復(fù)旦環(huán)境工程基礎(chǔ)課件05反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器

5.1反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.1反應(yīng)的分類5.1.1.1按化學(xué)反應(yīng)特性分類(1)按反應(yīng)機(jī)理的繁簡(jiǎn)程度與彼此間的關(guān)系分類：簡(jiǎn)單反應(yīng)和復(fù)雜反應(yīng)。復(fù)雜反應(yīng)又可按基元步驟間的關(guān)系不同，再分為平行反應(yīng)、連續(xù)反應(yīng)、同時(shí)反應(yīng)和集總反應(yīng)等。(2)按化學(xué)反應(yīng)的可逆性分類：可逆反應(yīng)和不可逆反應(yīng)。(3)按反應(yīng)物的性質(zhì)分類：可分為無(wú)機(jī)反應(yīng)、有機(jī)反應(yīng)和生化反應(yīng)等。(4)按反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性分類：可分為零級(jí)反應(yīng)、一級(jí)反應(yīng)、二級(jí)反應(yīng)和多級(jí)反應(yīng)等。另外，還可以把反應(yīng)分成單分子反應(yīng)、雙分子反應(yīng)和三分子反應(yīng)。(5)按化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)分類：放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)。

第五章反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器5.1.1.2按反應(yīng)過(guò)程條件進(jìn)行的分類(1)從反應(yīng)物質(zhì)所處狀態(tài)不同進(jìn)行分類：氣相反應(yīng)、液相反應(yīng)、固相反應(yīng)和多相反應(yīng)等。(2)按溫度條件分類：等溫反應(yīng)、絕熱反應(yīng)、非絕熱變溫反應(yīng)。(3)按壓力條件分類：常壓、加壓和減壓反應(yīng)等。(4)按反應(yīng)流動(dòng)條件分類：理想流動(dòng)模型（平推流、全混流）、非理想流動(dòng)模型。(5)按化學(xué)反應(yīng)操作方法進(jìn)行分類：間歇反應(yīng)、連續(xù)反應(yīng)、半間歇反應(yīng)。5.1.1.3按化學(xué)反應(yīng)各元素反應(yīng)特征進(jìn)行的分類(1)按反應(yīng)中電子得失進(jìn)行可以分為氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)。(2)按反應(yīng)中化學(xué)粒子特征可以分為分子反應(yīng)、離子反應(yīng)、原子反應(yīng)。第五章反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器5.1.2反應(yīng)速率及方程影響反應(yīng)速率的主要因素有：反應(yīng)物、產(chǎn)物、催化劑等的濃度；系統(tǒng)的溫度、壓力以及反應(yīng)環(huán)境（包括溶劑性質(zhì)、離子強(qiáng)度等）。化學(xué)動(dòng)力學(xué)主要考慮濃度與溫度這兩個(gè)因素影響反應(yīng)速率的規(guī)律。

第五章反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器第五章反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器

5.1.2.1反應(yīng)速率化學(xué)動(dòng)力學(xué)所研究的是反應(yīng)的速率和反應(yīng)的歷程。

第五章反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器

5.1.2.1反應(yīng)速率化學(xué)動(dòng)力學(xué)所研究的是反應(yīng)的速率和反應(yīng)的歷程。

第五章反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器

5.1.2.1反應(yīng)速率

第五章反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器

5.1.2.2反應(yīng)級(jí)數(shù)

第五章反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器

5.1.2.2反應(yīng)級(jí)數(shù)

第五章反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器

5.1.2.2反應(yīng)級(jí)數(shù)

第五章反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器

5.1.2.2反應(yīng)級(jí)數(shù)

