环境工程原理-第十章-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三节非均相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(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。进料出料进料出料气体气体液体液体出料进料出料进料出料进料(a)(b)(c)(d)(e)(f)气泡（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）流化床反应器进料出料进料出料气体气体液体液体出料进料出料进料出料进料(a)(b)(c)(d)(e)(f)气泡（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。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：dzdcDJeauuzdzdVAuAcdzzccuAAAdzzczcADAAea22zcADAea（二）分散模型第一节反应器的分类ZcADcuAReaRdZZccZADdZZccuAReaRdzARRA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：dZAtcRxuudxdVAuAcdxxccuAAAdxxcxcDeAAA22xcDeAA（二）分散模型第一节反应器的分类AeaRZcuZcDtc22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0v0vV123NCtt0NNVVvVii,,0（三）多级串联模型第一节反应器的分类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间歇反应器设计的基本方程及设计方法A0AAA0dxrxct（恒容反应）A0AAAdccrct（恒容反应）VrtnAAddA0AAA0dxVrxntVrtxnAAA0dd第二节均相反应器恒容恒温间歇与平推流反应器的设计方程反应反应速率方程设计方程PAkrAktxcccAA0AA0)(A0kct0Ac)(A0kctAAkcrktxcc)1ln()ln(AA0A2AAkcrktccA0A11nkcrAA]1)1[(1A1A01A01Annnnxcccktn)1()1(nAmAmAcKcVr)]1ln([1AmAA0mxKxcVtPBABBAAckcr)1(lnlnAB0AA0BB0AB0BA0xcxccccccktcc)(A0BB0间歇反应器的图解设计法A0积ct面t积面A0AAA0xrdxctA0AAAccrdct0Ax－1/rAA0cAc0－1/rA第二节均相反应器二、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）设计方法τ＝(cA0xA)/－rA恒容反应τ＝(cA0－cA)/－rA一、槽式连续反应器（一）基本方程基本方程的一般形式全混流槽式连续反应器(continuousStirredTankReactor，CSTR)在稳态状态下，组成不变，反应速率恒定，即dnA/dt=0qnA0＝qnA＋(－rA)V＋dnA/dt反应量-rAV浓度cA体积VA的流入量A0V0A0cqqnA的流出量AVAcqqn－rAV＝qnA0－qnA－rAV＝qV0cA0－qVcA第二节均相反应器恒容全混流反应器的设计方程反应反应速率方程设计方程PAAAkcr)1(A0Akcc2AAkcr]1)41[(2121A0AckkcnAkcrAnkcccAAA0)(PBABAAckcr))(1(AA0B0AAA0xccxxkcQAPA21kkA21A)(ckkrA1PckrA2Qckr)(121A0Akkcc)(1211A0Pkkkcc)(1212A0QkkkccQPA21kkA1AckrP2A1PckckrP2Qckr1A0A1kcc)1)(1(211A0Pkkkcc)1)(1(21221A0Qkkkkcc全混流反应器的图解设计法A0积c面积面τ＝(cA0xA)/-rAτ＝(cA0－cA)/－rA（恒容反应）间歇反应器的图解设计法A0面积ctt面积A0AAA0xrdxctA0AAAccrdct0Ax－1/rAA0cAc0－1/rAA0c0Ac-1/rA0Ax-1/rA（三）多级串联反应器（1）多级串联全混流反应器的基本方程c0c1c2432142τ＝τ1＋τ2＋···＋τn31cn第二节全混流反应器A0c0Ac－1/rAiincqqAVA1)-A(V1)-A(iincqq在恒容条件下，第i个反应器的基本设计方程为：0AA0AAninniqqqxiiiiiiiirxxcrccqVA)1(AA0AAA)1(AV)(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＝kcAiiiiiiiiikcccrccqVAA)1(AAA)1(AV10AA11kcc)1)(1(121A021AA2kkckcc)1()1)(1(210AAnnkkkcciiikcc1)1(AA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＝kcAi22AA)1(AAA)1(AViiiiiiiikcccrccqViiiikckc2411)1(AA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：•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（一）平推流反应器的基本方程在稳态状态下，dnA/dt=0qnA＝qnA＋dqnA＋(－rA)dV＋dnA/dt－dqnA＝(－rA)dV0,,A0V0A0A0xqcqnVAAVA,,qxcqdVAAA,xcqnAAAAddxxqqnnV第二节均相反应器（二）设计计算方法基本方程的不同表达形式AAddrVqnAAA0ddrVxqnAAVd)(drVcq微分形式A0AAA0dxnrxqVA0AAA0xrdxc积分形式第二节均相反应器恒温恒压条件下平推流反应器的设计方程（气相反应）注：p为总压；pA、pB、pP、pR为各反应组分的分压；Kp为可逆反应的平衡常数反应式反应速率方程设计方程RARAAkpr]11ln)1[(1AA0AAA0A0xzxzkpqVnRA2R2AAkpr]11ln)1(2)1()1([1AA0AAAA0A2A0AAA02A20xzxzxzxzkpqVnRBARBAApkpr])/(11ln)1(11ln)1([1AB0A0B0A02B0AAB0A02A0AAA02A20xzzzzzxzzzxzkpqVnRA)(pRAAKppkrR0AA0AA0pR0A0ppp0)1(ln)1(zxzxzKzzKkpKKqVn图解计算法A0积c面积面A0cAcA0AAA0dxrxc(12.3.18)A0AAAdccrc(12.3.19)间歇反应器的图解设计法A0面积ctt面积A0AAA0xrdxctA0AAAccrdct0Ax－1/rAA0cAc0－1/rA0Ax－1/rA0－1/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)。•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