05-第五章 间歇式操作反应器
序列间歇式(序批式)活性污泥(SBR)反应器的设计
序列间歇式(序批式)活性污泥（SBR）反应器的设计SBR是序列间歇式活性污泥法的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。
与传统污水处理工艺不同，SBR技术采用时间分割的操作方式替代空间分割的操作方式，非稳定生化反应替代稳态生化反应，静置理想沉淀替代传统的动态沉淀。
它的主要特征是在运行上的有序和间歇操作，SBR技术的核心是SBR反应池，该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统。
一、SBR工艺的优点1、理想的推流过程使生化反应推动力增大，效率提高，池内厌氧、好氧处于交替状态，净化效果好。
2、运行效果稳定，污水在理想的静止状态下沉淀，需要时间短、效率高，出水水质好。
3、耐冲击负荷，池内有滞留的处理水，对污水有稀释、缓冲作用，有效抵抗水量和有机污物的冲击。
4、工艺过程中的各工序可根据水质、水量进行调整，运行灵活。
5、处理设备少，构造简单，便于操作和维护管理。
6、反应池内存在DO、BOD5浓度梯度，有效控制活性污泥膨胀。
7、SBR法系统本身也适合于组合式构造方法，利于废水处理厂的扩建和改造。
8、脱氮除磷，适当控制运行方式，实现好氧、缺氧、厌氧状态交替，具有良好的脱氮除磷效果。
9、工艺流程简单、造价低。
主体设备只有一个序批式间歇反应器，无二沉池、污泥回流系统，调节池、初沉池也可省略，布置紧凑、占地面积省。
二、SBR系统的适用范围由于上述技术特点，SBR系统进一步拓宽了活性污泥法的使用范围。
就近期的技术条件，SBR系统更适合以下情况：1、中小城镇生活污水和厂矿企业的工业废水，尤其是间歇排放和流量变化较大的地方。
2、需要较高出水水质的地方，如风景游览区、湖泊和港湾等，不但要去除有机物，还要求出水中除磷脱氮，防止河湖富营养化。
3、水资源紧缺的地方。
SBR系统可在生物处理后进行物化处理，不需要增加设施，便于水的回收利用。
4、用地紧张的地方。
5、对已建连续流污水处理厂的改造等。
间歇操作槽式反应器技术背景
间歇操作槽式反应器技术背景
间歇式反应器是一种间歇的按批量进行反应的化学反应器，液体物料在反应器内完全混合而无流量进出。
例如：水处理过程中，带有搅拌设备的按批量处理不连续运行的小水量处理池。
采用间歇操作的反应器叫做间歇反应器，其特点是进行反应所需的原料一次装入反应器，然后在其中进行反应，经一定的时间后，达到所要求的反应程度便卸除全部反应物料，其中主要是反应产物以及少量未被转化的原料。
间歇操作的反应器，是将所有反应物均在操作前一次加入，随着反应的进行，釜内温度、浓度和反应速度都随时间变化，一直进行至达到预定的转化率出料为止。
目前，间歇釜因其结构简单、操作方便、灵活性大而受到广泛应用，但是间歇釜的装料、卸料、检查及清洗设备等所需辅助时间长，造成劳动强度高，生产效率低，因此其结构急需改进。
与间歇式批量制造相比，由于对反应条件（例如温度、压力和反应时间）的高度控制，连续流制造提供了更高的产品质量和更少的批次间可变性。
出于同样的原因，流动化学技术使得化学家容易地进行反应，这在间歇批处理模式下式非常具有挑战性的。
该技术的模块化特性提供了更大灵活性，而且有助于将流动反应器的应用扩展到不同的工业过程，从而减少生产链事故。
此外，流动反应器系统的封闭环境提供了更安全的工作条件，防止操作员直接接触危险化学品。
设备小型需要更少的实验室空间，由于出色的传质和传热，反应器小型化本质上提高了反应质
量。
借助合适的过程分析技术（PAT）和模块的集成，连续流过程可以伸缩和自动化，从而加快生产保持产品质星并提高产品吞吐量。
伸缩过程也改善了制造过程的绿色方面，因为反应产物在用于下一步之前不需要分离和储存，而是可以直接流入下一个反应器。
间歇釜式反应器
计算方法
1、已知V0与 ，根据已有的设备容积V，求算需用设备个数n 按设计任务每天需要操作的总次数为： α =
24V0 24V0 = VR V
β= 每个设备每天能操作的批数为：
n' =
24 24 = t τ +τ '
则需用设备个数为：
α V0 (τ + τ ') = β V
VR = V = V0 (τ + τ ' ) / n '
物料衡算式 依 据：质量守衡定律。 基 准： 取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和 单元时间作为空间基准和时间基准。 衡算式：对任一组分A在单元时间Δτ、单元体积ΔV内： [A的积累量]=[A的进入量] [A的离开量] [A的反应量] [A的积累量]=[A的进入量]-[A的离开量]-[A的反应量] 的积累量]=[A的进入量 的离开量 的反应量 目的：给出反应物浓度或转化率随反应器内位置或时 间变化的函数关系。