5.1.2.3基元反應(yīng)反應(yīng)的級(jí)數(shù)與化學(xué)計(jì)量方程中的系數(shù)不相等的原因:一般的反應(yīng)都是從原始的反應(yīng)物經(jīng)過(guò)一序列簡(jiǎn)單的反應(yīng)步驟后，才出現(xiàn)最終產(chǎn)物的，而化學(xué)計(jì)量方程則僅僅給出原始的反應(yīng)物與最終產(chǎn)物間的關(guān)系，完全不考慮中間的反應(yīng)步驟?；磻?yīng)：能一步完成的化學(xué)反應(yīng)。即反應(yīng)物的分子、原子、離子或自由基等通過(guò)一次碰撞(或化學(xué)行為)直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)。絕大多數(shù)的基元反應(yīng)，其反應(yīng)級(jí)數(shù)與化學(xué)計(jì)量系數(shù)完全相等。構(gòu)成一個(gè)化學(xué)計(jì)量方程的反應(yīng)序列稱為原來(lái)反應(yīng)的機(jī)理。第五章化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)

第五章反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器

5.1.2.3基元反應(yīng)

第五章反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器

5.1.2.3基元反應(yīng)

5.1.3均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.3.1單一組分反應(yīng)

1．零級(jí)反應(yīng)5.1.3均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.3.1單一組分反應(yīng)

1．零級(jí)反應(yīng)5.1.3均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.3.1單一組分反應(yīng)

2.一級(jí)反應(yīng)5.1.3均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.3.1單一組分反應(yīng)

2.一級(jí)反應(yīng)5.1.3均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.3.1單一組分反應(yīng)

2.一級(jí)反應(yīng)5.1.3均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.3.1單一組分反應(yīng)

2.一級(jí)反應(yīng)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.1酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.1酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.1酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.1酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.1酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.1酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.1酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.1酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.1酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.1酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.1酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.1酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.1酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.1酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.1酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.2微生物群體生長(zhǎng)規(guī)律5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.3微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.3微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.3微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.3微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.3微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.3微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.3微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.1.4生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

5.1.4.3微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1.反應(yīng)器：反應(yīng)器是進(jìn)行生物或化學(xué)反應(yīng)的容器。通過(guò)一系列工程措施，在容器中提供一定的反應(yīng)條件，使反應(yīng)更快、更高效地向所希望的方向進(jìn)行。如活性污泥法處理城市污水，就是通過(guò)在曝氣池中充空氣（氧氣）、攪拌、回流等一系列工程措施，使微生物分解污水中有機(jī)污染物為CO2和H2O的生化反應(yīng)，相比其模擬的河流自然生化過(guò)程，更快、更高效的進(jìn)行。5.2反應(yīng)器2.反應(yīng)工程學(xué):反應(yīng)工程學(xué)是把生物或化學(xué)反應(yīng)與工程中的問(wèn)題統(tǒng)一起來(lái)考慮，研究反應(yīng)器的設(shè)計(jì)放大和過(guò)程最優(yōu)化。它包括生物/化學(xué)反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)，即生物/化學(xué)反應(yīng)速率與各參數(shù)之間的定量關(guān)系；連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器物料的返混作用與停留時(shí)間的分布；反應(yīng)器的特性及反應(yīng)過(guò)程的最優(yōu)化等。反應(yīng)工程學(xué)就是研究大規(guī)模生物/化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程、設(shè)備特性的基本規(guī)律和各種參數(shù)間的相互關(guān)系。5.2反應(yīng)器反應(yīng)工程學(xué)的具體任務(wù)：（1） 反應(yīng)器的正確選型與合理設(shè)計(jì)。（2） 利用實(shí)驗(yàn)室的研究數(shù)據(jù)進(jìn)行有效放大，解決在實(shí)際工程應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。（3） 實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程的設(shè)計(jì)和控制最優(yōu)化。（4） 改進(jìn)和強(qiáng)化現(xiàn)有的技術(shù)與設(shè)備，降低能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)小試或中試，不僅要找到合適的工藝條件，更重要的是要建立該生物/化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型；另外，還要對(duì)反應(yīng)器的傳遞過(guò)程進(jìn)行研究，建立物料在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)模型，獲得有關(guān)傳遞過(guò)程的參數(shù)。這樣，就能大幅度縮短反應(yīng)器放大時(shí)間，也能在較寬廣的范圍內(nèi)找出最佳工藝條件和操作條件。5.2反應(yīng)器5.2.1反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)模型5.2.1.1基本概念物料質(zhì)點(diǎn)：物料質(zhì)點(diǎn)是指代表物料特性的微元或微團(tuán)。物料由無(wú)數(shù)個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成。停留時(shí)間：連續(xù)操作過(guò)程中，物料質(zhì)點(diǎn)從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的時(shí)間。在實(shí)際的反應(yīng)器中，各物料質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間不盡相同，存在一個(gè)分布，即停留時(shí)間分布。平均停留時(shí)間：各質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間的平均稱平均停留時(shí)間。5.2反應(yīng)器5.2.1.2流動(dòng)模型流動(dòng)模型：理想流動(dòng)模型和非理想流動(dòng)模型理想流動(dòng)模型：平推流模型和全混流模型1.平推流模型（活塞流模型、理想置換模型、理想排擠模型）：物料進(jìn)入反應(yīng)器后沿著流動(dòng)方向象氣缸里的活塞一樣向前移動(dòng)，彼此不相混合。5.2反應(yīng)器(1)模型特點(diǎn)

