环境工程原理-第十章-反应器课件

第十章反应器

第一节反应器的分类第二节均相反应器第三节非均相反应器第十章反应器

第一节反应器的分类第二节均相反应器第第一节反应器的分类（一）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(fixedbedreactor)、膨胀床(expandedbedreactor)、流化床(fluidizedbedreactor)等。（二）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）（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。（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。第一节反应器的分类（一）按反应器的结构分类：釜（槽）式(t环境工程原理-第十章-反应器ppt课件一理想反应器第一节反应器的分类完全混合流（亦称全混流、理想混合）(completemixing)：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/pistonflow)：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。一理想反应器第一节反应器的分类完全混合流（亦称全混流、停留时间分布的测定一般采用示踪技术，示踪剂选用易检测其浓度的物质，根据其光学、电学、化学及放射等特性，采用比色、电导、放射检测等测定浓度。选择示踪剂要求：1)与主流体物性相近，互溶，且与主流体不发生化学反应；2)高低浓度均易检测，以减少示踪剂的用量；3)示踪剂的加入不影响主流体的流动形态；4)示踪剂应选择无毒、不燃、无腐蚀且价格较低的物质。停留时间的测定方法根据示踪剂的加入方式分为脉冲法、阶跃法和周期输入法，前两者应用较广。（一）示踪响应测定技术第一节反应器的分类停留时间分布的测定一般采用示踪技术，示踪剂选用易检测其浓度的模型假定：（1）流体以恒定流速u流过系统（2）在垂直于流体流动方向的横截面上，径向浓度分

布均一，即径向上的混合达到最大（3）由于分子扩散、涡流扩散以及流速分布不均匀等

传递机理而产生的扩散，只发生在流动方向即轴

向上,轴向扩散的有效扩散系数用Dea表示，扩散

通量可用费克扩散定律来描述适用对象：偏离活塞流的管式反应器（二）分散模型第一节反应器的分类模型假定：（二）分散模型第一节反应器的分类如果反应器内存在返混，则加入反应器内的脉冲示踪信号在流动过程中会逐渐分散开，基于这种考虑，人为在物料的流动通量上再叠加一个扩散通量以模拟过程的返混，并假定此扩散通量满足Fick定律：（二）分散模型第一节反应器的分类如果反应器内存在返混，则加入反应器内的脉冲示踪信号在流动过程图4.10轴向扩散模型示意图取微元体积dVR做控制体积dVR=ARdZ,做物料衡算输入量包括两项：一项是对流；另一项是扩散则输入项为：则输出项也应包括两项，即：反应项为：累积项为：（二）分散模型第一节反应器的分类图4.10轴向扩散模型示意图取微元体积dVR做控制体积则根据衡算式：输入量+反应量=输出量+累积量，代入各项可得：此即轴向扩散模型方程（二）分散模型第一节反应器的分类根据衡算式：此即轴向扩散模型方程（二）分散模型第一

对全混釜串联反应器停留时间的讨论表明，随着釜数的增加，停留时间分布函数的特性将从单釜向平推流过渡。即N等于1时，为理想全混釜，N趋于无穷时，即为平推流分布特性。N取中间值则可模拟介于全混流和平推流之间的真实流动情况。建模思想是把一真实反应器分解成N个等容积的全混釜区：如

（三）

多级串联模型第一节反应器的分类对全混釜串联反应器停留时间的讨论表明，随着釜数的增加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二节均相反应器1.间歇反应器的操作方法一、间歇反应器2.间歇反应器的设间歇反应器设计的基本方程及设计方法（恒容反应）（恒容反应）第二节均相反应器间歇反应器设计的基本方程及设计方法（恒容反应）（恒容反应环境工程原理-第十章-反应器ppt课件间歇反应器的图解设计法－1/rA－1/rA第二节均相反应器间歇反应器的图解设计法－1/rA－1/rA第二节均相反应二、全混流反应器（一）操作方法与特点操作方法：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。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）第二节均相反应器二、全混流反应器操作方法：连续恒定地向反应器内加入反应物，同（二）设计方法τ＝(cA0xA)/－rA

