第11章反应动力学基础讲解

第一节 反应器与反应操作
③空间时间（空时、空塔接触时间）(space time)
反应器有效体积(V)与物料体积流量(qv)之比值。
空间时间 V / qV
(11.1.1)
注意： • 具有时间的单位，但不是反应时间也不是接触时间 • 可视为处理与反应器体积相同的物料所需要的时间。
τ＝30s 表示了什么？ 每30s处理与反应器有效体积相等的流体
浓度cA 体积V
A的流出量
qnA qVcA
曝气池
二沉池
处理水
回流污泥
剩余污泥
连续操作的应用（污水的活性污泥处理系统）
第一节 反应器与反应操作
连续操作的主要特点
• 操作特点∶物料连续输入，产物连续输出，时刻伴 随着物料的流动。
• 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。（反应组分、浓度可 能随位置变化而变化。）
中国式泡茶
进水工序 反应工序 沉淀工序 排水工序 静置工序
充/排式操作的应用
序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor，简称SBR)
第一节 反应器与反应操作
（二）连续操作
连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器
A的流入量
qnA0 qV0cA0
污水
初沉池
反应量 -rAV
第一节 反应器与反应操作
一、反应操作
利用化学或生物反应进行工业生产或污染物处理时，需要 通过反应条件等的控制，使反应向有利的方向进行。为达到这 种目的而采取的一系列工程措施通称为反应操作(operation of reaction)。
二、反应器
反应器 (reactor) ：进行化学或生物反应的容器的总称。 化学反应器 (chemical reactor) 生物反应器 (bioreactor/biological reactor)
反应器是实现反应的外部条件，同一反应在具有不同特性的反 应器内进行，也会产生不同的反应结果。
第一节 反应器与反应操作
反应器的特性及其决定因素
反应器内反应物的 流动状态、混合状 态、浓度与温度分 布、质量和能量传 递性能等
反应器的结构型 式、操作方式、 操作条件等
反应器研究开发的主要目的：
• 选择合适的反应器型式； • 反应器的设计计算（确定反应器的尺寸）； • 确定操作方式和优化操作条件； • 反应器性能的评价。
第一节 反应器与反应操作
四、反应器内反应物的流动与混合状态
在实际的反应器中，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。(例子：同时进场以班为单位顺序出场；跳球抽号机)
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”
第一节 反应器与反应操作
④空间速度（空速）(space velocity)
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 SV qV /V
(11.1.2)
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 应器体积的流体。） • 空速越大，反应器的负荷越大。
装置的优 化设计
操作方式和操 作条件的优化
介质的混合状态和流体流态的优化 迁移（物质、能量）和反应速率的强化
污染物的高效（去除效率、能耗）、快速去除 如何实现？ 例子：如何实现水中氨氮的高效、快速去除？
第III篇 反应工程原理
利用化学和生物反应，使污染物转化成为无毒 无害或易于分离的物质，从而使污染介质得到净化 的技术，即转化技术是去除污染物和净化环境的重 要手段。
第一节 反应器与反应操作
三、反应器的操作方式
• 间歇操作（分批操作）(batch operation) • 充/排式操作 (fill and draw operation) • 连续操作 (continuous operation) • 半间歇操作 (semi-batch operation)
半连续操作 (semi-continuous operation)
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。
第一节 反应器与反应操作
五、反应器的类型
（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(fixed bed reactor)、膨胀床 (expanded bed reactor)、流化床(fluidized bed reactor)等。
们一般各有哪些主要特点？ (5) 什么是空间时间和空间速度？它们所表达的物
理意义分别是什么？
第一节 反应器与反应操作
本节思考题
(6) 一般情况下，反应器内的流体流动状态会对反 应结果产生影响，为什么？
(7) 根据反应物料的流动与混合状态，反应器可分 为哪些类型。
(8) 反应器设计的基本内容包括哪几个方面？它通 常用到哪几类基本方程？
出料
出料
(b) 出料
出料
液体
液体 气泡
气体 (c)
进料 (d)
进料 (e)
进料 (f)
（a）釜式反应器 （b）管式反应器 （c）鼓泡塔 （d）固定床反应器 （e）膨胀床反应器 （f）流化床反应器
第一节 反应器与反应操作
六、反应器的设计
• 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
反应工程的主要研究内容 主要研究内容：反应动力学和反应器。 反应动力学：从工程应用的角度阐明反应速率与
各项物理因素（温度、浓度、压力、催化剂） 之间的关系。 反应器：在反应动力学的基础上，论述反应器的 设计和操作的优化等问题。
第III篇 反应工程原理
反应工程的主要研究内容
