12/6(rA)V= (rAS)S= (rAVL)VL r dnACollege of

30、 Chemistry & Materials环境工程原理反应速率与反应程度和转化率的关系1反应速率与反应进度的关系rA/A =rB/B= rP/P = rQ/Q = r反应的反应速率d1r单位时间内反应进行的“次数”V dt各组分的反应速率不尽相同同一组分的反应速率与计量方程的书写形式无关反应的反应速率随计量方程的书写形式变化而变化2015/12/6注意：（计量方程的反应速率）College of Chemistry & Materials环境工程原理反应速率与浓度的关系dnA 1 d(cAV )dcAcA dV r V AVdtdtdtV dt对于恒容反应，dV/dt=0反应

31、速率与转化率的关系rAdcA/dtxA(nA0nA)/nA0, 故 dnAnA0dxAVdtA注意：x 的式前没有负号VdtA反应速率与半衰期2015/12/6r dnA nA0 dxACollege of Chemistry & Materials环境工程原理8.3.2 反应速率方程（一）反应速率方程与反应级数 rk(T)f(cA，cB，cP) rk(T)g(xA，xB)注意：rAkcA cBab*反应级数不能独立地预示反应速率的大小，只表明反应速率对浓度变化的敏感程度。*反应级数是由实验获得的经验值，只有基元反应时， 才与计量系数相等。*反应级数可以是整数，也可以是分数和负数。但在

32、一 般情 2015/12/6况下反应级数为正值且小于3。College of Chemistry & Materials环境工程原理反应速率常数（比反应速率，specificreaction rate）对于化学反应：k的大小与温度和催化剂等有关 与反应物浓度无关对于生物化学和微生物：温度、酶、基质浓度Eak k exp()0RTEaln k ln k 0RT2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理k与温度的关系c EaEa小dREa大1/T1/TEaln k ln k 0RT2015/12/6lnklnkCollege of

33、 Chemistry & Materials环境工程原理【例8-5】气-固相反应 A P 的反应速率在常压条件下可表示为A的摩尔分数zA的一次函数： rAm kzA kmol/(h g 催化剂)在不同温度下测得k的值如下表所示，试求出该反应的活化能：解：根据表中数据求出1/T和lnk列表如下：以1/T-lnk作图可得一直线：2015/12/61/T /K-10.00160.00160.00150.00156 0.00154194lnk10.3311.0211.3111.6512.43温度/ K610620630640650k / 1043.056.128.2011.525.1Colle

34、ge of Chemistry & Materials环境工程原理1 31 21 11 00 . 0 0 1 5 00 . 0 0 1 5 50 . 0 0 1 6 00 . 0 0 1 6 51/T /K-1Ea由直线斜率可得 1.92 104 KRR 8.314J/(mol K)Ea 160kJ/mol故2015/12/6lnky = -1 .9 2 1 04 x + 4 1 .8 4R2 = 0 .9 6 7 5College of Chemistry & Materials环境工程原理8.3.3均相反应动力学核心各组分间的计量及平衡关系微分形式的速率方程反应条件（温度、

35、压力、体积）2015/12/6求出浓度、转化率随时间的变化式（反应速率方程的积分形式）掌握不同 类型反应 的特征College of Chemistry & Materials环境工程原理（一）不可逆单一反应单组分反应APnnn dcA /dt kcA kcA0 (1 xA )dccAkt AnccA 0A111n 1, kt ()cn1cn1n 1AA0cA01n 1，kt ln lncA1 xA2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理零级反应(n=0)零级反应的特点反应速率与反应物的浓度 无关。 半衰期为t1/2=cA0

36、/(2k)， 即与初始浓度成正比。 在生物化学以及微生物反 应中，当基质浓度足够高 时往往属于零级反应。AA0cA0ct2015/12/6c =cktCollege of Chemistry & Materials环境工程原理一级反应(n1)lncAcA 0 cAcA0ektkcln 2t1/ 2ktt一级反应的特点*反应物浓度与反应时间成指数关系，只有t时，反应物浓度才趋近于零。*反应物浓度的对数与反应时间成直线关系 ， 以lnk对2015/12/6t作图可得一直线，其斜率为k。College of Chemistry & Materials环境工程原理二级反应(n2)cA

