第11章反应动力学基础.ppt

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1、反应工程原理 目的：利用化学目的：利用化学/生物反应，将污染物转化成无毒无害生物反应，将污染物转化成无毒无害或易于分离的物质达到去除污染物和净化环境目的。或易于分离的物质达到去除污染物和净化环境目的。主要研究内容：主要研究内容：1)1)反应动力学反应动力学 研究各种因素研究各种因素(如温度、压力、浓度、如温度、压力、浓度、反应体系中介质、催化剂、流场和温度场分布、停留反应体系中介质、催化剂、流场和温度场分布、停留时间分布等时间分布等)对反应速率的影响以及相应的反应机理和对反应速率的影响以及相应的反应机理和数学表达式数学表达式 2)2)反应器的选择、设计和操作的优化反应器的选择、设计和操作的优化

2、 学习重点：学习重点：1 1）化学与生物反应的计量学、动力学及其研究方法）化学与生物反应的计量学、动力学及其研究方法 2 2）环境工程中常用的各类化学和生物反应器的基本类）环境工程中常用的各类化学和生物反应器的基本类型及其操作原理和设计计算方法型及其操作原理和设计计算方法反应工程原理 反应动力学基础反应动力学基础本章主要内容本章主要内容 第一节第一节 反应器和反应操作反应器和反应操作 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式及其特点 第二节第二节 反应的计量关系反应的计量关系 反应组分反应组分(参与反应的各物质参与反应的各物质)间的定量关

3、系间的定量关系 第三节第三节 反应动力学反应动力学 反应速率与反应条件之间的关系反应速率与反应条件之间的关系第一节第一节 反应器和反应操作反应器和反应操作 反应器反应器 (reactor)(reactor)：进行化学或生物反应的容器的总：进行化学或生物反应的容器的总称。称。反应器：实现反应的外部条件。反应器：实现反应的外部条件。反应器的操作方式和反应器的结构决定反应反应器的操作方式和反应器的结构决定反应器的特性（包括反应器内物料的流动状态、混合状态器的特性（包括反应器内物料的流动状态、混合状态以及质量和能量传递特性）。以及质量和能量传递特性）。同一反应在具有不同特性的反应器内进行，同一反应在具

4、有不同特性的反应器内进行，会产生不同的反应结果。会产生不同的反应结果。反应器的操作方式（间歇操作）反应器的操作方式（间歇操作）将反应原料将反应原料一次加入反一次加入反应器应器，反应一段时间或，反应一段时间或达到一定的反应程度后达到一定的反应程度后一次取出全部的反应物一次取出全部的反应物料料，然后进入下一轮操，然后进入下一轮操作。作。基本特征：间歇反应过基本特征：间歇反应过程是一个程是一个非稳态的过程非稳态的过程，反应器内组成随时间变反应器内组成随时间变化而变化化而变化。浓度cA物质的量nA体积V浓度cA物质的量nA反应时间浓度完全混合流反应器反应物反应产物反应器的操作方式（间歇操作）反应器的操

5、作方式（间歇操作）主要优点：操作灵活，设备费低，适用于小批量生产主要优点：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。或小规模废水的处理。主要缺点：设备利用率低，劳动强度大，每批的操作主要缺点：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。条件不易相同，不便自动控制。常见的间歇反应器常见的间歇反应器:高压锅、序列间歇式活性污泥法高压锅、序列间歇式活性污泥法反应器的操作方式（连续操作）反应器的操作方式（连续操作）原料连续输入原料连续输入反应器，反应器，反应反应产物也连续地流出产物也连续地流出反应器反应器 基本特征基本特征 连续反应过连续反应过程是一个稳态过程，反程是

