生物反应器原理

1、第二章第二章 生物反应器原理生物反应器原理本章内容本章内容 1 1、生物反应器类型、生物反应器类型2 2、反应器中的水力混合特性、反应器中的水力混合特性3 3、反应器数学模型基础、反应器数学模型基础 物理过程影响生化过程：物理过程影响生化过程： 即即流速分布、温度分布、浓度分布流速分布、温度分布、浓度分布影响生化影响生化反应速率反应速率1 1 生物反应器类型生物反应器类型1.11.1按操作条件分：按操作条件分： 间歇操作（分批）反应器和连续操作反应器间歇操作（分批）反应器和连续操作反应器1.21.2按物料流态分：按物料流态分： 安全混合式反应器、安全混合式反应器、 推流式反应器、推流式反应器、

2、 介于二者间的混合流动反应器介于二者间的混合流动反应器 1.3 1.3 按物料相态分：按物料相态分： 均相反应器均相反应器 非均相反应器非均相反应器在污水处理领域中：在污水处理领域中： 1.11.1和和1.21.2结合结合 例如：连续流完全混合反应器例如：连续流完全混合反应器2 2、反应器中的流体流动模型、反应器中的流体流动模型2.1 2.1 理想流动模型理想流动模型1 1） 基本概念基本概念粒子的年龄粒子的年龄 留在反应器内的粒子已经停留的时间；留在反应器内的粒子已经停留的时间；粒子的寿命粒子的寿命 粒子在离开反应器的瞬间，总共停留的时间粒子在离开反应器的瞬间，总共停留的时间 （出口处的粒子

3、年龄）（出口处的粒子年龄）逆向混合逆向混合 指不同年龄的粒子之间的混合（时间概念）指不同年龄的粒子之间的混合（时间概念）2 2）完全混合）完全混合 物料进入反应器后，立即被分散到整个反应器物料进入反应器后，立即被分散到整个反应器里。特点是反应器内的物料浓度完全一致（温度也里。特点是反应器内的物料浓度完全一致（温度也一致）一致） 年龄为年龄为0 0的粒子之间完全混合（最大程度的粒子之间完全混合（最大程度的逆向混合）的逆向混合）3 3）推流）推流 物料进入反应器后沿流动方向平行向前移动，物料进入反应器后沿流动方向平行向前移动，在垂直于流动方向的任一截面上所有的参数都是均在垂直于流动方向的任一截面上

4、所有的参数都是均匀的匀的 进入反应器的所有粒子都有同一寿命（无逆向进入反应器的所有粒子都有同一寿命（无逆向混合）混合）2.22.2非理想流动模型非理想流动模型导致反应器偏离理想的情况：导致反应器偏离理想的情况： 涡流和湍流引起的轴向混合涡流和湍流引起的轴向混合 层流引起的径向流动不均匀层流引起的径向流动不均匀 颗粒物引起的短流和死区颗粒物引起的短流和死区 对理想模型进行修正对理想模型进行修正1 1）离散模型）离散模型 离散模型的建立：离散模型的建立：uuXuu 质量平衡方程：质量平衡方程：XrAAXXNXXCCuAuACXAtCX)(XCDNXX其中：其中：截面积截面积AVuudtCC+dCX

5、Xr离散模型的建立：离散模型的建立： 令：令：X X 0 0rXCuXCDtCX22则：2 2）多级完全混合串联模型）多级完全混合串联模型C1C2CNC0CNV/NV/NV/N特点：每级都是完全混合，并且容积相等特点：每级都是完全混合，并且容积相等 只有一个参数：只有一个参数：N N3 3）其它模型：）其它模型：速度分布模型、推流加循环模型速度分布模型、推流加循环模型 理想反应器组合模型理想反应器组合模型3 3、流动模型的判别与建立、流动模型的判别与建立3.1 3.1 物料在反应器内的停留时间分布物料在反应器内的停留时间分布1 1） 停留时间分布函数停留时间分布函数 设：进入反应器的物料总量为

6、设：进入反应器的物料总量为M M，其中停留时间，其中停留时间在在和和之间的物料为之间的物料为M M MMMM1进入反应器的物料之间的物料和停留时间为MMMMMM1则比例：则比例：定义：定义：1)(MMEMME)( 令：令： 0 0MMdE)(则：则：E() )称为停留时间分布函数（分布密度）称为停留时间分布函数（分布密度） 知道了知道了E() )，就可以计算任意停留时间范围，就可以计算任意停留时间范围的物料在进料中的分率的物料在进料中的分率: :21)(ttdEMME() 2 2）累积分布函数）累积分布函数F() )显然：显然： F () )= = E() )0)()(dEFF()2) 分布函

