反应动力学基础

反应器内反应物流动与混合状态
• 理想状态下两种流动状态
1）完全混合流 (complete mixing)：亦称全混流、理 想混合,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。
2）（平）推流 (plug/ piston flow)：亦称活塞流、 挤出流,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。
反应器的类型
• 按反应器的结构分类：釜（槽）式反应器、管式反应 器、塔式反应器、固定床、膨胀床 、流化床等。塔式 反应器又分为鼓泡塔和填料塔
• 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）
• 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。 • 按流态分类：理想流反应器和非理想流反应器。理想 流反应器又分为完全混合流（全混流）反应器和推流 反应器。
以及质量和能量传递特性）。
同一反应在具有不同特性的反应器内进行， 会产生不同的反应结果。
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反应器的操作方式（间歇操作）
• 将反应原料一次加入反 应器，反应一段时间或 达到一定的反应程度后 一次取出全部的反应物 料，然后进入下一轮操 作。 • 基本特征：间歇反应过 程是一个非稳态的过程，
浓度 cA
物质的量 nA 体积V
流体
反应器操作的工程概念
• 空间速度（空速）(space velocity，SV) 单位反应器有效体积所能处理的物料的体积流量。 空间速度 • 注意： 单位为时间的倒数。 表示单位时间内能处理几倍于反应器体积的物料， 反映了一个反应器的强度。（SV＝2 h-1表示1h处理2 倍于反应体积的流体。） 空速越大，反应器的负荷越大。
反应器内反应物流动与混合状态
• 非理想流态:介于全混流和推流之间的流态
实际的反应器中，一般存在浓度、温度和流速的 分布，从而可能造成不同的“流团”间有不同的停留 时间、组分、浓度和反应速率。
• 返混(back mixing)： 处于不同停留时间的“流团” 间的混合称返混。 混合后形成的新“流团”的组分和浓度与原来的 “流团” 不同，反应速率亦可能随之发生变化，影响 了整个反应器的反应特性。
• 目的：利用化学/生物反应，将污染物转化成无毒无害
或易于分离的物质达到去除污染物和净化环境目的。
• 主要研究内容： 1)反应动力学 研究各种因素(如温度、压力、浓度、 反应体系中介质、催化剂、流场和温度场分布、停留 时间分布等)对反应速率的影响以及相应的反应机理和 数学表达式 2)反应器的选择、设计和操作的优化
• 学习重点： • 1）化学与生物反应的计量学、动力学及其研究方法 • 2）环境工程中常用的各类化学和生物反应器的基本类 型及其操作原理和设计计算方法
反应工程原理
——反应动力学基础
本章主要内容
• 第一节 反应器和反应操作
• 反应器的主要类型与特点、常见的反应器操作方 式及其特点
• 第二节 反应的计量关系
反应器操作的工程概念
空间时间（空时、空塔接触时间）(space time， τ) • 反应器有效体积(V)与物料体积流量(qv)之比值。 • • 注意： 具有时间的单位，但和反应时间、接触时间不同 空间时间
处理与反应器等体积的物料所需要的时间。
例：τ＝30s 表示了每30s处理与反应器有效体积相等的
反应器操作的工程概念
反应持续时间 (reaction time)：简称反应时间，主要 用于间歇反应器，指达到一定反应程度所需的时间。 停留时间 (retention time)：亦称接触时间，指连续操 作中一物料“微元”从反应器入口到出口经历的实际 时间。 平均停留时间：在实际的反应器中，各物料“微元”的 停留时间不尽相同，存在一个分布，即停留时间分布。 各“微元”的停留时间的平均称平均停留时间。
• 反应组分(参与反应的各物质)间的定量关系
• 第三节 反应动力学
• 反应速率与反应条件之间的关系
第一节 反应器和反应操作
• 反应器 (reactor) ：进行化学或生物反应的容器的总 称。 • 反应器：实现反应的外部条件。 反应器的操作方式和反应器的结构决定反应 器的特性（包括反应器内物料的流动状态、混合状态
污水 初沉池
曝气池
回流污泥
二沉池
处理水
剩余污泥
污水的活性污泥处理系统
反应器的操作方式(半间歇操作/半连续操作)
• 原料与产物中的一种或一种以上为连续输入或输出， 而其它成分分批加入或取出的操作称为半间歇操作或 半连续操作。 • 半间歇操作具有间歇操作和连续操作的某些特点。反 应器内的组成随时间变化而变化。 • 采用半间歇操作/半连续操作主要是为了消除反应过程 中某物质的抑制或提高某类物质的得率或收率
完全混合流反应器 浓 度
反应器内组成随时间变
化而变化。
反应产物 反应物
反应时间
反应器的操作方式（间歇操作）
• 主要优点：操作灵活，设备费低，适用于小批量生产 或小规模废水的处理。 • 主要缺点：设备利用率低，劳动强度大，每批的操作 条件不易相同，不便自动控制。
• 常见的间歇反应器: 高压锅、序列间歇式活性污泥法
反应器的设计和放大
设计过程 选择合适的反应器型式； 确定最佳的操作条件； 计算达到规定的目标所需要的反应体积，确定反应 器的主要尺寸。 反应器设计用到的基本方程： 反应动力学方程、物料/能量/动量衡算式 放大步骤 从实验室到实际规模应用：逐级经验放大、数学模 型设计
第二节 反应的计量关系
• 反应物 (reactants)：反应的出发物质
反应器的操作方式（连续操作）
• 原料连续输入反应器， 反应产物也连续地流出 反应器 • 基本特征∶连续反应过 程是一个稳态过程，反 应器内各处的组成不随 时间变化
A的流入量
反应量 -rAV
浓度cA 体积V
A的流出量
反应器的操作方式（连续操作）
• 主要优点∶便于自动化，劳动生产率高，反应程度与 产品质量较稳定。规模大或要求严格控制反应条件的 场合，多采用连续操作。 • 主要缺点∶灵活性小，设备投资高。 • 常见的连续操作反应器