第11章反应动力学基础
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第III篇
反应工程原理
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。
• 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、
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
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
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)。
Leabharlann Baidu
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)
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
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
FA0 Q0CA0
污水
初沉池
反应量 -rAV
浓度CA 体积V
A的流出量
FA QCA
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。）
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
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
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
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
利用“转化原理”高效、快速去除污染物的关键是什么？
影响反应结果（反应速率、反应进度）的主要因素
•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？
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
• 由于筒仓式静态发酵仓结构简单、螺杆出料较方便可靠 ，在我国已得到广泛应用。例如无锡、杭州等地堆肥厂 均用此种类型或其改进形式，取得较好效果。
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
不同的反应器结构 不同的操作方式
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、混和状态等
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。
• 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
反应时间
化粪池
第一节 反应器与反应操作
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。
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。
• 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。
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
物质量 nA
体积V
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
输出，不存在物料的进与出。
反应工程原理
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。
• 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、
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
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
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)。
Leabharlann Baidu
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)
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
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
FA0 Q0CA0
污水
初沉池
反应量 -rAV
浓度CA 体积V
A的流出量
FA QCA
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。）
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
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
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
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
利用“转化原理”高效、快速去除污染物的关键是什么？
影响反应结果（反应速率、反应进度）的主要因素
•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？
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
• 由于筒仓式静态发酵仓结构简单、螺杆出料较方便可靠 ，在我国已得到广泛应用。例如无锡、杭州等地堆肥厂 均用此种类型或其改进形式，取得较好效果。
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
不同的反应器结构 不同的操作方式
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、混和状态等
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。
• 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
反应时间
化粪池
第一节 反应器与反应操作
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。
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。
• 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。
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
物质量 nA
体积V
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
输出，不存在物料的进与出。