a.物料參數(shù)（溫度、濃度、壓力等）沿流動(dòng)方向連續(xù)變化；

b.垂直于流動(dòng)方向的任一截面上的物料參數(shù)相同（沒(méi)有邊界層）；

c.沿流動(dòng)方向的截面間不相混合；

d.任一截面上的物料質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間相同；

e.返混＝0,不同停留時(shí)間的物料質(zhì)點(diǎn)不相混合。(2)適用范圍管式反應(yīng)器：L/D（高徑比或長(zhǎng)徑比）較大。5.2反應(yīng)器2.全混流模型（理想混合模型、連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器模型）：物料進(jìn)入反應(yīng)器后，在一瞬間，進(jìn)入反應(yīng)器的物料和反應(yīng)器內(nèi)的物料達(dá)到完全混合。(1)模型特點(diǎn)：a.反應(yīng)器內(nèi)物料質(zhì)點(diǎn)完全混合，物料參數(shù)處處相同，且等于出口處的參數(shù)；b.同一時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的物料在瞬間分散混合；c.反應(yīng)器內(nèi)物料質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間不同。同一時(shí)刻離開(kāi)反應(yīng)器的物料中，質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間也不相同。d.返混＝∞(2)適用范圍：連續(xù)流完全混合式反應(yīng)器。5.2反應(yīng)器3軸向返混模型物料在流動(dòng)體系中流動(dòng)情況偏離平推流的程度可以通過(guò)在平推流的主體上疊加一個(gè)軸向擴(kuò)散或叫做軸向返混來(lái)描述，軸向返混的方向與主體流動(dòng)方向相反。如圖5-19所示。5.2反應(yīng)器5.2反應(yīng)器5.2.2反應(yīng)器及運(yùn)行方式5.2.2.1按流態(tài)分類根據(jù)反應(yīng)物的流動(dòng)與混合狀態(tài)，可分為理想流反應(yīng)器和非理想流反應(yīng)器。理想流反應(yīng)器又可分完全混合流（全混流）反應(yīng)器和推流反應(yīng)器。5.2.2.2按反應(yīng)混合物的相態(tài)可分為均相反應(yīng)器和多相反應(yīng)器。均相反應(yīng)器的特點(diǎn)是，反應(yīng)只在一個(gè)相內(nèi)進(jìn)行，通常在一種氣體或液體內(nèi)進(jìn)行。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)必須有兩相以上才能進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，則稱為多相反應(yīng)器。5.2反應(yīng)器5.2.2反應(yīng)器及運(yùn)行方式5.2.2.1按操作狀況根據(jù)反應(yīng)物料加入反應(yīng)器的方式：間歇反應(yīng)器、連續(xù)反應(yīng)器、半間歇或半連續(xù)反應(yīng)器和序批式反應(yīng)器等。1.間歇反應(yīng)器：按反應(yīng)物“一罐一罐地”進(jìn)行反應(yīng)操作的，反應(yīng)物料一次加入，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間達(dá)到反應(yīng)要求后，反應(yīng)產(chǎn)物一次卸出，過(guò)程為間歇地分批進(jìn)行。5.2反應(yīng)器間歇反應(yīng)器的主要特征：(1)操作特點(diǎn)：反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有物料的輸入，也沒(méi)有物料的輸出，不存在物料的進(jìn)與出。