第13章环境工程原理均相化学反应器

1、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

2、 VrtnAAdd(12.2.1)AxAAAVrxnt00d(12.2.3)第一节 间歇与半间歇反应器AxAAArxct00d(12.2.4)（恒容反应）AAccAArct0d(12.2.6)（恒容反应）(12.2.2)VrtxnAAAdd0 间歇反应器中发生一级反应A B(恒容反应)，反应速率常数 k 为0.35 h-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 = 6.58 h例题例题

3、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0A面积ct0AxA1rt面积0A1r0AcAcAxAAArxct00d(12.2.4)AAccAArct0d(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

4、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反应量-rAV浓度cA体积VA的流入量000AvnAcqqA的流出量AvAncqqtqnntqnntqnttxAnAAAnAAAnAA0000001)(AAA的量时间内加入的的起始量的量时间内反应消耗掉的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

5、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反应量-rAV浓度cA体积VA的流入量000AvnAcqqA的流出量AvAncqq 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+P

6、Q，r2k2cAcP(b) 例题13.1.2第一节 间歇与半间歇反应器AcBcQc(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BcPcQctctcA+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

7、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A B，反应速率常数 k 为0.35 h-1，要使A的去除率达到90，则A需在

8、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0A面积c0AxA1r面积0Ac0A1rAc(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c0c1c24321420AC0A1rAC12n31第二节 全混流反应器 cAn

9、cA(n-1)AivAincqq)1()1(i-Avi-Ancqq在恒容条件下，第 i个反应器的基本设计方程为：00,AnAinAniAqqqxAiiAAiAAiAiiAViirxxcrccqV)1(0)1(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：rAikCAiAiAiiAAiAiiAViikcccrccqV)1()1(1011kccAA)1)(1 (1210212kkckccAAA)1 ()1)(1 (210nAAnkkkcciiAAikcc1)1(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：rAikcAi22)1()1(Ai

10、AiiAAiAiiAViikcccrccqViiAiAikckc2411)1( 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300 K 时的速率方程为：-rA=2.7710-3CAmol/(m3.s)。将乙酸浓度为600 mol/m3的液体以0.050 m3/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0.80 m3时(2) 0.40 m3的反应器，二个串联使用时(3) 0.20 m3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0.80 m3时s96060/105080. 03330

11、1mol/m0 .1649601077. 216001kccAA%7 .726001646000101AAAAcccx平均空间时间第二节 全混流反应器 (2) 0.40 m3的反应器，二个串联使用时s48060/105040. 03323202mol/m6 .110)4801077. 21 (600)1 (kCCAA%6 .816006 .1106000202AAAACCCx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s24060/105020. 03343404mol/m1 .78)2401077. 21 (600)1 (kccAA%0 .87600

12、1 .786000304AAAAcccx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AiAiiAViirccqV )1(iiAAiAiccr)1( 操作方程)(AAickfr 速率方程i10ArAC反应曲线1iAC第二节 全混流反应器 iACiAriAC3Ac2Ac31:斜率1Ac210Ac110ArAC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A B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0.35 h-1，反应物A的初始浓度为150 mg/L，10个CSTR完全相同，A在每个CSTR中的停留时间是1/1.5 h，分别采用公式法和图解

13、法求A的转化率。 例题13.2.3第二节 全混流反应器 公式法：0)11(AnAnckc15081734. 0150)667. 0)(35. 0(11(nnAnc当n=10时, 有 mg/l1810AC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/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%。AAA

14、kcrtcdd一级反应速率方程为第二节 全混流反应器 501001500102030405060-rA /mg/(L.h)rA , mg/l斜率=1.50 h-1AAAkrtrrdd18(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

15、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、Piston Flow） 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

16、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 kAAeCC0于是有mg/l5 .14)150()67. 6)(35. 0(eCA所以1个平推流反应器的转化率为： xA=(150-14.5)/150100%=90.3%。例题例题13.3.1解：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A B，反应速率常数k 为0.35 h-1，要使A的去

17、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 =6.58 h 例题例题13.3.2解：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300 K时的速率方程为：-rA=2.7710-3 cAmol/(m3s)。将乙酸浓度为600 mol/m3的液体以0.050 m3/min的速度送入一有效体积为0.80 m3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

18、AxAAAVAxkcdxqcV000)1 (根据题意s96060/ )1050(80. 03930. 019601077. 23exA)1ln(Axk)1ln(AVxqkVkAex1kAex1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0A面积c0AxA1r面积0A1r0ACACAxAAArdxc00(12.3.18)AAccAArdc0(12.3.19) 间歇反应器的图解设计法第一节间歇与半间歇反应器0Act面积0AxAr1t面积0Ar10AcAcAxAAArdxct00（12.2

19、.4）AAccAArdct0（12.2.5）(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反应器反应物料产物循环(a)反应器反应物料产物未反应物料循环(b)分离器(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 生成物营养物质菌体分离器菌体浓缩液(c)第三节 平推流反应器 （二）循环反应器的设计方法Vcqq，AVAn00A0VAn

20、cqq111AVAncqq22A2VAncqqAeAeeVAencxqqMN33VAnqq，(a) 平推流循环反应器eqqV3V排出反应器的体积流量循环物料的体积流量循环比第三节 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) Vcqq，AVAn00A0VAncqq11A1VAncqq22A2VAncqqAeAeeVAencxqqMN33VAnqq，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)

21、 (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)Vcqq，AVAn00A0VAncqq11A1VAncqq2A2VnA2cqqAeAeeVAencxqqMN33VAnqq，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qnA1 qnA1qnA01(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qnA

22、0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)qnA0 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。 00AnAnAnAqqqx第三节 平推流反应器 2. 循环反应器的等价反应器Vcqq，AVAn00A0VAncqq11AAnxqAeAAn22xxqM(b) 与(a)等价的反应器Vcqq，AVAn00A0VAncqq11A1VAncqq22A2VAncqqAeAeeVAencxqqMN33VAnqq，(a) 平推流循环反

23、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。Vcqq，AVAn00A0VAncqq11AAnxqAeAAn22xxqM第三节 平推流反应器 (3) 反应器M出口处的转化率xA1为：)1 ()1 (1)1 (0000101AnAeAnAnAnAnAnAqxqqqqqx11AeAxx(13.3.13)第

24、三节 平推流反应器 Vcqq，AVAn00A0VAncqq11AAnxqAeAAn22xxqM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。AenAnAenAnAnAnAAxqqqqqqx)1 ()1 ()1 (000202(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) qv qv 0(1)(1+AxA) (13.3.16) 第三节 平推流反应器 AeAexxAAAnrxdqV)1(0)1 (设计方程3. 循环反应器的设计方法等价反应器的设

25、计AxAAAnrdxqV00(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 AeAexxAAAnrxdqV)1(0)1 (设计方程ABCDEFG2CDAB 0A1rAxx1AeAex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：1AAeccAArdc 100000)(AVVAeVAVcqqcqcq 例题例题13.3.4解：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。 AeAeAcccAAVrdcqV100)1 ( 所以1)(01AeAAccc 第三节 平推流反应器 10VqV 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