恒容反应τ＝(cA0－cA)/－rA

第二节均相反应器（二）设计方法τ＝(cA0xA)/－rA环境工程原理-第十章-反应器ppt课件全混流反应器的图解设计法τ＝(cA0xA)/-rAτ＝(cA0－cA)/－rA

（恒容反应）-1/rA-1/rA全混流反应器的图解设计法τ＝(cA0xA)/-rAτ＝(cA（三）多级串联反应器（1）多级串联全混流反应器的基本方程c0c1c2τ＝τ1＋τ2＋···＋τncn第二节全混流反应器－1/rA（三）多级串联反应器c0c1c2τ＝τ1＋τ2＋···＋τn在恒容条件下，第i个反应器的基本设计方程为：第二节均相反应器在恒容条件下，第i个反应器的基本设计方程为：第二节均相反应（2）多级串联反应器的逐步计算法一级恒容反应：－rAi＝kcAi第二节均相反应器（2）多级串联反应器的逐步计算法一级恒容反应：－rAi＝kc（2）多级串联反应器的逐步计算法二级恒容反应：－rAi＝kcAi2第二节均相反应器（2）多级串联反应器的逐步计算法二级恒容反应：－rAi＝kc三、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(pistonflow)]第二节均相反应器三、简单的平推流反应器平推流反应器的特点：（一）操作方式第二第二节均相反应器第二节均相反应器（二）设计计算方法第二节均相反应器（二）设计计算方法第二节均相反应器环境工程原理-第十章-反应器ppt课件图解计算法(12.3.18)(12.3.19)－1/rA－1/rA图解计算法(12.3.18)(12.3.19)－1/rA－第三节非均相反应器一、固相催化反应与固体催化剂（一）催化反应的特征及其在环境工程中的应用催化剂：能改变反应的速率，而本身在反应前后并不发生变化

的物质。催化反应：均相催化反应、非均相催化反应应用：有机废气的催化氧化处理(Pt，Mn-Cu，Mn-Fe)；低浓度废水、污染地下水的高级氧化处理(TiO2)；高浓度有机废水的催化湿式氧化；硝酸根废水、硝酸盐污染地下水的催化还原处理(Fe)。第三节非均相反应器一、固相催化反应与固体催化剂催化剂催化剂本身在反应前后不发生变化，催化剂能够反复利用，所以一般情况下催化剂的用量很少。催化剂只能改变反应的历程和反应速率，不能改变反应的产物。对于可逆反应，催化剂不改变反应的平衡状态，即不改变化学平衡关系。 催化剂对反应有较好的选择性，一种催化剂一般只能催化特定的一个或一类反应。催化反应的基本特征：第三节非均相反应器催化剂本身在反应前后不发生变化，催化剂能够反复利用，所以一般(1)比表面积(as)(specificSurfaceArea)单位质量催化剂具有的表面积,以as表示。大多数固体催化剂的比表面积在5～1000m2/g之间。(2)孔体积(Vg)和孔隙率(εp)每克催化剂内部微孔所占的体积。孔隙率是固体催化剂颗粒孔容积占总体积的分率。(3)固体密度(ρs)和颗粒密度(ρP)：固体密度(ρs)：指催化剂固体物质本身的密度。颗粒密度(ρP)：指单位体积固体催化剂颗粒（包括孔体积）的质量。2.固体催化剂的物理性状第三节非均相反应器(1)比表面积(as)(specificSurfaceA(4)微孔的结构与孔体积分布(5)颗粒堆积密度(ρb)固体催化剂填充层的密度（质量与填充层体积之比）(6)填充层空隙率(εb)固体催化剂填充层内空隙体积与总体积之比。第三节非均相反应器(4)微孔的结构与孔体积分布第三节非均相反应器固体催化剂微孔内表面二、固相催化反应过程固相催化反应的发生场所：①反应物的外扩散；②反应物的内扩散；③反应物的吸附；④表面反应；⑤产物的脱附；⑥产物的内扩散；⑦产物的外扩散A流体主体边界层1A2A3A4P5P6P7P扩散过程动力学过程(表面过程)催化剂的表面（外、内表面）第三节非均相反应器固体催化剂微孔内表面二、固相催化反应过程固相催化反应的发生场①多步骤串联过程②固相反应速率与反应本身和反应组分的扩散有关③反应速率取决于慢步骤，该步骤称为控制步骤(ratecontrollingstep)