一般用于均質(zhì)的液相反應(yīng)，特別是用于吞吐量不大的情況。(2)基本特征：反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)體系的各種參數(shù)（如濃度、溫度等）隨著反應(yīng)時(shí)間變化而變化，但不隨反應(yīng)器內(nèi)空間位置而變化；物料經(jīng)歷的反應(yīng)時(shí)間都相同。(3)主要優(yōu)點(diǎn)：操作靈活，設(shè)備費(fèi)低，適用于小批量生產(chǎn)或小規(guī)模水處理。(4)主要缺點(diǎn)：設(shè)備利用率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，每批的操作條件不易相同，不便自動(dòng)控制。5.2反應(yīng)器2.連續(xù)反應(yīng)器：進(jìn)料和出料都是連續(xù)不斷地進(jìn)行，反應(yīng)器內(nèi)的參數(shù)不隨時(shí)間發(fā)生變化，但可隨位置而變。連續(xù)反應(yīng)器有兩種不同的類型，分別稱為推流式反應(yīng)器（plugflowreactor）及連續(xù)流完全混合式反應(yīng)器（CFSTRconstantflowstirredtankreactor）。3.半連續(xù)反應(yīng)器/半間歇反應(yīng)器：一種或幾種反應(yīng)物先一次加入反應(yīng)器，而另外一種反應(yīng)物或催化劑則連續(xù)注入反應(yīng)器，這是一種介于連續(xù)和間歇之間的操作方式，反應(yīng)器內(nèi)物料參數(shù)隨時(shí)間發(fā)生變化。5.2反應(yīng)器4.序批式反應(yīng)器（SequencingBatchReactor,SBR）是一個(gè)時(shí)間上不斷循環(huán)的間歇式反應(yīng)器，在水處理中廣泛應(yīng)用且反應(yīng)器體積和處理的水量可以非常大，自動(dòng)化程度也高。如活性污泥法中的序批式反應(yīng)器，不斷重復(fù)如下5個(gè)步驟：（1）充水；（2）反應(yīng)（曝氣）；（3）沉降（沉淀）；（4）排水；（5）閑置。5.連續(xù)流序批式反應(yīng)器在時(shí)間上和空間上都不斷循環(huán)的，具有連續(xù)進(jìn)料和出料的反應(yīng)器，如三槽式氧化溝，UNITANK的反應(yīng)器等。如三槽式氧化溝的邊槽不斷重復(fù)如下4個(gè)步驟：（1）充水，（2）反應(yīng)（曝氣），（3）沉降（沉淀），（4）排水；而中間槽不斷重復(fù)復(fù)如下2個(gè)步驟：（1）直接充水、反應(yīng)（曝氣），（2）從邊槽沖水、反應(yīng)（曝氣）。從流態(tài)上分，它是一個(gè)介于推流式反應(yīng)器和連續(xù)流完全混合式反應(yīng)器之間的一種更接近于后者的反應(yīng)器。5.2反應(yīng)器5.2.2.4按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式可歸納為管式、槽（釜）式和塔式、固定床、膨脹床和流化床等反應(yīng)器。管式反應(yīng)器是長(zhǎng)（高）徑比很大，物料混合作用很小，一般用于連續(xù)操作過(guò)程。槽（釜）式反應(yīng)器的高徑比較小，一般接近于1。通常槽（釜）內(nèi)裝攪拌器，器內(nèi)混合比較均勻。此類反應(yīng)器既可用于連續(xù)操作，也可用于間歇操作。塔式反應(yīng)器高徑比在以上兩者之間（一般地講，高徑比還是較大的），采用連續(xù)操作方式。5.2反應(yīng)器1）釜式：連續(xù)流完全混合式2）管式：推流，傳統(tǒng)活性污泥法3）塔式：塔濾4）固定床：普通生物濾池5）流化床：厭氧流化床各種結(jié)構(gòu)形式的反應(yīng)器的示意圖

主要反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式，適用的相態(tài)和生產(chǎn)上的應(yīng)用舉例5.2反應(yīng)器