6、一个稳态过程，反应器内各处的组成不随应器内各处的组成不随时间变化时间变化反应量-rAV浓度cA体积VA的流入量A0V0A0cqqnA的流出量AVAcqqn反应器的操作方式（连续操作）反应器的操作方式（连续操作）主要优点主要优点 便于自动化，劳动生产率高，反应程度与便于自动化，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。场合，多采用连续操作。主要缺点主要缺点 灵活性小，设备投资高。灵活性小，设备投资高。常见的连续操作反应器常见的连续操作反应器处理水污水曝气池二沉池回流污泥剩余污泥初沉池污水的活性污泥处理

7、系统反应器的操作方式反应器的操作方式(半间歇操作半间歇操作/半连续操作半连续操作)原料与产物中的一种或一种以上为连续输入或输出，原料与产物中的一种或一种以上为连续输入或输出，而其它成分分批加入或取出的操作称为半间歇操作或而其它成分分批加入或取出的操作称为半间歇操作或半连续操作。半连续操作。半间歇操作具有间歇操作和连续操作的某些特点。反半间歇操作具有间歇操作和连续操作的某些特点。反应器内的组成随时间变化而变化。应器内的组成随时间变化而变化。采用采用半间歇操作半间歇操作/半连续操作主要是为了消除反应过程半连续操作主要是为了消除反应过程中某物质的抑制或提高某类物质的得率或收率中某物质的抑制或提高某类

8、物质的得率或收率反应器操作的工程概念反应器操作的工程概念反应持续时间反应持续时间 (reaction time)(reaction time)：简称反应时间，主要：简称反应时间，主要用于间歇反应器用于间歇反应器，指达到一定反应程度所需的时间。，指达到一定反应程度所需的时间。停留时间停留时间 (retention time)(retention time)：亦称接触时间，指：亦称接触时间，指连续操连续操作中作中一物料一物料“微元微元”从反应器入口到出口经历的实际从反应器入口到出口经历的实际时间。时间。平均停留时间：在实际的反应器中，各物料平均停留时间：在实际的反应器中，各物料“微元微元”的的停留

9、时间不尽相同，存在一个分布，即停留时间分布。停留时间不尽相同，存在一个分布，即停留时间分布。各各“微元微元”的停留时间的平均称平均停留时间。的停留时间的平均称平均停留时间。反应器操作的工程概念反应器操作的工程概念空间时间（空时、空塔接触时间）空间时间（空时、空塔接触时间）(space time(space time，)反应器有效体积反应器有效体积(V V)与物料体积流量与物料体积流量(q qv)v)之比值。之比值。空间时间空间时间 注意：注意：具有具有时间的单位时间的单位，但和反应时间、接触时间不同，但和反应时间、接触时间不同 处理与反应器等体积的物料所需要的时间处理与反应器等体积的物料所需要

10、的时间。例：例：30s 30s 表示了每表示了每30s30s处理与反应器有效体积相等的处理与反应器有效体积相等的流体流体V/V q反应器操作的工程概念反应器操作的工程概念 空间速度（空速）空间速度（空速）(space velocity(space velocity，SV)SV)单位反应器有效体积所能处理的物料的体积流量。单位反应器有效体积所能处理的物料的体积流量。空间速度空间速度 注意：注意：单位为单位为时间的倒数时间的倒数。表示单位时间内能处理几倍于反应器体积的物料，表示单位时间内能处理几倍于反应器体积的物料，反映了一个反映了一个反应器的强度反应器的强度。（。（SVSV2 h2 h-1-1表

11、示表示1h1h处理处理2 2倍倍于反应体积的流体。）于反应体积的流体。）空速越大，反应器的负荷越大。空速越大，反应器的负荷越大。VSV/qV反应器内反应物流动与混合状态反应器内反应物流动与混合状态 理想状态下两种流动状态理想状态下两种流动状态 1 1）完全混合流）完全混合流 (complete mixing)(complete mixing)：亦称全混流、理：亦称全混流、理想混合想混合,反应物进入反应器后，能瞬间达到完全混合，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返混为无限大。2 2）（平

