反应动力学基础(I)

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1、反应工程原理目的：利用化学/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。主要研究内容：1)反应动力学研究各种因素(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、停留时间分布等)对反应速率的影响以及相应的反应机理和数学表达式2)反应器的选择、设计和操作的优化学习重点：1）化学与生物反应的计量学、动力学及其研究方法2）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反应工程原理——反应动力学基础本章主要内容第一节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式及其特点第二节反

2、应的计量关系反应组分(参与反应的各物质)间的定量关系第三节反应动力学反应速率与反应条件之间的关系第一节反应器和反应操作反应器(reactor)：进行化学或生物反应的容器的总称。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）。同一反应在具有不同特性的反应器内进行，会产生不同的反应结果。反应器的操作方式（间歇操作）将反应原料一次加入反应器，反应一段时间或达到一定的反应程度后一次取出全部的反应物料，然后进入下一轮操作。基本特征：间歇反应过程是一个非稳态的过程，反应器内组成随

3、时间变化而变化。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）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。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。常见的间歇反应器: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）原料连续输入反应器，反应产物也连续地流出反应器基本特征∶连续反应过程是一个稳态过程，反应器内各处的组成不随时间变化反应量-rAV浓度cA体积VA的流入量A的流出量反应器的操作方式（连续操作）主要优点∶便于自动化，劳动

4、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场合，多采用连续操作。主要缺点∶灵活性小，设备投资高。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系统反应器的操作方式(半间歇操作/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，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。采用半间歇操作/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反应器操作的工程概念反应持续时间(reacti

5、ontime)：简称反应时间，主要用于间歇反应器，指达到一定反应程度所需的时间。停留时间(retentiontime)：亦称接触时间，指连续操作中一物料“微元”从反应器入口到出口经历的实际时间。平均停留时间：在实际的反应器中，各物料“微元”的停留时间不尽相同，存在一个分布，即停留时间分布。各“微元”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空间时间（空时、空塔接触时间）(spacetime，τ)反应器有效体积(V)与物料体积流量(qv)之比值。空间时间注意：具有时间的单位，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。例：τ＝3

6、0s表示了每30s处理与反应器有效体积相等的流体反应器操作的工程概念空间速度（空速）(spacevelocity，SV)单位反应器有效体积所能处理的物料的体积流量。空间速度注意：单位为时间的倒数。表示单位时间内能处理几倍于反应器体积的物料，反映了一个反应器的强度。（SV＝2h-1表示1h处理2倍于反应体积的流体。）空速越大，反应器的负荷越大。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1）完全混合流(completemixing)：亦称全混流、理想混合,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。全混流可以认为返混为无限大

7、。2）（平）推流(plug/pistonflow)：亦称活塞流、挤出流,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。反应器内反应物流动与混合状态非理想流态: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、温度和流速的分布，从而可能造成不同的“流团”间有不同的停留时间、组分、浓度和反应速率。返混(backmixing)：处于不同停留时间的“流团”间的混合称返混。混合后形成的新“流团”的组分和浓度与原来的“流团”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。反应器的类型按

8、反应器的结构分类：釜（槽）式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床