当代给水与废水处理原理ppt课件.ppt

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1、当代给水与废水处理原理安徽理工大学地球与环境学院刘少敏副教授第二章反应器本章主要内容反应器简介物料衡算方程与Fick第一扩散定律多相反应与均相反应连续均相反应器停留时间函数、混合与反应分散模型反应器的容积1.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2.反应器的类型按反应特点分为：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3、反应器设计面临的新课题反应器体系的设计：如何传热、传质的问题反应动力学研究反应器参数优化反应机理的研究反应器简介§2

2、-1物料恒算方程1.物料恒算方程的推导物料衡算关系：每秒进入的质量+每秒在内产生或消失的质量=每秒流出的质量+每秒在内积累的质量（2-1）式中虽然称为累计项，但它实际是其余三项的净效果，即式（2-1）写成下列形式才符合公式推导的思路：§2-2浓度与扩散1.通量的定义通量=扩散速率×浓度2.复习质量浓度、质量分数（massfraction）及物质的量浓度、摩尔分数（molefraction）的关系，以A、B二元体系为例来说明。（2-2）（2-3）（2-4）§2-2浓度与扩散（2-5）（2-6）（2

3、-7）（2-8）§2-2浓度与扩散（2-9）3.混合物的局部平均速率v及局部摩尔平均速率v*的定义(2-10)(2-11)扩散过程示意图§2-3Fick第一扩散定律1.Fick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（2-12a）（2-12b）§2-3Fick第一扩散定律注：（1）DAB的单位一般用cm2/s；c及

4、cA的单位用mol/cm3；（2）JA是一个向量，其方向与浓度梯度的方向相反。（3）当式(2-11)中的总物质的量浓度c不随z坐标变化时，基不公式（2-12b)与(2-12a)完全一样，本书以后即采用(2-12b)这一公式。Fick第一扩散定律以表示A相对于固定坐标的通量最为合适，得下式：（2-13）当式(2-13)中可以忽略时、如气体B溶解在水中的情形，得下列实用形式：（2-14）§2-3Fick第一扩散定律2.扩散系数称DAB称为二元混合物的互扩散系数，表示成分A在B中的扩散。A、B可以同时

5、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。A与B也可能是同一种物质，这时称为自扩散系数。气体的扩散系数可以通过理论计算得到DAB与实验值相近的数值，但—般的扩散系数主要是通过实验定出来的DAB的值还随A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。§2-4氧气在水膜内的扩散和反应1.多相反应模型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：（2-15）§2-4氧气在水膜

6、内的扩散和反应浓度在z方向上的变化关系为：（2-16）2.均相模型均相反应假定在整个水膜内部发生稳态反应，反应速率表示为浓度在z方向上的变化关系为：（2-18）(2-17)物料衡算方程：§2-4氧气在水膜内的扩散和反应若，则有：（2-19）均相反应模型§2-4氧气在水膜内的扩散和反应3.结论在与等值的情况下，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，而不必作为一种必须严格加以区分的概念。§2-5多空丸模型1.多空丸数学模型a.球的半径为z，球的单位体积所含的表

7、面积、即比表面为a，单位为cm2／cm3；b.边界条件为：当z=0时反应物的浓度c=0；z=Z时，(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这一点的浓度)c.球内反应速率；r=-k//cd.有效扩散系数为D。多孔丸模型§2-5多空丸模型依据模型得到c的表达式（2-20）2.有效系数的概念E为衡量扩散系数在整个过程中所起的作用的指标。E=1时，说明扩散阻力不起作用；E值越小，说明扩散阻力越大。(2-21)§2-6活塞流反应器1.活塞流反应器示意图活塞流反应器2.

8、反应器内浓度及出口浓度（2-22）（2-23）3.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存在混合现象。§2-7连续搅拌反应器（CSTR）1.连续搅拌反应器的示意图及其特点CSTR示意特点：（1）进口反应器的流量皆为Q；（2）A的出口浓度也必然是cA。2.CSTR的一般方程式物料衡算方程（2-24a）§2-7连续搅拌反应器（CSTR）上式在稳态时简化为两边分别除以Q，并令代表反应器的停留时间。（2-24b）（2-25b）可得3.一级反应解（2-26）（2-25a