当代给水与废水处理原理反应器学习PPT.ppt

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1、第二章反应器 本章主要内容本章主要内容 反应器简介反应器简介 物料衡算方程与物料衡算方程与Fick第一扩散定律第一扩散定律 多相反应与均相反应多相反应与均相反应 连续均相反应器连续均相反应器 停留时间函数、混合与反应停留时间函数、混合与反应 分散模型分散模型 反应器的容积反应器的容积1.1.反应器设计影响因素反应器设计影响因素 反应器的设计涉及了流体力学、传热、传质、化学动力学的知识反应器的设计涉及了流体力学、传热、传质、化学动力学的知识2.2.反应器的类型反应器的类型 按反应特点分为：按反应特点分为：均相反应器与多相反应器均相反应器与多相反应器 按运行方式分为：间歇式反应器与连续流式反应器按

2、运行方式分为：间歇式反应器与连续流式反应器3 3、反应器设计面临的新课题、反应器设计面临的新课题 反应器体系的设计：如何传热、传质的问题反应器体系的设计：如何传热、传质的问题 反应动力学研究反应动力学研究 反应器参数优化反应器参数优化 反应机理的研究反应机理的研究反应器简介2-12-1物料恒算方程物料恒算方程 1.物料恒算方程的推导物料恒算方程的推导 物料衡算关系：物料衡算关系：每秒进入的质量每秒进入的质量+每秒在内产生或消失的质量每秒在内产生或消失的质量 =每秒流出的质量每秒流出的质量+每秒在内积累的质量每秒在内积累的质量 （2-1）式中式中 虽然称为累计项，但它实际是其余三项的净效果，即虽

3、然称为累计项，但它实际是其余三项的净效果，即式（式（2-1）写成下列形式才符合公式推导的思路：）写成下列形式才符合公式推导的思路：oiAAAAQVrQdtdVdtdVQVrQAAAAoidtdVA2-2 2-2 浓度与扩散浓度与扩散1.通量的定义通量的定义 通量通量=扩散速率扩散速率浓度浓度2.复习质量浓度、质量分数（复习质量浓度、质量分数（mass fraction）及物质的量浓度、摩尔分数（）及物质的量浓度、摩尔分数（mole fraction）的关系，以）的关系，以A、B二元体系为例来说明。二元体系为例来说明。（2-2）（2-3）（2-4）BAAAAMcBBBMcBBw AAw2-2 2

4、-2 浓度与扩散浓度与扩散 （2-5）（2-6）（2-7）（2-8）ccxAAccxBBBAccccMBBAAAAABBAABAMwMwMwxMMxMxxx12-2 2-2 浓度与扩散浓度与扩散 （2-9）3.混合物的局部平均速率混合物的局部平均速率v及局部摩尔平均速率及局部摩尔平均速率v*的定义的定义 (2-10)(2-11)BBAAAAABBAABAMxMxMxwMMwMwww11BBAABABBAAwwBBAABABBAAxxcccc*扩散过程示意图2-3 Fick2-3 Fick第一扩散定律第一扩散定律1.Fick第一扩散定律第一扩散定律 分子扩散：物质通过它们的分子活动而相互渗透的现

5、象。分子扩散：物质通过它们的分子活动而相互渗透的现象。分子扩散的四种推动力：浓度梯度（常扩散）、压力梯度（压力扩散）、作分子扩散的四种推动力：浓度梯度（常扩散）、压力梯度（压力扩散）、作用力差（强制扩散）、温度梯度（温度扩散）。一般的扩散指的是常扩散。用力差（强制扩散）、温度梯度（温度扩散）。一般的扩散指的是常扩散。Fick第一扩散定律的基本公式第一扩散定律的基本公式 （2-12a）（2-12b）zxcDJAABAzcDJAABA2-3 Fick2-3 Fick第一扩散定律第一扩散定律 注：（注：（1）DAB的单位一般用的单位一般用cm2/s；c及及cA的单位用的单位用mol/cm3；（2）J

