水处理课件-水处理反应器理论

第三章水处理反应器理论

3．1几种常见的反应

3.1.1反应速率与反应级数

1.反应速率单位时间、单位体积内某物质量的变化，单位为molm-3s-1。表示为：(3－1)式中的可以和V组合成A的浓度，因此(3－2)

当A代表反应物时，反应速率应为负值；当A代表产物时，则应为正值，如图3－1所示。

2.反应级数对于反应(3－3)产物P的反应速率可以表示为：(3－4)则P为A的a级，B的b级，合为a+b级。反应物可以分别表示为：(3－5)(3－6)需注意的是：（1）浓度均为反应物；（2）系数不一定等于A、B前的系数；（3）如不存在如此关系，叫无反应级数的提法。

3．基元反应构成化学计量方程的反应序列中的反应称为基元反应。绝大多数的基元反应，其反应级数与化学计量系数完全相等，例如：引发（3－7）传递（3－8）传递（3－9）（3－10）（3－11）

3.1.2单一组分的零级反应如果已知单一组分的反应为零级反应，则（3－12）边界条件：t=0cA=cA0t=tcA=cA，故

（3－13）（3－14）零级反应浓度随时间的变化见图3-2。

3.1.3单一组分的一级反应如果反应为一级反应，则（3－15）（3－16）（3－17）（3－18）由于，为P的浓度，由式（3－16）得（3－19）

一级反应的浓度随时间的变化见图3-3。对方程（3－18）进行变换可得(3－20)

用式（3-20）作图，见图3-4，根据其坡度可求k。

一级反应的反应物的半衰期可按3-5求得。

(3－21)

3.1.4两种反应物的二级反应如果已知下列两种反应物的反应是一个二级反应，A及B的初始浓度分别为及,则的表达式按以下方法求得。1.当时，t=0cA=cA0cB=cB0cP=0t=tcA=cA0-xcB=cB0-xcP=x

（3－22）（3－23）根据3-23式作图图，见见图3-6，可求求得二二级反反应的的速率率常数数。利用此此图求求常数数k。2当时时（3-24）在（0，t）内积积分得得：（3-25）半衰期期:对于二二级反反应：所所需需时间间所需时时间故二级级反应应,衰减越越来越越慢3.1.5平行反反应（3－26）（3－27）（3－28）（3－29）（3－30）同理（3－31）3.1.6可逆反反应边界条条件:t=0t=t进行积积分得得：（3－32）当（3－33）3.3串连反反应条件:边界条条件：：t=0t=t①（3－34）②（3－35）③（3－36）3．2物料衡衡算与与质量量传递递3.2.1物料衡衡算方方程设在反反应器器内某某一指指定部部位，，任选选某一一物组组分i，可写写出如如下物物料平平衡式式：单位时时间变变化量量=单位时时间输输入量量-单位时时间输输出量量+单位时时间反反应量量(3——38)当变化化量为为零时时，称称为稳稳态，，即：：单位时时间输输入量量-单位时时间输输出量量+单位时时间反反应量量＝03.2.2质量传传递传递机机理可可分：：主流流传递递；分分子扩扩散传传递；；紊流流扩散散传递递。1.主流传传递物质随随水流流主体体而移移动，，称主主流传传递。。它与与液体体中物物质浓浓度分分布无无关，，而与与流速速有关关。传传递速速度与与流速速相等等，方方向与与水流流方向向一致致。2.分子扩扩散传传递(3——39)式中:J——物质扩扩散通通量，，单位位：[摩尔/面积/时间]或[质量单单位/面积/时间]DB——分子扩扩散系系数，，单位位：[面积/时间]Ci——组分I的浓度度，单单位：：[摩尔/体积]或[质量单单位/体积]x——浓度梯梯度方方向的的坐标标3.紊流扩扩散传传递紊流扩扩散通通量可可写成成类似似于分分子扩扩散通通量式式；(3——40)式中：：DC———称紊流流扩散散系数数。3．3理想反反应器器模型型3.3.1理想反反应器器分类类见图3-7,有完全全混合合间歇歇式反反应器器（CMB型）、、完全全混合合连续续式反反应器器（CSTR型）、、推流流式反反应器器（PF型）等等三种种3.3.2完全混混合间间歇式式反应应器（（CMB型）物料衡衡算式式为：：(3——41)t=0，Ci=C0；t=t，C=Ci，积分分上式式得：：(3——42)设为一一级反反应，，r（Ci）=-kCi，则(3——43)设为二二级反反应，，r（Ci）=-kCi2，则：：(3——44)3.3.3完全混混合连连续式式反应应器物料衡衡算式式为：：（3—45）按稳态态考虑虑，即即，，于于是：：（3—46）设为一一级反反应，，r（Ci）=-kCi，则因，故故（3—47）3.2.4推流型型反应应器现取长长为dx的微元元体积积，列列物料料平衡衡式：：稳态时时，，，，则则：（3—48）x=0，Ci=C0；x=t，C=Ci，积分分上式式得（3—49）3.4非理想想反应应器3.4.1一般概概念PF型和CSTR型反应应器是是两种种极端端的、、假想想的流流型。。图3—9表示两两种理理想反反应器器自进进口端端至出出口端端的浓浓度分分布。。PF型反应应器在在进口口端是是在高高浓度度C0下进行行反应应，只只是在在出口口端才才在低低浓度度Ce下进行行反应应。而而CSTR型始终终在低低浓度度Ce下进行行反应应，故故反CSTR型反应应器生生产能能力低低于PF型。CSTR型反应应器中中存在在返混混，即即停留留时间间不同同的物物料之之间混混合。。纵向分分散模模型见见图3-10，其基基本设设想是是在推推流型型基础础上加加上一一个纵纵向混混合。。纵向向混合合可以以用纵纵向分分散系系数D1来表征征它的的特性性：（3—50）取出一一个微微元长长度，，列物物料衡衡算式式：输入量量：输出量量：反应量量：物料变变化量量：则：（（3—51）稳态时时，故故：：（3—52）3.5反应器器理论论在水水处理理中的的应用用3.5.1水处理理中常常见的的反应应器水处理理中常常见的的反应应器的的常见见反应应器见见表3-1。表3-1水处理中中的常见见反应器器反应器期望的反应器设计反应器期望的反应器设计快速混合器絮凝器沉淀砂滤池吸附离子交换完全混合局部完全混合的活塞流活塞流活塞流活塞流活塞流软化加氯污泥反应器生物滤池化学澄清活性污泥完全混合活塞流局部完全混合的活塞流活塞流完全混合完全混合及活塞流3.5.2计算化学学反应的的转化率率1转化率经过一定定的反应应时间以以后，已已反应的的反应物物分子数数与起始始的反应应物分子子数之比比。如果果反应前前后总体体积没有有变化，，其转化化率可以以用反应应物浓度度的变化化来计算算，即（3—53）式中—转化率；；V——反应前后后的总体体积；—t=0时A的浓度