12、）推流）（平）推流 (plug/piston flow)(plug/piston flow)：亦称活塞流、亦称活塞流、挤出流挤出流,反应物以相同的流速和一致的方向移动，即反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，即在轴向混合，即返混为零返混为零。反应器内反应物流动与混合状态反应器内反应物流动与混合状态 非理想流态非理想流态:介于全混流和推流之间的流态介于全混流和推流之间的流态 实际的反应器中，一般存在浓度、温度和流速的实际的反应器中，一般存在浓度、温度和流速的分布，从而可能造成不同的分布，从

13、而可能造成不同的“流团流团”间有不同的停留间有不同的停留时间、组分、浓度和反应速率。时间、组分、浓度和反应速率。返混返混(back mixing)(back mixing)：处于不同停留时间的处于不同停留时间的“流团流团”间的混合称返混。间的混合称返混。混合后形成的新混合后形成的新“流团流团”的组分和浓度与原来的的组分和浓度与原来的“流团流团”不同，反应速率亦可能随之发生变化，影响不同，反应速率亦可能随之发生变化，影响了整个反应器的反应特性。了整个反应器的反应特性。反应器的类型反应器的类型 按反应器的结构分类：按反应器的结构分类：釜（槽）式反应器、管式反应釜（槽）式反应器、管式反应器器、塔式反

14、应器、固定床、膨胀床、塔式反应器、固定床、膨胀床 、流化床等。塔式、流化床等。塔式反应器又分为鼓泡塔和填料塔反应器又分为鼓泡塔和填料塔 按反应物的聚集状态分类：均相反应器、非均相反应按反应物的聚集状态分类：均相反应器、非均相反应器（如气器（如气-液反应器等）液反应器等）按反应操作分类：间歇反应器（分批反应器）、连续按反应操作分类：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、非恒温反应反应器和半连续反应器以及恒温反应器、非恒温反应器等。器等。按流态分类：理想流反应器和非理想流反应器。理想按流态分类：理想流反应器和非理想流反应器。理想流反应器又分为完全混合流（全混流）反应器和

15、推流流反应器又分为完全混合流（全混流）反应器和推流反应器。反应器。反应器的设计和放大反应器的设计和放大设计过程设计过程 选择合适的反应器型式；选择合适的反应器型式；确定最佳的操作条件；确定最佳的操作条件；计算达到规定的目标所需要的反应体积，确定反应计算达到规定的目标所需要的反应体积，确定反应器的主要尺寸。器的主要尺寸。反应器设计用到的基本方程：反应器设计用到的基本方程：反应动力学方程、物料反应动力学方程、物料/能量能量/动量衡算式动量衡算式放大步骤放大步骤 从实验室到实际规模应用：逐级经验放大、数学模从实验室到实际规模应用：逐级经验放大、数学模型设计型设计第二节第二节 反应的计量关系反应的计量

16、关系 反应物反应物 (reactants)(reactants)：反应的出发物质：反应的出发物质 产物产物 (products)(products)：反应中产生的物质：反应中产生的物质 反应组分反应组分 (reaction mixturereaction mixture)：参与反应的物质总称：参与反应的物质总称 反应式：描述反应物经过反应生成产物的过程关系式反应式：描述反应物经过反应生成产物的过程关系式 计量方程：表示参与反应的各组分量的变化，与反应计量方程：表示参与反应的各组分量的变化，与反应历程无关。历程无关。计量方程中计量方程中M M表示各组分的摩尔质量表示各组分的摩尔质量QPBAQPBAQQPPBBAAMMMM膨胀因子的计算膨胀因子的计算 每消耗每消耗1mol1mol的某反应物所引起的反应系统总物质的量的某反应物所引起的反应系统总物质的量的变化量的变化量()称为该反应物的膨胀因子。称为该反应物的膨胀因子。等分子反应：等分子反应：计量方程中计量系数的代数和等于零，计量方程中计量系数的代数和等于零，膨胀因子为膨胀因子为0。非等分子反应：非等分子反应：计量系数的代数和非为零（可正、可