扩散控制(传质控制)、动力学控制④反应达到定常态时，各步骤的速率相等固相催化反应的特点第三节非均相反应器①多步骤串联过程固相催化反应的特点第三节非均相反应器三、固相催化反应的本征动力学（一）化学吸附与脱附速率固相催化反应的本质:化学吸附→表面反应→脱附

以气固反应为例，进行说明化学吸附反应活性中心A与活性中心的络合物脱附速率吸附率吸附速率空位率第三节非均相反应器三、固相催化反应的本征动力学（一）化学吸附与脱附速率固相催化表观吸附速率＝吸附速率-脱附速率达到吸附平衡时：吸附速率＝脱附速率吸附平衡方程（KA为吸附平衡常数）第三节非均相反应器表观吸附速率＝吸附速率-脱附速率达到吸附平衡时：吸附速率＝脱（二）表面化学反应表面反应方程各反应组分与活性中心的络合物表观反应速率＝正反应速率-逆反应速率反应达到平衡时：正反应速率＝逆反应速率第三节非均相反应器（二）表面化学反应表面反应方程各反应组分与活性中心的络合物反应的基本过程（三）本征动力学基本假设：①三个反应步骤中必然存在一个控制步骤；②除控制步骤外，其它步骤处于平衡状态；③吸附过程和脱附过程属理想过程，即可用朗格谬尔吸附模型来描述。第三节非均相反应器反应的基本过程（三）本征动力学基本A的吸附速率：表观反应速率：P的脱附速率：各过程的速率方程（气-固相反应）第三节非均相反应器A的吸附速率：表观反应速率：P的脱附速率：各过程的速率方程（1.反应物吸附过程控制表面反应和产物的脱附达到平衡第三节非均相反应器1.反应物吸附过程控制表面反应和产物的脱附达到平衡第三节2.表面反应过程控制反应物吸附和产物的脱附达到平衡第三节非均相反应器2.表面反应过程控制反应物吸附和产物的脱附达到平衡第三节3.产物脱附过程控制反应过程、反应物的吸附达到平衡第三节非均相反应器3.产物脱附过程控制反应过程、第三节非均相反应器四、固相催化反应的宏观动力学(一)宏观反应速率宏观反应速率(－RA)：催化剂颗粒体积为基准的平均反应速率。本征反应速率、催化剂颗粒大小、形状、扩散速率影响因素：－RA与－rA之间的关系：第三节非均相反应器四、固相催化反应的宏观动力学宏观反应速率(－RA)：催化剂颗（二）催化剂的有效系数(effectivefactor、亦称效率因子)反应物A在催化剂表面的浓度以颗粒体积为基准的反应速率常数——对一级反应而言第三节非均相反应器（二）催化剂的有效系数(effectivefactor、亦流体边界层0R催化剂颗粒cAbcAscA＋dcAcA半径位置drr（三）固相催化反应的宏观动力学球形固体催化剂内反应物A的浓度分布0rRrR0流体中浓度流体中浓度流体边界层0R催化剂cAbcAscA＋dcAcA半径位置dr1.球形催化剂的基本方程0RdrrA从r＋dr面的进入量：A从r面的排出量：A的反应量：根据物料衡算式整理可得(z＝r/R)：（边界条件参见讲义）第三节非均相反应器1.球形催化剂的基本方程0RdrrA从r＋dr面的进入量：A2.球形催化剂内的浓度分布方程球形催化剂的最大反应速率（n级反应）球形催化剂的内部最大扩散速率式催化剂内部球心处的A的浓度为零，浓度梯度达到最大第三节非均相反应器2.球形催化剂内的浓度分布方程球形催化剂的最大反应速率（n级Φs称西勒(Thiele)模数第三节非均相反应器Φs称西勒(Thiele)模数第三节非均相反应器以催化剂颗粒体积为基准的最大反应速率与最大内扩散速率的比值。反映了反应过程受内扩散及本征反应的影响程度。内扩散阻力越大，De越小，Φs值则越大。