37、0 c 1 cAk1cA0 tt二级反应的特点*反应物浓度的倒数与反应时间成直线关系，直线的斜率为k*达到一定的转化率所需的时间与反应物初始浓度有关， 反 201应5/1物2/6 的初始浓度越大，达到一定的转化率所需的时间越kt 1 1cAcA0 t 11/ 2 kcA0 College of Chemistry & Materials环境工程原理单一反应（恒温恒容）的速率方程反应反应速率方程速率方程的积分形式半衰期 t1/2A P（0 级）A P（1 级）2A P（2 级）A A BB P（2 级）nA P（n 级，n1）kt (c c )c/(2k ) r kA0 AA0Akt l

38、n(cA0 / cA ) rA rA kcAln 2 / k112kt ( )1/(kcA0 ) kcAcAcA0kt A ln(cA0 / cA )(cB / cB0 ) Aln(2 BcA0 ) rA kcA cB c ck ( c c c)A B0B A0A B0A B0B A0n11112 1kt n() r kccn-1cn1AAn 1kcn-1 (n 1)AA0A0注： A 、 B 为计量系数2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理【例8-6】在湿热灭菌过程中，细菌的死亡速率-rA和活菌数cA之间的关系可近似认为： rA

39、常数）。（式中k为死亡速率 kcA某细菌在392.4K时加热1min，活菌数减少到加热前的十分之一。试计算该细菌的死亡速率常数.若保证杀菌率为90，加热时间浓缩到0.1min时，灭菌温度不能低于多少度？（设杀菌的活化能约为200 kJ/mol）cA0cAkt ln ln解：灭菌反应近似为一级反应cAcA0由题意：t=1min,k 1 ln(1 / 10)所以k=2.30min-1c /c=1/10AA0同理，k=23.0min-1时，由k，k和Ea求得T=409.7K2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理可逆单一反应AP在恒温恒容

40、条件下有：-dcA/dtk1cA-k2cPcPe1cA0 cAet lnk1 k2cA cAecPAcAet2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理平行反应AP；AQPQ同时存在2个以上反应的复合反应，将同 时产生多种产物。产物Q:产物P:cP cP0k1cA0(1 e ( k1 k2 )t )Pk1 k2cA0ccQ cQ0k2cA0(1 e ( k1 k2 )t )Qk1 k2cPcQcA t 2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理一级串联反应APQ在恒温恒容条件下

41、有：ck 1 (ek1t ek2t ) P cA0k2 k1cA0cQk2k1ek1tek2t 1 ck kk kA02121ccQcPcAt2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理本节思考题若将反应速率的定义写成rAdcA/dt，该定义式成立的条件是什么？说明理由。气固相反应的反应速率有哪几种表达方式？气液 相反应情况又如何？ 什么是反应级数？它的大小能否反映反应速率的大小？为什么？对于某一化学反应，它的速率常数是否与反应物的浓 度有关？催化剂能否改变速率常数的大小？ 零级不可逆单一反应有哪些主要特点？(1)(2)(3)(4)(5

42、)2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理本节思考题一级不可逆单一反应有哪些主要特点？二级不可逆单一反应有哪些主要特点？ 对于可逆单一反应，反应物的浓度能减少到零吗？为 什么？ 在平行反应中，什么是主反应？什么是副反应和副产 物？(6)(7)(8)(9)(10) 对于串联反应，其中间产物的浓度随反应时间如何变化？在实际操作中能否将中间产物的浓度控制到最大值？如何控制？2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理8.4典型反应器8.4.18.4.28.4.38.4.4间歇反应器

43、管式（平推流）反应器釜式（全混流）反应器反应器型式的选择2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理8.4.1 间歇反应器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。2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理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

44、化率或反应后的各组分浓度2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理8.4.1间歇反应器的基本方程A0 0r Vt cARA0 0间歇反应器的物料衡算图 r2015/12/6cA dcAA 0 rAt c xA dxA A浓度c物质量nA体积V恒容反应t n xA dxA A-dnA/dt=-rAVqnA0qnA(rA)VRdnA/dtCollege of Chemistry & Materials环境工程原理间 歇 反 应 器 的 动 力 学 实 验 方 法实验方法：测定cA随反应时间的变化 获取的数据：不同反应时间关键组分的

45、浓度 数据解析的目的：确定反应级数和反应速率常数2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理间歇反应器的图解设计法cAtAt面积 面积 tcA000cA0cAxA2015/12/61/rA1/rAA dccA 0 rAxA dxA0 0 rt c ACollege of Chemistry & Materials环境工程原理dcdxcAxAcA,0 0 ctAArrA ,0AA2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理间歇反应器的一个操作周期除反应时间t 外，还有加料、