1）原則：物質(zhì)不滅定律，能量守恒定律2）對(duì)某一體系單位時(shí)間內(nèi)物料的輸入量＝單位時(shí)間內(nèi)物料的輸出量＋單位時(shí)間內(nèi)物料的積累量＋單位時(shí)間內(nèi)由于反應(yīng)而消失的物料量3）代入相應(yīng)的反應(yīng)速率方程4）根據(jù)反應(yīng)器的特點(diǎn)確定邊界條件5）獲得達(dá)到一定濃度或轉(zhuǎn)化率所需的時(shí)間6）根據(jù)處理量，即可獲得相應(yīng)的反應(yīng)器體積5.2.3理想均相反應(yīng)器的計(jì)算5.2.3理想均相反應(yīng)器的計(jì)算5.2.3.1間歇釜式反應(yīng)器在間歇操作的攪拌釜中，物料一次加入反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，待反應(yīng)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率，物料一次放出。特點(diǎn)1）分批操作，反應(yīng)物料一次加入，反應(yīng)后一次排出，所有物料的反應(yīng)時(shí)間相同。2）在恒溫和恒壓條件下，反應(yīng)物和生成物的濃度均隨時(shí)間變化，故反應(yīng)速率也隨時(shí)間變化。間歇式反應(yīng)器及其性能示意圖5.2反應(yīng)器