7、数的性质分布函数的性质性质性质1 1： 检验实验是否正确或检验实验是否正确或E E（ ）是否争取）是否争取性质性质2 2： 就是非理想流动中物料在反应器中的平均停留时就是非理想流动中物料在反应器中的平均停留时间。间。1)(0dE0_)(dE_QVt _性质性质2 2： 非理想流动中物料在反应器中的平均停留时间。非理想流动中物料在反应器中的平均停留时间。 物料在反应器中的平均停留时间：物料在反应器中的平均停留时间： Q 物料流量（物料流量（m3/h） V 反应区容积（反应区容积（m3）0_)(dE_QVt _t性质性质3 3： - -常数常数性质性质4 4： 停留时间的方差停留时间的方差性质性质

8、5 5：)(aEaE02_2)()(dE2222aa4 4、用停留时间分布函数判别流态、用停留时间分布函数判别流态4.1 4.1 用实验建立停留时间分布函数用实验建立停留时间分布函数1 1） 示踪技术示踪技术 利用示踪物质在反应器中的停留时间分布实利用示踪物质在反应器中的停留时间分布实验来测定流体流态。验来测定流体流态。 示踪剂的选择示踪剂的选择物质与物系互溶，并且具有类似的物理性质和混物质与物系互溶，并且具有类似的物理性质和混合特性，但互相不发生化学反应；合特性，但互相不发生化学反应；量少、检出灵敏度高、易于测定；量少、检出灵敏度高、易于测定；对生化反应来说还需具有不被生物吸收和利用。对生化

9、反应来说还需具有不被生物吸收和利用。 实验方法实验方法： 反应器反应器 检测器检测器C0 Q示踪剂示踪剂C 进料进料出料出料脉冲法脉冲法：0 0C0 0 0C=C0 0C0CC0 0C0C0QMCMM示踪剂当当0 0 上式上式E E( () )dd0)(MCQE0)(MCQE0CCtE)(aEaE01)(CCtE0CCtEt0CC无量纲时间无量纲时间无量纲浓度无量纲浓度阶跃法阶跃法：0 0 (当当L0处）处）C=C0 0C0C /C/C0 0F() )4.2 4.2 典型反应器的停留时间分布函数典型反应器的停留时间分布函数理想流动反应器的理想流动反应器的E(E() )1)1)推流式反应器推流式

10、反应器 t t0 0E ()=( ) =t1lim0ttE()tQVt 2)2)连续流完全混合反应器连续流完全混合反应器物料平衡：物料平衡：（d）时刻反应器内留存的示踪物）时刻反应器内留存的示踪物 时刻反应器内的示踪物时刻反应器内的示踪物 d d时间内流出的示踪物时间内流出的示踪物 t tM0CoQQCV2)2)连续流完全混合反应器连续流完全混合反应器物料平衡：物料平衡： V(C dC )= VC - QC d t tdVQCdCQVttCCLn0C0到到C积分积分2)2)连续流完全混合反应器连续流完全混合反应器 t ttEeCCttCCLn0 tetEE()非理想流动反应器的非理想流动反应器

11、的E(E() )1)1)多级完全混合串联反应器多级完全混合串联反应器 t teCC01第一反应器：第一反应器：C1C2CNC0CNVVVQQ每一反应器的平均停留时间每一反应器的平均停留时间 /N/N， 为总停留时间为总停留时间ttt tdCQdCQdCV212第二反应器：第二反应器：C1C2CNC0CNVVVQQt tdCQdCQdCV212dCCdCVQdCVQdC2121212121CCddCeCCddC02211第二反应器：第二反应器： t teCCddC02211初始条件：初始条件：0 0 时时 C C2 2=0 =0 得到解：得到解： eCC02eCC20321第三反应器：第三反应器

12、： t teNCCNN101!11第第N N反应器：反应器： 01!11CeNCNNtNNNetNNttE1!11tEt1.01.0 质量平衡方程：质量平衡方程：XrAAXXNXXCCuAuACXAtCX)(XCDNXX其中：其中：截面积截面积AVuudtCC+dCXXr离散模型反应器离散模型反应器：CXCuXCDX22 示踪剂在反应器内不发生反应示踪剂在反应器内不发生反应 r=0 r=0 ，上式：，上式：rXCuXCDCX22t teNCCNN101!11第第N N反应器：反应器： 01!11CeNCNNtNNNetNNttE1!11离散模型反应器离散模型反应器：CXCuXCDX220 x

