第11章環(huán)境工程原理反應動力學基礎.

1、將化學和生物反應原理應用于污染控制工程，需要借 助適宜的裝置，即反應器來實現(xiàn)。系統(tǒng)的掌握反應器的基本類型及其操作原理和設計 計算方法，對于優(yōu)化反應器的結構型式、操作方式和工藝 條件，提高污染物去除效率有重要意義。本篇主要闡述化學與生物反應的計量學、動力學及其 研究方法，環(huán)境工程中常用的各類化學和生物反應器及其 基本設計計算方法等。利用化學和生物反應，使污染物轉化成為無毒無害或 易于分離的物質，從而使污染介質得到凈化的技術，即轉 化技術是去除污染物和凈化環(huán)境的重要手段。沉淀反應：水中重金屬的沉淀分離 氧化反應：還原性無機污染物和有機污染物氧化 分解生物降解：反應常用于有機廢水、揮發(fā)性有機廢 氣、

2、惡臭氣體和有機固體廢棄物的處理生物硝化、反硝化：水中硝酸氮的生物去除利用“轉化原理”高效、快速去除污染物的關鍵是？影響反應結果（反應速率、反應進度）的主要因素同一反應相同的環(huán)境條件（溫度、壓力）相同的反應器體積相同的反應物 料組成和濃度第m篇 氏左工丑廉理影響反應速率和轉化率的主要因素是什么？反應本身特性：反應熱力學、動力學反應器的特性：質量傳遞、混和狀態(tài)等反應工程的主要研究內容主要研究內容：反應動力學和反應器。反應動力學：從工程應用的角度闡明反應速率與各 項物理因素（溫度、濃度、壓力、催化劑）之間的 關系。反應器：在反應動力學的基礎上，論述反應器的設第m篇攻工權懇理計和操作的優(yōu)化等問題。5反

3、應工程的主要研究內容研究對象：工程應用中的反應過程研究目的： 工程應用中反應過程的優(yōu)化優(yōu)化對象：反應器的型式、結構、操作方式、工藝條件等目標函數(shù)：反應速率、轉化率、能量消耗、設備費用、運行費 用等。本篇的主要內容 第一章反應動力學基礎 第十二章反應動力學的解析方法 第十三章均相化學反應器 第十四章非均相化學反應器第十五章微生物反應器第十一量反龍鈿力夕氐磁 第一章反應動力學基礎本章主要內容第一節(jié)反應器和反應操作V反應器的主要類型與特點、常見的反應器操 作方式及其特點第二節(jié)反應的計量關系V反應組分（參與反應的各物質）間的定量關系 第三節(jié)反應動力學V反應速率與反應條件之間的關系本節(jié)的主要內容、反應操

4、作二、反應器三、反應器的操作方式Ed反應器內物料的流動與混和狀態(tài)五、反應器的類型六、反應器的設計七、反應器的放大第一節(jié)及力去與甌注傑作利用化學或生物反應進行工業(yè)生產(chǎn)或污染物處理時， 需要通過反應條件等的控制，使反應向有利的方向進行。 為達到這種目的而采取的一系列工程措施通稱為反應操作 (Operation of reaction) o二、反應器反應器是實現(xiàn)反應的外部條件，同一反應在具有不同 特性的反應器內進行，也會產(chǎn)生不同的反應結果?；Ψ待埰?Chemical reactor)笙楊 反應 器(Biorcnclor/Biological reactor)第一節(jié)及力去與甌注傑作三、反應器的操作方

5、式間歇操作(分批操作)(Batch operation) 充/排式操作(Fill and draw operation) 連續(xù)操作(Continuous operation) 半間歇操作(Semi-batch operation) 半連續(xù)操作(Semiconlinuous operation)12第一節(jié)及力去與甌注傑作（一）間歇操作（分批操作）將反應原料一次加入 反應器，反應一段時間或 達到一定的反應程度后一 次取出全部的反應物料， 然后進入下一輪操作。第一節(jié)及力去與甌注傑作13(1)間操作的主要特點操作特點反應過程中既沒有物料的輸入，也沒有物料的輸出, 不存在物料的進與出?；咎卣鏖g歇反應過

6、程是一個非穩(wěn)態(tài)的過程，反應器內組成隨時 間變化而變化。第一節(jié)及力妥與反注傑作 主要優(yōu)點操作靈活，設備費低，適用于小批量生產(chǎn)或小規(guī)模 廢水的處理。主要缺點設備利用率低，勞動強度大，每批的操作條件不易 相同，不便自動控制。充/排式操作(Fill and draw)A應 用微生物的培養(yǎng)、馴化；污水處理特性的研究第一爺及力妥與反注傑作A操 作將廢水或培養(yǎng)液一次加入反應器(培養(yǎng)器)，同時添加微生物i種。培養(yǎng)一定時間后，取出部分培養(yǎng)液，并加入新鮮的廢水或培養(yǎng)液，進入下一批培養(yǎng),如此反復。污水進水工序空氣反應工序處理水充/排式操作的應用序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor簡稱S