热量衡算式 （1）依 据： 能量守衡定律。 （2）基 准： 取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和单元时间作为 空间基准和时间基准。 （3）衡算式 在单元时间Δτ、单元体积ΔV内（以放热反应为例）： [积累的热量]=[原料带入的热量]+[反应产生的热量]-[出料带走的热量]积累的热量]=[原料带入的热量]+[反应产生的热量] 出料带走的热量] ]=[原料带入的热量]+[反应产生的热量 [传给环境或热载体的热量] 传给环境或热载体的热量] （4）目的：给出温度随反应器内位置或时间变化的函数关系。
BR体积和数量求算 体积和数量求算
已知条件 每天处理物料总体积VD（或反应物料每小时体积流量V0）
Vρ
操作周期——指生产第一线一批料的全部操作时间，由反应时 间（生产时间）τ和非生产时间τ‘ 组成。 反应时间理论上可以用动力学方程式计算，也可根据实际情 况定。 设备装料系数——设备中物料所占体积与设备实际容积之比， 其具体数值根据实际情况而变化，参见表3-1。
化学反应工程_中国石油大学(华东)中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
化学反应工程_中国石油大学（华东）中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.反应平衡常数随温度变化关系，与（）成正比。
答案:反应热2.关于动力学方程，以下正确的认识是：答案:一般反应的动力学方程和计量方程间无必然联系3.停留时间分布密度函数E(t)没有单位答案:错误4.对于一恒容反应，以下说法正确的是：答案:达到相同的转化率时，在间歇式反应器中进行需要的反应时间与在平推流反应器中进行需要的空时相等5.以下对离析流模型描述正确的是答案:宏观流体可以采用离析流模型计算_离析流模型中流体粒子可看做间歇釜反应器_离析流模型中流体粒子之间不存在物质交换6.影响轴向分散系数D的因素包括答案:湍流扩散_分子扩散_流体速率分布7.如果一个反应的瞬时收率与反应物浓度关系曲线有极大值，采用全混流-平推流进行串联也是个不错的选择。
答案:正确8.轴向分散系数与分子扩散系数，下面论述正确的是答案:分子扩散系数是物质本身的一种属性_两者实质上是不同的_轴向分散系数是与流动有关系的9.从反应器停留时间分布测定中求得无因次方差为0.99，反应器可视为答案:全混流10.二个相同体积的全混釜串联操作，其无因次停留时间分布的方差值为答案:0.511.由示踪实验测得一反应器的停留时间分布密度函数【图片】可计算流体在该反应器内平均停留时间为 min。
答案:1012.理想活塞流反应器E(t)曲线的方差是答案:13.停留时间分布函数F(t)取值范围是答案:[0, 1]14.关于我们选择反应器类型时需要考虑的因素，以下描述对不对？答案:以上因素均需要考虑15.对于在间歇式反应器中进行的不可逆反应，以下说法正确的是答案:一级反应的转化率与反应物的初始浓度无关16.对于不可逆气相反应A+2B→2C，在一的全混流反应器中进行，若进料中A与B的摩尔比为1：3，空时为8min，反应器出口A的转化率为80%，则物料在反应器中的平均停留时间为：答案:等于10min17.关于一个反应器的物料衡算方程，以下说法正确的是答案:对着眼组分i的物料衡算方程表达为：单位时间内i组分流入控制体积的摩尔数+单位时间内控制体积内因反应而生成的i组分的摩尔数=单位时间内流出控制体积的i的摩尔数+单位时间内控制体积内累积的i组分的摩尔数_方程中i组分累积的速率是指控制体积中i组分单位时间内增加的摩尔数18.不管哪种反应器类型，某反应物的转化率都可根据器内该组分摩尔数的变化来计算答案:错误19.对于不可逆气相反应A+2B→2C，在一恒温恒压的平推流反应器中进行，若进料中A与B的摩尔比为1：3，空时为8min，反应器出口A的转化率为80%，则物料在反应器中的平均停留时间为：答案:不能确定其具体数值20.对于平行-连串反应A+B→R，R+B→S，如果要有利R的生成，A应该采用平推流侧线小股进料。
反应器基础知识—化学反应器的类型
反应过程 进行的条件
操作温度：等温反应、变温反应。 操作压力：常压反应、加压反应、减压反应。 操作方式：间歌式、连续式、半连续式。 旗热方式：自热式、对外换热式、绝执斗。
相的类别和数目
根据反应过程中所涉及的物料的相态可把反应分为均相反应和 非均相反应。 均相度应：指反应过程中只存在一个相态。如气相反应、液相 反应、固相反应。 均相反应：反应过程中不只存在一个相态。如气液相反应、液固相反应、气-液-固三相反应、气-固相反应。
反应速率除考虑温度、浓度等因素外，还与相间传质速率有关。
2. 按反应器结构分类 （a） 釜式反应器； （b）管式反应器； （c）固定床反应器； （d）流化床反应器； （e）塔式反应器：板式塔、填料塔、鼓泡塔、喷雾塔