6、A是一个向量，其方向与浓度梯度的方向相反。是一个向量，其方向与浓度梯度的方向相反。（3）当式）当式(2-11)中的总物质的量浓度中的总物质的量浓度c不随不随z坐标变化时，基不公式（坐标变化时，基不公式（2-12b)与与(2-12a)完全一样，本书以后即采用完全一样，本书以后即采用(2-12b)这一公式。这一公式。Fick第一扩散定律以表示第一扩散定律以表示A相对于固定坐标的通量相对于固定坐标的通量 最为合适，得下式：最为合适，得下式：（2-13）当式当式(2-13)中中 可以忽略时、如气体可以忽略时、如气体B溶解在水中的情形，得下列实用形式：溶解在水中的情形，得下列实用形式：（2-14）zcD

7、NNxNAABBAAA)(ANzcxDNAAABA1BN2-3 Fick2-3 Fick第一扩散定律第一扩散定律2.扩散系数称扩散系数称 DAB称为二元混合物的互扩散系数，表示成分称为二元混合物的互扩散系数，表示成分A在在B中的扩散。中的扩散。A、B可可以同时是气体，同时是液体，或者一种气体和一种液体，一种流体和一种固以同时是气体，同时是液体，或者一种气体和一种液体，一种流体和一种固体等。体等。A与与B也可能是同一种物质，这时称为自扩散系数。气体的扩散系数可也可能是同一种物质，这时称为自扩散系数。气体的扩散系数可以通过理论计算得到以通过理论计算得到DAB与实验值相近的数值，但与实验值相近的数值

8、，但般的扩散系数主要是通般的扩散系数主要是通过实验定出来的过实验定出来的DAB 的值还随的值还随A的摩尔分数而略有变化，但在低摩尔分数时，的摩尔分数而略有变化，但在低摩尔分数时，基本上可视为常数。基本上可视为常数。ABD2-4 2-4 氧气在水膜内的扩散和反应氧气在水膜内的扩散和反应 1.多相反应模型多相反应模型 氧气在水膜内的扩散氧气在水膜内的扩散多相反应是假定氧气在通过水膜的扩散过程中不发生反应，反应多相反应是假定氧气在通过水膜的扩散过程中不发生反应，反应只发生在生物膜的表面，即氧气到达水膜底后才发生反应，反应只发生在生物膜的表面，即氧气到达水膜底后才发生反应，反应速率为：速率为：（2-1

9、5）ckrO/2-4 2-4 氧气在水膜内的扩散和反应氧气在水膜内的扩散和反应 浓度在浓度在z方向上的变化关系为：方向上的变化关系为：（2-16）00dZZZaNaN/1kDzkccABoz2.均相模型均相模型 均相反应假定在整个水膜内部发生稳态反应，反应速率表示为均相反应假定在整个水膜内部发生稳态反应，反应速率表示为 浓度在浓度在z方向上的变化关系为：方向上的变化关系为：（2-18）kcroABABozDkzDkcc22cosh1cosh(2-17)zcxDNABZ01物料衡算方程：物料衡算方程：ABDkcc/11/02-4 2-4 氧气在水膜内的扩散和反应氧气在水膜内的扩散和反应若若 ，则

10、有：，则有：（2-19）zABoDkcc2cosh1均相反应模型均相反应模型 2-4 2-4 氧气在水膜内的扩散和反应氧气在水膜内的扩散和反应3.结论结论 在在 与与 等值的情况下，两种模型中的值等值的情况下，两种模型中的值可以说是比较接近的；这说明均相与多相只是一种分析方法的不同选择，而可以说是比较接近的；这说明均相与多相只是一种分析方法的不同选择，而不必作为一种必须严格加以区分的概念。不必作为一种必须严格加以区分的概念。ABDk/ABDk2occ2-5 2-5 多空丸模型多空丸模型1.多空丸数学模型多空丸数学模型 a.球的半径为球的半径为 z，球的单位体积所含的表面积、即比表面为，球的单位

11、体积所含的表面积、即比表面为 a，单位，单位为为cm2cm3；b.边界条件为：当边界条件为：当 z=0时反应物的浓度时反应物的浓度 c=0；z=Z 时时，(在多孔九内，在多孔九内，浓度不是连续的，所以用某一点附近的无限小体积内的浓度平均值来代表浓度不是连续的，所以用某一点附近的无限小体积内的浓度平均值来代表这一点的浓度这一点的浓度)c.球内反应速率；球内反应速率；r=-k/c d.有效扩散系数为有效扩散系数为D。多孔丸模型多孔丸模型 2-5 2-5 多空丸模型多空丸模型 依据模型得到依据模型得到c的表达式的表达式 （2-20）ZDakzZDakZccb/sinhsinh 2.有效系数的概念有效