3）反應(yīng)器的有效容積VRVR=(+‘)×日處理量/24=v(+‘)式中：

v——平均每小時(shí)處理的物理量，m3/h;‘——每批操作中加料、出料和清洗等輔助時(shí)間，h。4）反應(yīng)器的總體積VT：VR=VT為裝料系數(shù)：（1）不發(fā)生泡沫，不沸騰的液體，＝0.7～0.8（2）其它物料：＝0.4～0.6污水處理：超高5）反應(yīng)器個(gè)數(shù)的確定2.連續(xù)（流動(dòng)）操作的管式反應(yīng)器（推流式，continuousplug-flow)其示意圖見(jiàn)p.280:圖6.3。反應(yīng)物料連續(xù)不斷地加入反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)后的物料連續(xù)不斷地排出反應(yīng)器。特點(diǎn)1）操作為連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出料；2）在恒定溫度、壓力和流量時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)任一截面上的物料濃度不隨時(shí)間變化，但不同截面上的物料濃度不同；3）當(dāng)處理量大時(shí)，管內(nèi)物料通常處于高度湍流狀態(tài)，各物料微團(tuán)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間大致相同。5.2.2幾種典型的基本反應(yīng)器3.連續(xù)操作的攪拌釜其示意圖見(jiàn)p.280:圖6.4。連續(xù)操作的攪拌釜和間歇操作的攪拌釜相類似，只是原料和產(chǎn)物同時(shí)連續(xù)不斷地進(jìn)入和排出反應(yīng)器。特點(diǎn)1）操作為連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出料；2）在恒定溫度、壓力和流量時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度不隨時(shí)間變化，處于常態(tài)；3）新進(jìn)入的物料在釜內(nèi)很快分散并與原有物料混合，致使物料微團(tuán)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間不一致。故停留時(shí)間常以平均停留時(shí)間來(lái)表示，而最終反應(yīng)轉(zhuǎn)化率亦應(yīng)為平均轉(zhuǎn)化率。5.2.2幾種典型的基本反應(yīng)器CA)5.2.3.3連續(xù)操作的攪拌釜4.幾種反應(yīng)器所需有效時(shí)間的比較1)間歇式反應(yīng)器與連續(xù)操作的管式反應(yīng)器2)連續(xù)操作的管式反應(yīng)器和連續(xù)操作的攪拌釜（1）對(duì)于零級(jí)反應(yīng)（2）對(duì)于一級(jí)反應(yīng)（3）產(chǎn)生這種差別的原因5.2.3反應(yīng)器及運(yùn)行方式練習(xí)：請(qǐng)推導(dǎo)當(dāng)化學(xué)反應(yīng)速率級(jí)數(shù)分別為零級(jí)反應(yīng)、一級(jí)反應(yīng)、二級(jí)反應(yīng)，且反應(yīng)為均相定容不可逆時(shí)，在間歇式反應(yīng)器、連續(xù)操作的管式反應(yīng)器、連續(xù)操作的攪拌釜中達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率和一定濃度所需的時(shí)間。5.2.3反應(yīng)器及運(yùn)行方式4.串聯(lián)的連續(xù)操作的攪拌釜其示意圖見(jiàn)p.286:圖5.20。串聯(lián)的連續(xù)操作攪拌釜是由若干連續(xù)操作攪拌釜串聯(lián)而成的，物料在每一釜內(nèi)充分混合，而釜與釜之間互不混合。特點(diǎn)1）操作為連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出料；2）每一級(jí)內(nèi)有確定不變的物料濃度，但各級(jí)內(nèi)的反應(yīng)物濃度不同，便于分段操作控制；3）物料通過(guò)串聯(lián)的多釜之后，其停留時(shí)間可相對(duì)集中，串聯(lián)的釜數(shù)越多，停留時(shí)間越趨于一致。5.2.2幾種典型的基本反應(yīng)器5.2.3.4多釜串聯(lián)反應(yīng)器1.多釜串聯(lián)反應(yīng)器的二個(gè)基本方程2.四個(gè)需計(jì)算求解的參數(shù)：每個(gè)反應(yīng)器的有效容積VRi,反應(yīng)器釜數(shù)N,最終轉(zhuǎn)化率xAN和最終濃度cAN1）代數(shù)法：已知?jiǎng)恿W(xué)模型2）圖解法：無(wú)動(dòng)力學(xué)模型，但有一組動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)5.2.3反應(yīng)器及運(yùn)行方式5.2.4.1以生產(chǎn)強(qiáng)度為優(yōu)化目標(biāo)選擇反應(yīng)器1.