实质是按传递过程的特征分类，相同结构反应器内物料具 有相同流动、混和、传质、传热等特征。
。
常见的工业反应器
均相间歇反应器
半间歇反应器
连续搅拌反应器组合
轴向填充床催化反应器
流化床催化反应器
一、化学反应类型：
化学反应类型
操作温度： 操作压力： 操作方式： 换热方式：
均相反应： 非均相反应：
反应特性
反应机理：简单反应（只发生一个化学反应）、复杂反应（不 只发生一个反应，如平行反应、连串反应、自催化反应）。 反应级数：零级反应、一级反应、二级反应、分数级反应等。 不同级数的反应，反应浓度对反应速率的贡献不同。 反应分子数：单分子反应、双分子反应、三分子反应等。 可逆性：可逆反应、不可逆反应。 热效应：吸热反应、放热反应。
均相： 气相：如石油烃管式裂解炉 液相： 如乙酸丁酯的生产
非均相： g-l相：如苯的烷基化 g-s相：如合成氨 l-l相：如已内酰胺缩合 l-s相：如离子交换 g-l-s相：如焦油加氢精制
反应器
换热可在反应区进行，如通过夹套进行换热的搅拌釜，也可在反应区间进行，如级间换热的多级反应器。
操作条件
主要指反应器的操作温度和操作压力。温度是影响反应过程的敏感因素，必须选择适宜的操作温度或温度序 列，使反应过程在优化条件下进行。例如对可逆放热反应应采用先高后低的温度序列以兼顾反应速率和平衡转化 率（见化学平衡）。
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操作方式
反应器按操作方式可分为：
①间歇釜式反应器,或称间歇釜。
操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇釜 的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应， 实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。
选型
对于特定的反应过程，反应器的选型需综合考虑技术、经济及安全等诸方面的因素。
反应过程的基本特征决定了适宜的反应器形式。例如气固相反应过程大致是用固定床反应器、流化床反应器 或移动床反应器。但是适宜的选型则需考虑反应的热效应、对反应转化率和选择率的要求、催化剂物理化学性态 和失活等多种因素，甚至需要对不同的反应器分别作出概念设计，进行技术的和经济的分析以后才能确定。
除反应器的形式以外，反应锅的操作方式和加料方式也需考虑。例如,对于有串联或平行副反应的过程,分段 进料可能优于一次进料。温度序列也是反应器选型的一个重要因素。例如，对于放热的可逆反应，应采用先高后 低的温度序列，多级、级间换热式反应器可使反应器的温度序列趋于合理。反应器在过程工业生产中占有重要地 位。就全流程的建设投资和操作费用而言，反应器所占的比例未必很大。但其性能和操作的优劣却影响着前后处 理及产品的产量和质量，对原料消耗、能量消耗和产品成本也产生重要影响。因此，反应器的研究和开发工作对 于发展各种过程工业有重要的意义。
第五章 间歇式操作反应器
对底物，有
进入体 离开体 体系内 体系内 体系内累积 底物质量 系的底 系的底 生成的 消耗的 物质量 物质量 底物量 底物量
对细胞，有
体系内累 进入体系 离开体系 体系内生 积细胞质量 细胞质量 细胞质量 长细胞质量
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2013-8-21
第5章 生化反应器设计与分析>>5.1生化反应器设计概论
NS——底物的质量，g或mol VR——BSTR的有效体积， VR=常数
2013-8-21
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第5章 >> >>5.2间歇操作搅拌槽式反应器（BSTR）
一、BSTR的反应时间
对上式积分， B.C. t=0，CS=CS0 ， t=tr，CS=CS ， 反应时间为: C dC S tr C rS
重要概念：
Batch operation
Continuous Packed bed
返混——将不同停留时间的物料之间的混合 全混流——完全返混 活塞流——（完全无返混）在反应器内反应液象活塞样流动。
活塞流反应器内的物料停留时间一致。
理想流动模型（全混、活塞流）与非理想流动模型——
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Input components /unit volume
=
Output components /unit volume
+
converted components /unit volume
间歇式反应器(专业教育)
特备参考
16
制药工业属于精细有机合成工业，其产量小、规模一 般较小，因此大多采用间歇操作，所用反应器常为带搅拌装 置的锅式反应器（间歇式反应器）。 5.典型搅拌反应锅的结构