研究对象：工程应用中的反应过程 研究目的：工程应用中反应过程的优化 优化对象：反应器的型式、结构、操作方式、工
• 沉淀反应：水中重金属的沉淀分离 • 氧化反应：还原性无机污染物和有机污染物氧化分解 • 生物降解：反应常用于有机废水、挥发性有机废气、
恶臭气体和有机固体废弃物的处理 • 生物硝化反硝化：水中硝酸氮的生物去除
第III篇 反应工程原理
将化学和生物反应原理应用于污染控制工程， 需要借助适宜的装置，即反应器来实现。
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 反应器与反应操作
本节的主要内容
一、反应操作 二、反应器 三、反应器的操作方式 四、反应器内物料的流动与混合状态 五、反应器的类型 六、反应器的设计 七、反应器的放大
第III篇
反应工程原理
第III篇 反应工程原理
环境净化与污染控制技术原理
环境净化与 污染控制技 术原理
隔离(扩散控制) 分离(不同介质间的迁移) 转化(化学、生物反应)
第III篇 反应工程原理
污染物处理工程的核心：利用隔离、分离、转化等技术 原理，通过工程手段，实现污染物的高效、快速去除。
隔离/分 离/转化 方式的优 选与组合
（四）有关反应器操作的几个工程概念
①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。
②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
七、反应器的放大
从实验室到实际规模应用：逐级经验放大、数 学模型设计
第一节 反应器与反应操作
本节思考题
(1) 快速去除污染物的关键是什么？ (2) 反应器的一般特性主要指哪几个方面？ (3) 反应器研究开发的主要任务是什么？ (4) 什么是间歇操作、连续操作和半连续操作？它
艺条件等 目标函数：反应速率、转化率、能量消耗、设备
费用、运行费用等。
第III篇 反应工程原理
本篇的主要内容
第十一章 反应动力学基础 第十二章 反应动力学的解析方法 第十三章 均相化学反应器 第十四章 非均相化学反应器 第十五章 微生物反应器
第十一章 反应动力学基础
第十一章 反应动力学基础
本章主要内容
系统掌握反应器的基本类型及其操作原理和设 计计算方法，对于优化反应器的结构型式、操作方 式和工艺条件，提高污染物去除效率有重要意义。
本篇主要阐述化学与生物反应的计量学、 动力学及其研究方法，环境工程中常用的各类 化学和生物反应器及其基本设计计算方法等。
第III篇 反应工程原理
利用“转化原理”高效、快速去除污染物的关键是什么？
第一节 反应器与反应操作
（一）间歇操作（分批操作）
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。
浓度 cA
物质的量 nA
体积V
间歇操作的典型例子 八宝粥、中草药熬制、啤酒酿造
第一节 反应器与反应操作
间歇操作的主要特点
• 操作特点：反应过程中既没有物料的输入，也没有物料的
• 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。
第一节 反应器与反应操作
（三）半间歇操作/半连续操作
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。
（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。
进料
(a) 气体
进料 出料
输出，不存在物料的进与出。
• 基本特征：间歇反应过程是一个非稳态的过程，反应器内
组成随时间变化而变化。
• 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。 浓
度
• 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。
完全混合流反应器 反应产物 反应物
不同，反应速率亦可能随之发生变化，这将影响整个反应器 的反应特性。
第一节 反应器与反应操作
完全混合流（亦称全混流、理想混合）(complete mixing)：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。(例 子？爆炒中国菜 )
（平）推流（亦称活塞流、挤出流）(plug/ piston flow)：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。例子？ 挤牙膏 )
应用：生物反应器的分批补料操作 (fed–batch
operation)，又称“补料分批操作”，俗称“流
加操作”
A的流入量
主要特点：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。
qnA0 qVcA0
反应量 浓度cA，cB
-rAV
体积V
第一节 反应器与反应操作
影响反应结果（反应速率、反应进度）的主要因素
Fra Baidu bibliotek
•同一反应
•相同的环境条件（温度、压力） •相同的反应器体积
• 相同的反应物 料组成和浓度
反应结果（反应 速率、反应进度） 是否相同？
不同的反应器结构 不同的操作方式
番茄炒蛋
第III篇 反应工程原理
影响反应速率和转化率的主要因素是什么？
反应本身特性：反应热力学、动力学 反应器的特性：质量传递、混合状态等
反应时间
第一节 反应器与反应操作
充/排式操作 (fill and draw)
应用：微生物的培养、驯化；污水处理特性的研究
操作：将废水或培养液一次加入反应器(培养器)，同时添加微
生物菌种。培养一定时间后，取出部分培养液，并加入
新鲜的废水或培养液，进入下一批培养，如此反复。
污水
空气
处理水
生活中的例子？
第二节 反应的计量关系
本节的主要内容
一、反应式与计量方程 二、反应的分类 三、反应进度与转化率