反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度：反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度是指反應(yīng)器的單位體積所具有的生產(chǎn)能力。2.容積效率（或有效利用系數(shù)）：對(duì)同一反應(yīng)，在同溫度、同產(chǎn)量和同轉(zhuǎn)化率條件下，平推流反應(yīng)器的有效容積（反應(yīng)體積）與全混流反應(yīng)器的有效容積之比稱為容積效率（或有效利用系數(shù)）1）零級(jí)反應(yīng):(5-89）2）一級(jí)反應(yīng):(5-90)3）二級(jí)反應(yīng):(5-91)5.2.4理想均相反應(yīng)器的優(yōu)化選擇5.2.4.1以生產(chǎn)強(qiáng)度為優(yōu)化目標(biāo)選擇反應(yīng)器3.容積效率與轉(zhuǎn)化率xA和反應(yīng)級(jí)數(shù)的關(guān)系:圖5.294.多釜串聯(lián)反應(yīng)器釜數(shù)對(duì)反應(yīng)器有效容積的影響一級(jí)反應(yīng):（5-92）和圖5.305.2.4理想均相反應(yīng)器的優(yōu)化選擇5.2.4.2以產(chǎn)率和選擇性為優(yōu)化目標(biāo)選擇反應(yīng)器1.轉(zhuǎn)化率(x)轉(zhuǎn)化率(x)=轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物和副產(chǎn)物的反應(yīng)物量/進(jìn)入反應(yīng)器的反應(yīng)物量＝反應(yīng)物被消耗的量/反應(yīng)物起始量2.收率()收率()=轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的反應(yīng)物量/進(jìn)入反應(yīng)器的反應(yīng)物量3.選擇性()選擇性()=轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的反應(yīng)物量/轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物和副產(chǎn)物的反應(yīng)物量5.2.4理想均相反應(yīng)器的優(yōu)化選擇5.2.4.2以產(chǎn)率和選擇性為優(yōu)化目標(biāo)選擇反應(yīng)器4.三者關(guān)系：原料不循環(huán)返回反應(yīng)器：收率()＝選擇性()×轉(zhuǎn)化率(x)一般在工業(yè)上常用收率表示原料的有效利用程度，而在理論探討時(shí)，往往用選擇性來(lái)表示。5.提高收率的方法1）平行反應(yīng)2）串聯(lián)反應(yīng)5.2.4理想均相反應(yīng)器的優(yōu)化選擇5.提高收率的方法1）平行反應(yīng)[1]:當(dāng)1>2:選用平推流反應(yīng)器或間歇式反應(yīng)器采用較小的單程轉(zhuǎn)化率用濃度高的進(jìn)料對(duì)氣相反應(yīng)，增加系統(tǒng)的壓強(qiáng)[2]:當(dāng)1<2:選用全混流反應(yīng)器采用較大的單程轉(zhuǎn)化率用部分反應(yīng)后的物料循環(huán)，以降低進(jìn)料中的反應(yīng)物濃度加入惰性稀釋劑對(duì)氣相反應(yīng)，減壓操作[3]:當(dāng)1＝2改變溫度，采用催化劑來(lái)增大k1,減小k2環(huán)境工程中微生物反應(yīng)器的分類1.反應(yīng)器的操作方式：間歇反應(yīng)器、連續(xù)反應(yīng)器、半間歇或半連續(xù)反應(yīng)器和序批式反應(yīng)器2.反應(yīng)物的流動(dòng)與混合狀態(tài)：理想流反應(yīng)器和非理想流反應(yīng)器理想流反應(yīng)器：理想流反應(yīng)器又可分完全混合流（全混流）反應(yīng)器和推流反應(yīng)器3.反應(yīng)混合物的相態(tài)：均相反應(yīng)器和多相反應(yīng)器活性污泥中的曝氣池：微生物（主要是細(xì)菌）是固相，污染物為液相，為好氧微生物提供的空氣（氧氣）為氣相，這個(gè)過(guò)程實(shí)際是一個(gè)多相反應(yīng)，且微生物細(xì)胞本身也是一個(gè)復(fù)雜的多相反應(yīng)器，但我們將其簡(jiǎn)化為在液相中進(jìn)行的理想均相反應(yīng)5.3微生物反應(yīng)器環(huán)境工程中微生物反應(yīng)器有效體積的計(jì)算基本方程式：物質(zhì)不變定律和能量守恒定律為基礎(chǔ)的物料衡算式代入物料衡算式的相應(yīng)的反應(yīng)速率方程通常是Monod公式，然后根據(jù)反應(yīng)器的操作方式特點(diǎn)確定邊界條件，即可獲得達(dá)到一定污染物濃度或去除率所需的時(shí)間，然后根據(jù)處理量，即可獲得相應(yīng)的微生物反應(yīng)器體積