这类设备的化工零部件国内 已标准化，可参见《化工设备设计手 册》第一分册（材料与零部件）。
主要由以下部分组成： ⑴锅的主体 ⑷轴密封装置 ⑵换热装置 ⑸传动装置 ⑶搅拌装置 ⑹工艺接管
如：混酸的硝化过程即是液—液非均相反应，硝化反应同时 在两相内进行，但在酸相内反应速度比在有机相中的速度大 好几倍，当相接触面小时，总反应速度会显著下降。为了扩 大流体两相间的接触面积，通常在反
应器内装有高效搅拌器，在急剧
搅拌下，使液滴分散的很细，大
大增加两相间的接触面积，同时
由于各相内所形成的湍流而强化
非均相：过程的速率与温度、浓度、相间传质速率均有关。
气-液相—锅式、塔式、管式 液-液相—锅式、列管式 气-固相—沸腾床、固定床、锅式 液-固相—锅式 气-液-固相—锅式、塔式、流化床 固-半固相—球磨机型、螺杆型、卧式带钢球的锅式
特备参考
12
⑷按操作方式分
①间歇操作（也称分批操作）反应器 ②连续操作反应器 ③半连续操作（或称半间歇操作）反应器：
第三章 间歇式反应器
第一节 概述
一、反应器类型
反应、分离、制剂构成了药品生产的主要工艺过程。原 料在反应器内进行反应，通过分离等方法获得原料药，原料 药经过一定的制剂工艺(如混合、造粒、干燥、压片、包衣、 包装等)即成为出厂的药品。其中，反应是整个生产工艺过程 的核心，而反应器则是反应过程的核心设备。
原料与产物只要其中的一种为连续输入或输出，而其余 则为分批加入或卸出的操作。 a.常用反应器：锅式、塔式 b.操作特征：半连续反应器中的反应物系组成必然随时间而 改变，也随反应器内的位置而改变。 c.适用场合：改变连续流动物料的加料速度，可调节反应速 率。
理想间歇操作釜式反应器的计算
理想间歇操作釜式反应器的计算王丽婷 13化工二班 1303022011间歇釜式反应器的特征特点:1、由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀,且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；2、具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；3、物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。
优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产,精细化工产品、制药、染料、涂料生产。
缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定。
一、基础方程式单位时间进入反应器的物料A 的量-单位时间流出反应器的物料A 的量-单位时间内反应掉的物料A 的量=单位时间内在反应器内物料A 的积累量 )_1(0A A A X n n =RA A A V r dx n dt )(_0= 二、反应时间的计算n A0 ----在t=0时反应器中物料A 的摩尔数n A ----在 t 时反应器中物料A 的摩尔数-r A ----组分 A 在操作条件下的反应速率（消失速率）A x ----在 t 时反应器中物料A 的转化率上式是间歇反应器计算的基本方程式，表达了在一定操作条件下为达到所需求的转化率A x 所需要的反应时间t ，适用于任何间歇反应过程，均相或多相，等温或非等温的，可以直接积分求解，也可以用图解法。
如果是非等温过程，反应速度常数随温度变化，而温度又随转化率变化，则需联立解方程恒温、恒容不可逆时间歇操作釜式反应器中物料达到一定出口转化率所需时间t 取决于反应速度，与处理量无关，所以可用于直接放大。
零级反应k r A )(一级反应二级反应当动力学方程解析式相当复杂或不能做数值积分时，可用图解法。
生物反应器工程课件-5
产物
一、理想间歇反应器——BSTR （batch stirred tank reactor） 特征： 空间位置上不存在混合有关的温度、浓度等参数分布； 这些参数均为时间的单变量函数。
二、 BSTR操作特性方程 进－出＝反应量＋累积量 dc S t r = − ∫c S 0 rS
cS
A
底物转化率： cS 0 − cS XS = cS 0 dX S t r = c S 0 ∫0 rS
XS
tr CS0
CS
CS
间歇反应器的反应时间的图解积分
5.2.2.1 均相酶反应
dX S t r = c S 0 ∫0 cS rmax K m + cS cS 0 1 rmax t r = c S 0 X S + K m ln rmax t r = (c S 0 − c S ) + K m ln 1− XS cS
YX / S c S 0 + c X 0 − c X cX µmax t r = A ln − B ln cX 0 YX / S c S 0
5.2.2.4 最优反应时间 对一简单反应
S→P
单位时间的产物产量为