13、0C(x,0) =(C0,L,X ) =1lim00D 离散数离散数DtDtE41exp412LuDDxtEt1.01.0理想混合反应器理想混合反应器 tetE连续流完全混合反应器连续流完全混合反应器 推流式反应器推流式反应器 0 0E ()=( ) =t1lim0ttN N级完全混合串联反应器：级完全混合串联反应器： tNNNetNNttE1!11DtDtE41exp412离散模型反应器：离散模型反应器： 非理想混合反应器：非理想混合反应器： N N级完全混合串联反应器级完全混合串联反应器( ( 参数：参数：N )N ) tNNNetNNttE1!11DtDtE41exp412离散模型反应器

14、（参数离散模型反应器（参数D D）4.24.2、非理想混合反应器的参数求取：、非理想混合反应器的参数求取： DtDtE41exp412 这是一个以这是一个以 为随机变量的正态分布为随机变量的正态分布根据正态分布函数的定义：根据正态分布函数的定义： ttEt1.01.01 1）离散模型中的）离散模型中的D D的求取：的求取： 一阶矩一阶矩0_)(dE02_2)()(dE方差方差)1 (22122DteDD则：则：当当D D很小时（很小时（D0.01D0.01）: :Dt22平均停留时间平均停留时间N N的求解：的求解：根据定义：根据定义： 221ttN2)2)完全混合串联反应器参数完全混合串联反

15、应器参数N N的求取：的求取： 0_)(dE NtdE202_2)()(所以：所以：DN21N N和和D D的关系的关系当当D D很小时（很小时（D0.01D0.01）: :DteDDN12212211怎样求怎样求 2t先求：先求：0_)(dE02_2)()(dE再求：再求：)(2)()()()(11111111100_iiiiniiiiiiiniCCCCdCdC即：即： )(2)()()()(11111111100_iiiiniiiiiiiniCCCCdCdC211111121110022)(4)()()()()(iiiiniiiiiiiniCCCCdCdC4.3、停留时间分布函数的应用、停

16、留时间分布函数的应用：1 1）反应器的诊断（是否运行正常）反应器的诊断（是否运行正常）t)(E正常正常 反应器内有短路反应器内有短路t)(E 反应器内有内循环反应器内有内循环t)(E 实验误差或示踪剂被吸收实验误差或示踪剂被吸收t)(E 有二股平行流动有二股平行流动t)(E 死区容积比的确定：死区容积比的确定： %100%tt2) 2) 反应器的数学模型建立反应器的数学模型建立完全混合反应器：完全混合反应器：物料平衡：物料平衡： t tQQ SeVSeSeS0VrSQSQe0r - 生化反应速率生化反应速率进入反应器的物料流出反应器的物料生化反应的物料变化进入反应器的物料流出反应器的物料生化反

17、应的物料变化dtdsXr1eeSkVSQSQ10当生化反应为一级反应时：当生化反应为一级反应时： SkdtdsXr11因：因：V/Q = t V/Q = t 则：则：tkSSe1011tktkSSSe11001 完全混合和和 推流式反应器推流式反应器：) 1 ()(rdVdtdtdSSQdtSQ其中：其中：dVdX物料平衡：物料平衡：Skr1S0SedtSS+dSXrQQ 则：则：rdVdtdtdSSQdtSQ)(代入（代入（2 2）得：）得：)2(rdVdtdtdSQdtQdV ) 3(1dtkSdS积分：积分：dtkSdStSSe100 积分得：积分得：)4(110tkeeSS处理效率：处理效率：)5(11100tktkeeeSSS推流3)N3)N级完全混合串联反应器数学模型级完全混合串联反应器数学模型 10111kSS第一反应器：第一反应器：S1S2SeS0SeVVVQQ每一反应器的平均停留时间每一反应器的平均停留时间 /N/N， 为总停留时间为总停留时间tt设每一级生化反应为一级反应设每一级生化反应为一级反应3)N3)N级完全混合串联反应器数学模型级完全混合串联反应器数学模型 11211kSS第二反应器：第二反应器：210211kSSNekSS1011递推递推。推论：推论： NekSS1011nnentkkSS1101111tknnentk1111limtkeeSS