5.3微生物反應(yīng)器5.3.1間歇式微生物反應(yīng)器5.3.1間歇式微生物反應(yīng)器5.3.1間歇式微生物反應(yīng)器5.3.1間歇式微生物反應(yīng)器5.3.1間歇式微生物反應(yīng)器5.3.1間歇式微生物反應(yīng)器5.3.1間歇式微生物反應(yīng)器5.3.1間歇式微生物反應(yīng)器5.3.1間歇式微生物反應(yīng)器5.3.2.連續(xù)式微生物反應(yīng)器

連續(xù)流完全混合式反應(yīng)器5.3.2.連續(xù)式微生物反應(yīng)器

連續(xù)流完全混合式反應(yīng)器5.3.2.連續(xù)式微生物反應(yīng)器

連續(xù)流完全混合式反應(yīng)器5.3.2.連續(xù)式微生物反應(yīng)器

連續(xù)流完全混合式反應(yīng)器5.3.2.連續(xù)式微生物反應(yīng)器

連續(xù)流完全混合式反應(yīng)器5.3.2.連續(xù)式微生物反應(yīng)器

連續(xù)流完全混合式反應(yīng)器5.3.2.連續(xù)式微生物反應(yīng)器

連續(xù)流完全混合式反應(yīng)器5.3.2.連續(xù)式微生物反應(yīng)器

連續(xù)流完全混合式反應(yīng)器5.3.2.連續(xù)式微生物反應(yīng)器

連續(xù)流完全混合式反應(yīng)器習(xí)題：某廢水的分析及處理試驗(yàn)資料如下:流量為1000m3/d，進(jìn)水BOD5為400mg/l，出水要求為BOD5為10mg/l，溫度為常溫。設(shè)混合液懸浮揮發(fā)性固體濃度為4000mg/l。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得動(dòng)力學(xué)參數(shù)為：μmax=1.0d-1,Ks=5mg/l,Yx/s=0.4(mg-VSS/mg-BOD5)。請(qǐng)分別計(jì)算采樣連續(xù)流完全混合式活性污泥法和傳統(tǒng)活性污泥法（推流式活性污泥法）處理此廢水時(shí)的曝氣池有效體積。5.3微生物反應(yīng)器

6.1.1物料返混和停留時(shí)間分布6.1.1.1物料返混1.返混的概念引起返混的原因：（1）攪拌引起的錯(cuò)流或?qū)Я鳎?）分子擴(kuò)散或渦流擴(kuò)散（3）反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)引起的死角、短路和溝流。第六章非理想流動(dòng)反應(yīng)器

6.1物料停留時(shí)間分布和流動(dòng)模型6.1.1物料返混和停留時(shí)間分布6.1.1.1物料返混2.返混對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響（1）反應(yīng)器進(jìn)口處反應(yīng)物高濃度區(qū)的消失或減低（2）改變了反應(yīng)器內(nèi)的濃度分布，使器內(nèi)反應(yīng)物的濃度下降，反應(yīng)產(chǎn)物的濃度上升。（3）是反應(yīng)器產(chǎn)生“放大效應(yīng)”（反應(yīng)器的性能隨反應(yīng)器的放大而變差）的主要因素之一。6.1物料停留時(shí)間分布和流動(dòng)模型6.1.1物料返混和停留時(shí)間分布6.1.1.2停留時(shí)間分布1.停留時(shí)間分布(RTD,residencetimedistribution)當(dāng)反應(yīng)器存在返混時(shí)，所有物料微團(tuán)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間不一致，呈現(xiàn)一種概率分布，稱為停留時(shí)間分布。2.停留時(shí)間分布的表示方法1）停留時(shí)間分布密度函數(shù)：E()圖6.12）停留時(shí)間分布函數(shù)：F()3）停留時(shí)間分布密度函數(shù)[E()]與停留時(shí)間分布函數(shù)[F()]間關(guān)系的示意圖：圖6.236.1物料停留時(shí)間分布和流動(dòng)模型6.1.1.2停留時(shí)間分布3.停留時(shí)間分布的表示方法4）分布密度函數(shù)[E()]的性質(zhì)（1）分布密度函數(shù)[E()]曲線下方所包圍的全部面積等于1：(6-1)（2）平均停留時(shí)間)（3）停留時(shí)間對(duì)平均停留時(shí)間的離散情況的方差6.1物料停留時(shí)間分布和流動(dòng)模型6.1.2停留時(shí)間分布的測(cè)定方法1.脈沖法2.階躍法習(xí)題：用脈沖法測(cè)定一流動(dòng)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布，得出口流體示蹤劑的濃度c()與時(shí)間的關(guān)系列于下表中，試求該反應(yīng)器內(nèi)物料的平均停留時(shí)間和各時(shí)間的E()6.1物料停留時(shí)間分布和流動(dòng)模型6.1.3理想反應(yīng)器的停留時(shí)間分布1.理想平推流反應(yīng)器內(nèi)物料停留時(shí)間分布2.理想全混流反應(yīng)器內(nèi)物料停留時(shí)間分布3.串聯(lián)多釜連續(xù)操作的理想攪拌釜的停留時(shí)間分布6.1物料停留時(shí)間分布和流動(dòng)模型6.1.4停留時(shí)間分布在非理想流動(dòng)均相反應(yīng)器中的應(yīng)用和計(jì)算1.停留時(shí)間分布曲線的作用1）提供理想流動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間分布曲線的典型圖像。2）定性判斷實(shí)際反應(yīng)器較接近的理想流動(dòng)模型，以及偏離理想流動(dòng)模型的程度和返混程度。3）定性診斷反應(yīng)器