VR c P FP = tr + tb
⎡ ⎤ dc P − cP ⎥ V R ⎢ (t r + t b ) dt r dFP ⎣ ⎦=0 = dt r (t r + t b )2
XS
c S 0 << K m 反应呈一级反应特征时 ： cS 0 1 rmax t r = K m ln = K m ln 1− XS cS c S 0 >> K m 反应呈零级反应特征时 ： rmax t r = c S 0 X S = c S 0 − c S
酶反应器的认知与操作—酶反应器概述
（3）按反应器中的物相 均相反应器：通常用溶液酶为催化剂，底
物也是溶液态的反应器，反应系统只有均一 的液相。
非均相反应器；通常以固定化酶或固定化 细胞为催化剂的酶反应器，即使底物是溶液 态，也有固、液两相。 还有其他的分类，如微生物反应器、植物细 胞反应器、动物细胞反应器是按培养对象来 分类的。
固定化随和固定化细胞还有一个机械强度问 题，凝胶包埋曲和微囊包理酶，机械强度较 差，在搅拌罐反应器中，会被搅拌桨的的切 作用而遭到破坏；凝胶包埋酶在PFR中，若 床层太厚、会因其自身的质量而使凝败坏缩 变形。以致破损，因而，应选用或设计有分 层筛板的填充床。总的来说。搅拌型酶反应 器远比其他类型曲反血器更易造成酶的切变 损失；而超滤膜型反应器的操作半定期，比 其他类型的酶反应器长。
压下运转，不需要特别耐压的构件；在接 近中性或pH大于4、小于10的条件下操作， 不需要特别耐酸碱腐蚀的材料；在较低的 温度（很少超过90℃）下反应、不需要特 别耐高温的材料。
（2）酶反应器的专一性较强 无论是细胞或是离体的酶催化剂、所催化
的反应系统、都因酶的专一性而使产品单一， 这有利于产品回收，提高产品质量。
这就提示，在这种情况下，似乎选用PFR更 好—些。如果反应存在产物抑制的情况下， 由于在相同转化率的前提下，底物在PFR内 的停留时间比在CSTR内的停留时间短，故 选用PFR更显优越；但存在底物抑制情况下， 由于搅拌可以降低固定化酶的扩散限制，因 而．选用BSTR硬和CSTR受到的影响小于 PBR。
这几种类型的反应器，或可采用较高的搅拌速度， 或可采用高流速运行。以减少颗粒的集结沉淀和堵 塞，使底物处于悬浮状态。但是，高的搅拌速度或 是高的流速，都会造成固定化酶的破损流失和酶的 切变失活，所以，这又要考虑到固定化酶的固定化 方法的选择，例如，选用机械强度高的离子交换树 脂吸附的固定化酶，或选用多孔玻璃共价结合的固 定化酶。
酶学与酶工程复习提纲-第05章 酶反应器
━ 连续式酶反应器，又称连续搅拌釜式反应器、连续式搅拌罐。
＾ 向反应器投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速连续流入底物溶液，同时，以相同流速输出反应液（含产物）。
━ 鼓泡式反应器
＾ 利用从反应器底部通入的气体产生的大量气泡，在上升过程中起到提供反应底物和混合两种作用的一类反应器。也是一种无搅拌装置的反应器。
━ 膜反应器
＾ 将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器。可以用于游离酶的催化反应，也可以用于固定化酶的催化反应。
一、酶反应器定义
━酶反应器：用于酶催化反应的容器及其附属设备。
二、常见类型
━ 间歇式酶反应器，又称间歇式搅拌罐、搅拌式反应罐。
＾ 底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性取出；反应后，固定化酶用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。
■ 优点：装置简单，造价较低，传质阻力很小，反应能很迅速达到稳态。
■ 优点是：在理想状况下，混合良好，各部分组成相同，并与输出成分一致。
■ 缺点是：搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒
━ 填充床反应器，又称固定床反应器
＾ 将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的柱床，通入底物溶液，在一定的反应条件下实现酶催化反应，以一定的流速，收集目前工业生产及研究中应用最普遍的反应器。
■ 缺点是：传质系数和传热系数相对较低。当底物溶度含固体颗粒或黏度很大时，不宜采用PBR。
━ 流化床反应器
＾ 底物溶液以足够大的流速向上通过固定化酶床层，使固体颗粒处于流化状态。混合程度高，故传热、传质情况良好。可用于处理粘性强和含有固体颗粒的底物。
酶反应器的认知与操作—几种常用的酶反应器
他们采用了甲酸脱氢酶(FDH)，该酶需 NAD—，接受由甲酸脱下来的氢，生成 NADH，即NAD+得到了再生。此项设计， 利用液-液双水相技术，获得廉价的甲酸 脱氢酶和亮氨脱氢酶，将两种酶和NADH 一同在PFG-20000上进行固定化，再把这 个反应系统置于超滤膜反府器内，如图 9.2-4所示。