46、出料、清洗等非生产时间，称辅助 时间t 。如果已知单位时间平均处理物料的体积v，那么反应器体积VR计算公式为：V v(t t )R式中VR为反应器的有效容积。实际反应器的体积VT要比有效容积大，则VT VR / 装料系数，一般为0.40.8。对不发生泡沫不沸腾的液体，取上限。2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理例：在间歇釜式反应器中，己二酸与己二醇以等物质的量比,在343K时进行缩聚反应生产醇酸树脂，以硫酸为催化剂，其反应速率方程式为rA=kcAcB，cA=cB。在343K时，k=1.97L?kmol-1?min-1。己二酸的起

47、始浓度cA0=0.004 kmol.L-1。若每天处理2400kg己二酸，己二酸的转化率为80% ，每批操作的辅助时间为1h，试计算反应器的总容积。装料系数取0.75。2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理解： rA =kcAcB=kcA2 1.97 103 60k 1.97 L kmol 1 min1 0.1182m3 kmol 1 h1xA110.80t 8.46( h )1 xkc0.1182 4 1 0.80A 0A平均每小时要处理的物料体积为：2400 h1v 0.171( m3)24 146 42015/12/6Col

48、lege of Chemistry & Materials环境工程原理则间歇反应器的反应体积为：V v t t 0.171 8.46 1 1.62( m3)R间歇反应器的实际容积为： VR1.62 2.16( m 3 )VT0.75间歇反应器的总容积为2.16m3。2015/12/6College of Chemistry & Materials环境工程原理8.4.2 平推(活塞）流反应器(PFR)平推流 流入反应器的流体，在垂直于流动方向的任一载面上，各质点的流速相同，平行向前流动，恰似汽缸中活塞的移动，故称为活塞流或平推流。其特点是先后进入反应器的物料之间完全无混合，而在垂

49、直于流动方向的任一载面上，物料的参数都是均 匀的。沿反应器轴向上物料之间没有混合，而径向上物 料之间混合均匀。物料质点在反应器内停留的时间都相同。2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理平推流反应器的计算设一反应器体积为VR，进、出反应器的物料参数 如图示，其中qv、qn，分别为反应物A的体积和摩尔 流量。定态操作时，对关键组分A进行物料衡算:进入微元体积的反应物A的速

50、率qn,A=qn,A,0(1-xA)=qv,0cA,0(1-xA)2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理流出微元体积反应物A的速率qn,A+dqn,A, =qv,0cA,0(1-xA-dxA)rAdVRqn,A=qn,A+dqn,A+rAdVRA反应消耗的速率根据物料衡算式可得qV, A,0cA,0(1-xA)=qV,0cA,0(1-xA-dxA)+rAdVR或qV,0 cA,0dxA=rAdVR简化上式得对整个反应器积分得xA , fdx VR0V ,0 A,0 0V dV qcARRrAVxA

51、, f dx A,0 0 cRA或qrV ,0A2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理对恒容过程cA代入上式= cA,0(1-xA) ,则dxA=-dcA/cA,0VRdcAcA ,0 qV ,0rAcA , f上式是活塞流反应器的基本计算式, 关 联 了qV,0、VR、rA、c,A（x,A）、等参数，其中为空间时间，定义为反应物料以入口状态体积流量通过反应器所需的时间。与间歇搅拌釜式反应器的基本计算方程比较， 二者的基本计算方程除在时间表达方式上不同外， 其余完全相同。2015/12/62015/

52、12/6第一章 绪 论College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemist环境工程原理2015/12/62015/12/6第一章 绪 论ry & Materials环境工程原理VRdcAcA ,0qV ,0rAcA , f2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials2015/12/62015/12/6第一章 绪 论环境工程原理College of Chemistry & Materials环境工程原理管式反应器和间歇反应器的比较从理想管式反应器和

53、间歇反应器的表达式比较， 可以看出它们完全相同。理想管式反应器中各个截面上的浓度和转化率 等参数只是空间位置的函数；间歇反应器则随时间 而变化。这些参数经历了相同的变化过程，反应的 推动力是一致的。就反应过程而言，两种反应器具 有相同的效率。因为间歇反应器存在非生产时间，故生产能力 低于管式反应器。2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理例：己二酸(A)与己二醇(B)以等物质的量比，在343K时进行缩聚反应生产醇酸树脂。由实验测得 其反应速率方程式为rA=kcAcB，cA=cB，在343K时， k=0