7、BR)第一節(jié)及力去鳥反注傑作（二）連續(xù)操作連續(xù)地將原料輸入反應器，反應產(chǎn)物也連續(xù)地流出反 應器。污水初沉池曝氣池回流污泥處理水剩余污泥18（污水的活性污泥處理系統(tǒng)）第一節(jié)及力去與甌注傑作(1)操作的主要特點操作特點：物料連續(xù)輸入，產(chǎn)物連續(xù)輸出，時刻伴 隨著物料的流動?；咎卣鳎哼B續(xù)反應過程是一個穩(wěn)態(tài)過程，反應器 內各處的組成不隨時間變化。(反應組分、濃度可 能隨位置變化而變化。)主要優(yōu)點：便于自動化，勞動生產(chǎn)率高，反應程度與產(chǎn)品質量較穩(wěn)定。規(guī)模大或要求嚴格控制反應條 件的場合，多采用連續(xù)操作。主要缺點：靈活性小，設備投資高。第一爺及力去與反注傑作(三) 半間歇操作/半連續(xù)操作操 作原料與產(chǎn)物中

8、的一種或一種以上為連續(xù)輸入或輸出, 而其它成分分批加入或取出的操作稱為半間歇操作 或半連續(xù)操作。A應 用生物反應器的分批補料操作(fed-batch operation), 又稱“補料分批操作，俗稱“流加操作主要特點半間歇操作具有間歇操作和連續(xù)操作的某些特點。 反應器內的組成隨時間變化而變化。第一節(jié)及力巽與及注傑作半間歇操作操作過程A的流入量空間速度（空速）（Space velocity）及力去與甌注傑作單位反應器有效體積所能處理的物料的體積流量?？臻g速度（SV） = Q/U意:V單位為時間的倒數(shù)。*表示單位時間內能處理幾倍于反應器體積的 物料，反映了一個反應器的強度。（SV = 2h1 表示

9、山處理2倍于反應體積的流體。）V 空速越大，反應器的負荷越大。第一爺及龍巽烏反淪需作V反應器內反應物的流動與混合狀態(tài)在實際的反應器中，一般存在濃度、溫度和流速的分 布，從而可能造成不同的“流團間有不同的停留時間、 組分、濃度和反應速率。（例子：同時進場以班為單位順 序出場；跳球抽號機）返 混（back mixing）:處于不同停留時間的“流團”間的混合稱返混。 混合后形成的新“流團的組分和濃度與原來的流團不同，反應速率亦可能隨之發(fā)生變化， 這將影響整個反應器的反應特性。第一爺及力男鳥反注傑作完全混合流（亦稱全混流、理想混合）反應物進入反應器后，能瞬間達到完全混合，反應 器內的濃度、溫度等處處相

10、同。全混流可以認為返 混為無限大。平（推）流（亦稱活塞流、擠出流）反應物以相同的流速和一致的方向移動，即反應物 在反應器內齊頭并進。在徑向充分混合，但不存在 軸向混合，即返混為零。理想流動狀態(tài)全混流和推流是兩種極端的流動狀態(tài)，通稱為理想 流。介于全混流和推流之間的流態(tài)為非理想流態(tài)。第一節(jié)及力巽鳥反注傑作五、反應器的類型（-）按反應器的結構分類釜(槽)式(tank)反應器、管式(tubular)反應器、塔式 (column/tower)反應器、固定床(fixed bed reactor) 膨脹床 (expanded bed reactor) 流化床(fluidized bed reactor)W

11、o（-）按反應物的聚集狀態(tài)分類均相反應器、非均相反應器（如氣一液反應器等）（三）按反應操作分類間歇反應器（分批反應器）、連續(xù)反應器和半連續(xù)反應器以及恒溫反應器、非恒溫反應器等。第一節(jié)及力去與甌注傑作27（四）按流態(tài)分類理想流反應器和非理想流反應器。完全混合流（全混 流）反應器和推流反應器。（a）釜式反應器b）管式反應器第一爺及龍去與及注傑作 反應物(reactants)反應的出發(fā)物質產(chǎn) 物(produc反應中產(chǎn)生的物質 反應組分(reaction mixture)參與反應的物質的總稱反應式描述反應物經(jīng)過反應生成產(chǎn)物(products)的過程的關系式QaA+QbB QpP+&qQ“等分子反應”與

12、“非等分子反應”等分子反應計量方程中計量系數(shù)的代數(shù)和等于零非等分子反應計量系數(shù)的代數(shù)和非為零(可正、可負)每消耗1摩爾的某反應物所引起的反應系統(tǒng)總摩爾數(shù)的變化量(刃稱為該反應物的膨脹因子。11.2.5)35注 意：反應式表示反應歷程，并非方程式，不能按方程式的 運算規(guī)則將等式一側的項移到另一側。 計量方程(stoichiometric equation):描述各反應物、生成物在反應過程中的量的關系 的方程。aA/a + aBA/B = UpMv + QqA/q(-aA)MA + (-aB)A7B +dpMp +幺少0=0 方程中Ma、Mp和Mq的物理意義是什么? 表示各組分的摩爾質量。一第二羊