将酶固定化于膜状惰性支持物上，将其卷 成螺旋卷状，填充于柱中，称为螺旋卷膜式 反应器（图9.2-1）。以包埋法为主制备的凝 胶成型薄片固定化酶圆盘，叠装在旋转轴上， 把整个装置浸泡在底物液中，即成转盘型酶 膜反应器。此型反应器，结构较简单，容易 放大，但反应器中单位体积的催化剂的有效 面积较小。
空心酶管反应器（图9.2-2），是将酶固定化 于内径约1mm的细管的内壁，组装而成，底 物流经管内与酶接触进行反应，这类反应器 在自动分析仪中应用较多。膜型反应器，特 别是中空纤维膜反应器，结构复杂，制作麻 烦，成本高，传质阻力大，不适宜于黏稠和 不溶性底物应用。
填充床所用的面定化酶(或细脑)，可以是颗 粒状或片状或膜状的，分层装填，还可用半 透性中空纤维固定化酶，竖直平行装填反应 器柱管（图9.2-1）。PFR液体流动的方式， 有下向流、上向流或是循环流之分，工业上 通常多用上向流，可以避免下向流动的液压 对柱床的影响，对反应产生气体的，尤应注 意。
PFR的优点是：结构简单，容易操作，效 率高、易于实现白动化，对于存在产物抑制 的反血．较为适宜。冈而。目前工业上较为 普遍地采用这种反应器。它的缺点是：传质 相传热都不太好，温度和PH接制较难，更 换催化剂相当麻烦，不适宜于不溶性或黏稠 性底物。
图9.2-1各种不同类型酶酶反应器 a—间隙式反应器；b—连续流搅拌罐反应器；c—填充床反应器；d—循环流填充床反应器；
间歇式操作反应器
间歇式操作反应器通常具有固定的反 应体积，需要在反应完成后进行排渣 或出料，操作过程不连续。
工作原理
反应物混合
将原料和催化剂等物质在反应前 混合均匀，确保反应物浓度和催 化剂的分散度。
加热与冷却
通过外部加热或冷却装置，控制 反应温度，以实现所需的化学反 应条件。
压力控制
通过调节压力来控制反应速率和 化学平衡，通常采用加压或减压 的方式。
等。
酿造业
03
间歇式操作反应器可用于酿造业中，如啤酒、葡萄酒、黄酒等
的酿造。
其他领域
环境治理
间歇式操作反应器可用于环境治理领域，如废水处理、废气 处理等。
农业
间歇式操作反应器可用于农业领域，如农药合成、肥料生产 等。
03
间歇式操作反应器的操 作与控制
操作步骤
准备阶段
进料阶段
反应阶段
出料阶段
清理阶段
分类与比较
分类
根据不同的工作原理和应用需求，间 歇式操作反应器可分为搅拌釜式、填 充床式、喷射器式等类型。
比较
不同类型的间歇式操作反应器各有优 缺点，适用于不同的化学反应和物质 转化过程。选择合适的反应器类型需 要根据实际需求进行评估和比较。
02
间歇式操作反应器的应 用化学 Nhomakorabea业01
合成高分子材料
间歇式操作反应器可用于合成各 种高分子材料，如聚乙烯、聚丙 烯、聚氯乙烯等。
02
精细化学品生产
在精细化学品生产中，间歇式操 作反应器可用于合成染料、颜料、 香料、表面活性剂等。
03
化学品的提纯与分 离
间歇式操作反应器可用于化学品 的提纯与分离，如蒸馏、萃取、 重结晶等。
制药工业
釜式反应器—理想间歇操作釜式反应器的计算
tr=3.18(h) tr=8.5(h) tr=19.0(h)
热量衡算：单位时间、整个体积、基准0℃ 进入反应器的物料带入的热量：0
非 离开反应器的物料带出的热量：0
恒 温
发生反应的热效应热量： (Hr )(rA )VRdt
过 程
反应器内的物料和外界交换的热量： KA(Tw T )
反应器内累积的热量： mt c pt dT
绝热操作：
(T
T0 )
(H r )nA0 mt c pt
(xA
xA0 )
简化： (T T0 ) (xA xA0 )
反应体积的计算
1.反应器的有效体积VR
VR V0 (t t)
V0 —— 每小时处理的物料体积，m3/h； t —— 达到要求的转化率所需要的反应时间，h; t′—— 辅助时间，h。
2. 反应器的体积V
V VR
m 若用多釜并联操作时，反应釜数： V
V
3. 反应釜结构尺寸：
V 0.785D 2 H
D —— 筒体的直径； H —— 筒体的高度。
理想间歇操作釜式反应器的计算
理想间歇操作釜式反应器简称为BR，是指一次 性加料、一次性出料、在反应进行过程中既不加 料也不出料的釜式反应器
温
过
B
程
1/(-RA）
面积 t
A
cA0
0
XA1
XA2
XA
• 已知：在间歇釜中己二酸和己二醇以等摩尔比反应生产醇酸
树脂。（-rA)＝kcA2kmol(A)/L.min) k=1.97L/(kmol.min)
• CA0=0.004kmol/L t´=1h =0.75若每天处理2400kg己二酸
• 求xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间．
加氢反应器分类
加氢反应器分类
加氢反应器是一种广泛应用于石油化工工业中的反应器，其根据不同的分类标准可分为以下几类：