54、.1182m3?kmol-1?h-1。A的分子量为146， A的起始浓度cA0=4 kmol.m-3。若每天处理2400kg己二酸， 己二酸的转化率为80% ，试计算使用理想管式反 应器所需的容积。并与间歇釜式反应器进行比较。2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理解：根据平推流反应器中二级反应的公式：x0.80Af 8.46kc 1 A 00.1182 4 1 0.80 xAf2400 0.171m3 h1 qV24 146 4 1.45 m 3 V q 0.171 8.46RV2015/12/62

55、015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理 VRVT间歇反应釜理想管式9. 46 1. 62 2. 168. 46 1. 45 1. 45转化率80%间歇反应釜理想管式20. 04 3. 43 4. 5719. 04 3. 25 3. 25转化率90%两类反应器所需容积：VR 间VR 平。间歇反应器有辅助时间和装料系数的影响。2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理8.4.3 全混流反应器（C STR）全混流全混流是指连续稳定流入

56、反应器的物料在强烈的搅 拌下与反应器中的物料瞬间达到完全混合，又称理想混 合流。特点反应器内物料的参数处处均匀，且等于流出物料的参数；但物料质点在反应器中停留的时间各不相同，即形了成停留时间分布。2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理全混流反应器的计算进入反应器的物料粒子与反应器中已有的粒子之间瞬间混合均匀，反应器内处处组成相同。根据连续流动物料衡算式，可得 qn, A,0 (1) qn, A,0 xA, frA f VR或qV ,0cA,0 qV ,0cA, frA f VRcA,0cA, fVR

57、整理得:qV ,0VRrA fcA,0 xA, fqV ,0rA f2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理平推流反应器与全混流反应器的比较cA,0 cA, fVRcA,0 xA, fVRqV ,0rA fqV ,0rA f2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理例：己二酸(A

58、)与己二醇(B)以等物质的量比，在343K时进行缩聚反应生产醇酸树脂。由实验测得其反应速率方程式为rA=kcAcB，cA=cB，在343K时，k=0.1182m3?kmol-1?h-1。A的分子量为146， A的起始浓度cA0=4 kmol.m-3。若每天处理2400kg己二酸，己二酸的转化率为80% ，试计算使用全混流反应器所需的容积。2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理解：根据全混流反应器中二级反应的公式：xAf0.80 42.31 20.1182 4 1 0.802kcxA0Af2400 0

59、.171m3 h1 q V24 146 4 q 0.171 42.3 7.19 m 3 VRV比前面几类反应器所需容积都大。2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理多釜串联反应器（M M FR ）如果生产过程中所需的全混流反应器体积比较大，会 采用几个较小的全混流反应器串联。多釜串联反应器如下图所示。其特点为：每一级反应器都是全混流反应器；反应器之间，流体不相互混合。前一级反应器出口的物料浓度为后一级反应器入口的浓 度。串联级数越多，各级之间反应物浓度差别越小，整个多 釜串联反应器越接近平推流反应器。

60、2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理涉及每级反应器的有效容积VR,i、串联反应器的级数N 、 最 终 转 化 率xA,N、反应物最终浓度cA,N等四个参数，可用代数法和图解法。代数法A ki cA,iP对一级反应:rA,icA,i 1cA,iiki cA,i 1 k cA,i 1或i icA,i2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理cA,0 1 k11即有第一釜cA,1cA,1 1 k 第二釜22cA,

61、2.cA,i 1 1 k 第i釜i icA,i.cA, N 1 1 k第N釜N NcA, NcNi 1A,0(1 k )所有上式连乘，有i icA, N2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理c A,0 cA , NN 1 ki i1生产中往往各级反应器的体积相等, 反应条件相同, 有 12Nk kkk12Nc A,0 cA , NN11 k有x 1 A , N1 kN2015/12/62015/12/6第一章 绪 论College of Chemistry & Materials环境工程原理图解法对定容反应过程，将第i 级 釜 的 基 本 计 算 式为:cA,i 1cA,iirAicA,i 11即：r cAiA,iiicA,i rA,i其出口浓度和为直