13、反&拎針蚩誤*K例題11.2. 13丙烷在870K附近時的熱分解反應 的計量方程為：GH& =0.300QH6 +0.065CH. + 0668爭4+0.635(2耳+0300耳，試計算j摩爾的 丙烷分解后反應體系的總摩爾數(shù)將增加多少？解：丙烷的膨脹系數(shù)(0.3 00+ 0.065+ 0.668+ 0.6 3 5+ 0.30Q) -11= 0.968故每分解1摩爾的丙烷反應體系的總摩爾數(shù)將增加 0.968摩爾。八第二辛反龍掬針誤二、反應的分類(-)根據(jù)獨立的計號方程的個數(shù)分類 簡單反應(單一反應)(single reaction)能用一個計算方程描述的反應，包括可逆反應 (reversible

14、 reachon )。 復雜反應(復合反應)(multiple reaction)需用多個計算方程才能描述的反應，即反應系統(tǒng)中 同時存在多個反應，同時各反應產(chǎn)物產(chǎn)生的比例也 隨反應條件的變化而變化。其中包括并列反應、平 行反應、串聯(lián)反應、平行一串聯(lián)反應等。V并列反應組反應物，反應物相同，而生成物不同。4平行反應若干個反應同時進行，且互不影響。*串聯(lián)反應ABtJP4平行一串聯(lián)反應AQ A+Q-PA + BQ A + 2B-P P+B-R掌握各反應的特征第二反龍拎針#誤圭（二）根據(jù)反應系統(tǒng)中反應物的相態(tài)及其數(shù)量分類均相反應所有反應處在同一相內的反應。V液相反應V氣液相反應。非均相反應反應物處于不同

15、相，而反應物是在界面發(fā)生。V液固反應4氣固反應氣液反應。41三、反應進度與轉化率反應過程中系統(tǒng)內各物理量的變化不發(fā)生變化的物理量反應組分的總質量可能發(fā)生變化的物理量總摩爾數(shù) 體積（不變時稱恒容反應） 壓力（不變時稱恒壓反應） 溫度（不變時稱恒溫反應）第二竽反龍拎針異寶（-）反應進度aAA + aBB = a【P + aQ（HAO_nA）（nBO_nB）（nP 一0）工（S 一Hqo）nA0 nA _ flBQf -BA?尸nro _ % _2q（）（11.2.17）aPQq5a反應程度癥義為：產(chǎn)/ /0叫 一 /0在沒有特別說 明的情況下指 右側的定義式S _ay：反應組分i的計量系數(shù)43（二

16、）轉化率（conversion,第二年反力絵針凄美tfractional conversion）間歇反應器的轉化率的定義心=（心（）”a）2a（）=1 一/（）在環(huán)境工程中，污染物的轉化率稱去除率（removalefficiency, fractional removal）轉化率與反應進度的關系xA=（a/ha0）連續(xù)反應器的轉化率的定義Xa=（%ao%a）/%ao=1 一哺a/% 需第二辛反龍掬針蚩黒車轉化率的應用關鍵組分的轉化率一其它任一反應組分在反應體系中 的量的計算任一反應物的量的計算如何求轉化率：aA質量分率 摩爾分率 濃 度反應組分（反應前后）關鍵組分的轉 化率（g）轉化率與質量分

17、數(shù)（Xm）的關系（反應前后總質量不 變）仏=仏0（1 壯）6=（仏0一仏）/認）轉化率與摩爾分數(shù)（Z） 可能變化）的關系（反應前后摩爾總數(shù)47%（1心）5 一 1 cl +西4Jo（l + &Z&）11.2.28）轉化率與濃度的關系（適用于恒容體系）（表1122）Ca=Cao（1 一“）6=（%）一 Ca%）非恒容體系?45i第二豐反龍的針蚩與圭K例題11.2.2 3 間歇反應器中含有10.0 mol的反應原料A, 反應結束后，A的剩余量為1.0 molo若反應按2A+B-P的反應式進 行，且反應開始時A和B的摩爾比為5： 3。試分別計算A和B轉化率。解：卩亠盞誥9根據(jù)反應式，s=2 an = 1故 nB=nBO-nAOXA“_ 1 _ 1川初r知02知0-0.9 = 0.753故A和B的轉化率分別為90%和75%o第二t例題：污水(人工)濕地處理系統(tǒng)中污染物 去除率的計算。濕 地？地球之腎人工濕地系統(tǒng)是利用植物、土壤(填充介質)、微生物的綜合作用去除水中有機物、氮、磷以及病原微生物的一種“綠色技術。其缺點是占地面積較大。第二竽反&掬針果皇本節(jié)思考題(1) 什么是膨脹因子？膨脹因子為1的反應體系，反應 后系統(tǒng)的物質的量將如何變化？若是膨脹因子為 0.5的反應體系，則如何變化？(2) 什么是簡單反應和復雜反應？可逆反應屬于哪一 類