1. 按照反应器结构分类，可分为管式反应器、搅拌式反应器、固定床反应器和流化床反应器等。
2. 按照反应器使用的催化剂分类，可分为均相加氢反应器和非均相加氢反应器。
均相加氢反应器中催化剂与反应物处于同一相中，反应物分子可以自由扩散到催化剂表面上进行反应；非均相加氢反应器中催化剂与反应物处于不同相中，反应物需要通过传质作用才能到达催化剂表面上进行反应。
3. 按照反应器操作方式分类，可分为连续式反应器和间歇式反应器。
连续式反应器中反应物和催化剂不断地输入，产物不断地输出；间歇式反应器中反应物和催化剂一次性加入，反应完成后一次性取出产物。
4. 按照反应器压力分类，可分为常压加氢反应器和高压加氢反应器。
在高压加氢反应器中，反应物需要在高压下进行反应，可以提高反应速率和产物收率。
总之，加氢反应器是一种应用广泛的反应器，其分类方式多种多样，不同的分类方式可以帮助我们更好地理解和应用加氢反应器。
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0
KM 1 c S
dX S
1 rmax t r cS0 X S K M ln 1 XS cS 0 rmax t r (cS0 cS ) K M ln cS
当cS0<<Km时，即反应呈一级反应特征时:
c S0 1 rmax t r K M ln K M ln 1 XS cS
一．几个基本概念 ①溶解氧浓度COL：单位体积液体中可溶解氧的量 ②比耗氧速率(呼吸强度) qO2：单位质量的细胞(干重) 在单位时间内所消耗氧的量(mol O2/kg· s) ③摄氧率r：单位体积培养液在单位时间内所消耗氧的 量(mol O2/m3· s) r = qO2· CX 其中： CX －细胞浓度 二．影响细胞耗氧速率的因素 营养物质的种类和浓度、培养温度、pH、有害代谢物的 积累、挥发性中间代谢物的损失等等。
4.2.3 有效体积的计算
t tr tb Pr V0 c S0 X S VR V0 ( t r t b )
举例5-2
4.3 反应过程的流体力学
4.3.1 反应介质的流变特性
一．牛顿型流体 du dy
表观黏度
a
式中:τ－F/A流体剪切应力，N/m2 －/ 流体的粘度,Pa· s －du/dy 流体速度梯度,s-1切变率 气体、低分子液体常为牛顿型流体
反 应 器 操 作 方 式
反应器设计的核心内容是确定反应器有效体积
反应器设计基本方程包括反应动力学方程、物料衡 算式、能量衡算式和各种传递过程参数的计算式。
VREACTOR
V间歇反应釜 V0C A 0
生产任务 F 推动力/ 阻力 r
x Af
0
V0CA 0 (X Af CA 0 ) dx A VCSTR rA rAf
3 细胞反应过程
dc X rX c X dt
cS cS 0
1 YX / S
(c X c X 0 )
1 cS0 (c X c X 0 ) YX / S max 1 K S cS0 (c X c X 0 ) YX / S
YX / ScS0 (cX cX 0 ) max YX / SKS YX / ScS0 (cX cX0 )
第四章 生物反应器的操作模型
4.1 操作模型概论
分类与特征
按照生物反应过程所使用的生物催化剂不同：酶 反应器；细胞生物反应器 根据反应器物料的加入和排出方式的不同：间歇 反应器；连续反应器；半间歇半连续反应器 根据生物催化剂在反应器的分布力式：生物团块 反应器；生物膜反应器
根据相态来分：有均相反应器；非均相反应器。 理想的机械搅拌反应器和理想管式反应器的流型 （即全混流和平推流）。 实际的连续流动反应器的流动和混合状态处于它 们之间，为非理想流动，对生物反应器进行这种
c S0 (1 L ) 1 rmax t r K M ln K M ln L cS 1 XS
当固定化酶的颗粒很小，内扩散的影响可以忽略时，
有效因子η ＝1，则反应时间可由下式计算，即
(1 L ) 1 rmax t r cS0 X S K M ln L 1 XS
4 最优反应时间的确定
VR c P FP tr tb dc P VR ( t r t b ) cP dt r dFP 2 dt r (t r t b ) dc P cP dt r t r ,opt t b
例如对均相酶反应，假定其动力学符合M—M方程，如果不考 虑酶的失活，产物的初始浓度cP0=0：
n 1 a K
3 宾汉(Bingham)塑型流体
流动特性表达式: ＝ 0＋ 式中: 0－屈服应力； －刚度系数 特点：当< 0 时，流体不发生流动。
4 凯松(Casson)流体
流动特性表达式：0.5＝ 00.5＋Kc Kc－凯松粘度
0.5
总之，流体特性因素都会对生化反应器内的质量与 热量传递、混合特性及菌体生长等产生影响，这给 工艺过程控制与设备放大带来困难。
（3）最小湍流漩涡长度
4.3.3.2 气流搅拌的剪切力
4.4 生物反应器中的氧传递