12、系数的概念 rdMME E为衡量扩散系数在整个过程中所起的作用的指标。为衡量扩散系数在整个过程中所起的作用的指标。E=1时，说明时，说明扩散阻力不起作用；扩散阻力不起作用；E值越小，说明扩散阻力越大。值越小，说明扩散阻力越大。(2-21)2-6 2-6 活塞流反应器活塞流反应器 1.活塞流反应器示意图活塞流反应器示意图活塞流反应器 kcciexpkccioexp2.2.反应器内浓度及出口浓度反应器内浓度及出口浓度 （2-22）（2-23）3.适用条件适用条件 在垂直于液体的流动方向上可能有混合现象，而在液体流动的方向上完全不在垂直于液体的流动方向上可能有混合现象，而在液体流动的方向上完全不存在

13、混合现象。存在混合现象。2-7 2-7 连续搅拌反应器（连续搅拌反应器（CSTRCSTR）1.连续搅拌反应器的示意图及其特点连续搅拌反应器的示意图及其特点 CSTR示意示意 特点：特点：（1）进口反应器的流量皆为）进口反应器的流量皆为Q；（2）A的出口浓度也必然是的出口浓度也必然是cA。2.CSTR的一般方程式的一般方程式 物料衡算方程物料衡算方程dtdcVQcVrQcAAAAi （2-24a）2-7 2-7 连续搅拌反应器（连续搅拌反应器（CSTRCSTR）AAAQcVrQciQv/dtdccrcAAAAiAAAcrci上式在稳态时简化为上式在稳态时简化为 两边分别除以两边分别除以 Q ，并

14、令代表反应器的停留时间。并令代表反应器的停留时间。（2-24b）（2-25b）可得可得3.一级反应解一级反应解 （2-26）ktkcciAA1/exp11（2-25a）2-7 2-7 连续搅拌反应器（连续搅拌反应器（CSTRCSTR）在稳态时简化为在稳态时简化为 （2-27）kcciAA14.平行反应解的稳态解平行反应解的稳态解（1）CSTR的平行反应的平行反应BA1kCA2kAAckkr)(21CSTR的平行（串联）反应 2-7 2-7 连续搅拌反应器（连续搅拌反应器（CSTRCSTR）（2）稳态解）稳态解)(121kkcciAA)(1211kkckciAB)(1212kkckciAC（2-

15、28）（2-29）（2-30）5.串联反应的稳态解串联反应的稳态解CBA21kk11kcciAA（2-31）21121111kkckkckciAAB（2-32）2121211kkckkciAC（2-33）2-8 2-8 阶式阶式CSTRCSTR 若干个若干个CSTR串联起来便称为阶式串联起来便称为阶式CSTR。阶式。阶式CSTR是对一般反应器模型化是对一般反应器模型化的一个方法。当阶式的一个方法。当阶式CSTR数级多时，其作用则相当于一个活塞流反应器。数级多时，其作用则相当于一个活塞流反应器。1.一级反应的情况下一级反应的情况下ninkcc1111nnicck11nnicckQV （2-34）

16、（2-35）（2-36）结论结论：当阶式：当阶式CSTR的个数的个数n ，共总容积为，共总容积为 ，总停留时间为，总停留时间为 ，反，反应为一级时，其作用和容积、停留时间与之相等的活塞流反应器完全等价。应为一级时，其作用和容积、停留时间与之相等的活塞流反应器完全等价。（非一级反应的条件下，同样可得出此结论）（非一级反应的条件下，同样可得出此结论）V2-8 2-8 阶式阶式CSTRCSTR2.二级反应的情况下二级反应的情况下 kkccnn2411211（2-37）3.阶式阶式CSTR的图解法的图解法xxxxxxrcrQVcc11（2-38）阶式阶式CSTR的图解法的图解法 2-9 2-9 停留时间函数停留时间函数1.基本概念基本概念 死角死角：指反应器中液体不流动或者说流动极为缓慢的区域。：指反应器中液体不流动或者说流动极为缓慢的区域。短路流短路流：也称跨越流，指进反应器的液流中，未经主体流动而流出反：也称跨越流，指进反应器的液流中，未经主体流动而流出反应器的部分。应器的部分。沟流沟流：主要是从填料床中所发生的现象提出来的，指水直接通过在填：主要是从填料床中所发生的现象提出来的，指水直接