Φs称西勒(Thiele)模数的物理意义第三节非均相反应器以催化剂颗粒体积为基准的最大反应速率与最大内扩散速率的比值。对于1级反应n＝1基本方程变形为：颗粒内部浓度分布积分得第三节非均相反应器对于1级反应n＝1基本方程变形为：颗粒内部浓度分布积分得3.球形催化剂内的宏观速率方程（1级反应）第三节非均相反应器3.球形催化剂内的宏观速率方程（1级反应）第三节非均相反由催化剂的有效系数的定义：第三节非均相反应器由催化剂的有效系数的定义：第三节非均相反应器五、流化床反应器的设计与操作Lm固定式Lmf临界流态化Lf散式流态化Lf聚式流态化节涌气体输送颗粒的流化及流化态的各种形式

第三节非均相反应器五、流化床反应器的设计与操作Lm固定式Lmf临界流态化Lf流化床反应器：催化剂颗粒处于流态化状态的反应器固体粒子的流化态与流化床反应器流化床的主要优点：①热能效率高，床内温度易于维持均匀；②传质效率高；③颗粒一般较小，可以消除内扩散的影响；④反应器的结构简单。流化床的主要不足：①能量消耗大；②颗粒间的磨损和带出造成催化剂的损耗；③气固反应的流动状态不均匀，会降低气固接触面积；④颗粒的流动基本上时全混流，同时造成流体的返混，影响反应速率。第三节非均相反应器流化床反应器：催化剂颗粒处于流态化状态的反应器固体粒子的流化气-液相反应：反应物中的一个和一个以上组分在气相中，其它组分均处于液相状态的反应称为气-液相反应。特点：反应一般只发生在液相中，气相不发生反应。应用：有害气体的化学吸收；饮用水、污水的臭氧氧化、印染废水的臭氧脱色；硝酸盐污染地下水的氢气还原处理等；污水好氧生物处理中的曝气；有机、还原性气体的生物处理。六、气-液相反应（一）气-液相反应及其应用第三节非均相反应器气-液相反应：反应物中的一个和一个以上组分在气相中，其它组分（二）气-液相反应过程气泡液相第三节非均相反应器（二）气-液相反应过程气泡液相第三节非均相反应器气膜液膜气相主体液相主体相界面AA1A2BBP3P4A51.A从气相主体通过气膜扩散到气液相界面；2.A从相界面进入液膜，同时B从液相主体扩散进入液膜；3.A、B在液膜内发生反应；4.生成物P的扩散；5.液膜中未反应完的A扩散进入液相主体，在液相主体与B发生反应。

几点注意传质和反应的综合本征反应速率宏观反应速率反应控制传质控制第三节非均相反应器气膜液膜气相主体液相主体相界面AA1A2BBP3P4A51.气相主体气膜液膜液相主体相界面七、气-液相反应动力学（一）气-液相反应的基本方程第三节非均相反应器气相主体气膜液膜液相主体相界面七、气-液相反应动力学第三节二级不可逆气-液相反应本征反应速率方程为：（注意：液相中的反应，即单位液体，而不是混合液体积的反应速率）A的扩散进入量：反应量：积累量：定常态(0)A的扩散出去量：第三节非均相反应器二级不可逆气-液相反应本征反应速率方程为：（注意：液相中的反应物A的物料衡算式：二级不可逆气-液相反应同理，B的基本方程第三节非均相反应器反应物A的物料衡算式：二级不可逆气-液相反应同理，B的基本方反应速率与界面扩散速率的关系：A的消失速率＝通过气-液相界面的扩散速率则以相界面积为基准的反应速率可表示为：(14.2.7)基本方程的应用：根据反应条件，求出反应组分在液膜中的分布在反应达到定常态时第三节非均相