4.4.1汽液相间氧的传递与反应 氧的特性：氧是一种难溶气体，25℃和1大气压时，空气中 的氧在纯水中的平衡浓度仅8.5g/m3，由于盐析作用，<8g/m3，
仅是葡萄糖的1/6000。
氧是构成细胞及其代谢产物的组分,通过体内糖、脂肪等 生物氧化获得生命活动所需的能量。
二．非牛顿型流体
1 拟塑性流体（假塑性流体） 流动特性表达式：＝K n (0<n<1)
式中：K－稠度系数；n－流动特性指数
特点：K越大，流体越粘稠；n值越小，流体的非牛顿 特性越明显。
n 1 a K
2 涨塑性流体(膨胀型) 流动特性表达式：＝K n (n>1)； n值越大，流体的非牛顿特性越明显。
L tr 1 L c S0 L 1 L
cS
c S0 XS
dc S rS dX S rS dX S rS
0
Байду номын сангаас
VL c S0 VP
XS
0
如反应速本以单位催化剂的质量来定义，并表示为rSW，则有
VL t r cS0 W
XS
0
dX S rSW
通常当酶反应为一级反应，即cS<<K m时．内扩散有效因子η 与转化率Xs的大小无关，等于常数。此时有：
三.氧的传递过程
(1)气相扩散到气-液界面阻力R1; (2)通过气液界面的阻力R2; (3)通过滞流区的阻力R3; (4)液相传递阻力R4; (5)细胞团外液膜阻力R5; (6)液体与细胞团界面阻力R6; (7)细胞之间的扩散阻力R7; (8)进入细胞的阻力R8
在克服各阻力进行氧传递时，要损失推动力。氧传递过程 的总推动力是气相与细胞内氧分压之差。达到稳态时，各 步单位面积上氧的传递速率相等
Δp s 推动力 Δp1 Δp 2 nO2 阻力 R1 R2 Rs 传递系数 推动力 K1 Δp1 K 2 Δp 2 K s Δp s
四．氧传递速率方程
当气液界面不存在表面活性物质时，界面阻力 (R2)可忽略，主要传递阻力存在于气膜和液膜。 氧传递达到稳态时：
对液相反应．如反应器有效体积不随时间发生变化，则有
dc S rS dt
tr
cS
c S0
dcS rS
XS c S c s0 cs0
若设反应组分s的转化率为Xs，即
t r cS 0
XS
0
dX S rS
表示反应组分转化至一定程度所需的反应时间，它取 决于反应速率的大小，反应速率越大，反应时间越小
maxt r
cX
c X0
YX / SK S YX / ScS0 (c X c X0 ) 1 dc X YX / ScS0 (c X c X0 ) cX
YX / ScS0 (c X c X 0 ) cX max t r A ln B ln c X0 YX / ScS0 A YX / S K S YX / ScS0 c X 0 YX / ScS0 c X 0 YX / S K S B YX / ScS0 c X 0
1 均相酶反应过程
如酶反应为单底物无抑制反应，且动力学关系符合M-M方程
cS cS rp k 2c E 0 rP ,max cS K M cS K M
(5)
t r cS 0
XS
0
rmax
cS 0 dX S cS rmax cS K M
XS
当cS0>>Km时，即反应呈零级反应特征时:
rmax t r cS0 XS cS0 cS
K M (k 2 k 1 ) / k 1 K S (k 1 ) / k 1 K M K S k 2 / k 1
对于存在酶失活的反应，如果符合一级失活模 型．则有：
4.2 间歇式操作反应器的设计
4.2.1 间歇式操作的特点
非稳态过程 所有物料具有相同的停留时间和反应时间 随着反应的进行，反应器的效率将降低
优点
①较适合多品种、小批量的生产过程。有不少生 物制品是小批量生产的，因此使用同一台反应 装置，可进行多品种的生产。 ②较适合反应速率较慢的生物反应。由于多数生 物反应的速率较化学反应慢，故工业过程使用 具有间歇操作特征的大容量生物反应器。 ③分批进行的过程染菌率较低。
生物反应器的选型与几何尺寸确定及运行模式
生物反应器设计、 优化与放大
生物反应动力学
（ 微本 观征 动动 力力 学学 ） （ 总宏 包观 动动 力力 学学 ）
反 应 器 型 式
反 应 器 结 构
反 应 器 体 积
反 应 器 操 作 方 式
传递特性、流动与混合特性
生物反应速度
2 基本设计方程
反 应 器 型 式
分类有利于对反应器进行模拟与放大。
根据反应器的结构：包括罐式、管式、塔式、
膜式等。
若根据反应器所需能量的输入方式不同来分，
则有通过机械搅拌输入能量的机械搅拌反应器、
利用气体喷射动能的气流搅拌反应器和利用泵对
液体的喷射作用而使液体强制循环的反应器。
几种酶反应器
几种细胞反应器
生物反应器分析（优化和放大）与设计
设反应器中的空隙串(液相体积／反应器有效体积)为L，则
固定化酶颗粒所占的体积分数为(1- L)。 在单位时间内、反应器中底物的消耗量为(1- L)VRrS，累 积项则为反应器内液相中底物随时间的变化率为 LVRdcS/dt