环境工程原理第十章 反应器ppt课件.ppt
第十章 反应器,第一节 反应器的分类,第二节 均相反应器,第三节 非均相反应器,第一节 反应器的分类,（一）按反应器的结构分类：釜（槽）式(tank)反应器、管式(tubular)反应器、塔式(column/tower)反应器、固定床(fixed bed reactor)、膨胀床(expanded bed reactor)、流化床(fluidized bed reactor)等。（二）按反应物的聚集状态分类：均相反应器、非均相反应器（如气-液反应器等）（三）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、非恒温反应器等。（四）按流态分类：理想流反应器和非理想流反应器。完全混合流（全混流）反应器和推流反应器。,一 理想反应器,第一节 反应器的分类,完全混合流（亦称全混流、理想混合）(complete mixing)：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。,（平）推流（亦称活塞流、挤出流）(plug/piston flow)：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。,理想流动状态：全混流和推流是两种极端的流动状态，通称为理想流。介于全混流和推流之间的流态为非理想流态。,停留时间分布的测定一般采用示踪技术，示踪剂选用易检测其浓度的物质，根据其光学、电学、化学及放射等特性，采用比色、电导、放射检测等测定浓度。选择示踪剂要求：,1)与主流体物性相近，互溶，且与主流体不发生化学反应；2)高低浓度均易检测，以减少示踪剂的用量；3)示踪剂的加入不影响主流体的流动形态；4)示踪剂应选择无毒、不燃、无腐蚀且价格较低的物质。,停留时间的测定方法根据示踪剂的加入方式分为脉冲法、阶跃法和周期输入法，前两者应用较广。,（一）示踪响应测定技术,第一节 反应器的分类,模型假定：（1）流体以恒定流速u流过系统（2）在垂直于流体流动方向的横截面上，径向浓度分 布均一，即径向上的混合达到最大（3）由于分子扩散、涡流扩散以及流速分布不均匀等 传递机理而产生的扩散，只发生在流动方向即轴 向上,轴向扩散的有效扩散系数用Dea表示，扩散 通量可用费克扩散定律来描述适用对象：偏离活塞流的管式反应器,（二）分散模型,第一节 反应器的分类,如果反应器内存在返混，则加入反应器内的脉冲示踪信号在流动过程中会逐渐分散开，基于这种考虑，人为在物料的流动通量上再叠加一个扩散通量以模拟过程的返混，并假定此扩散通量满足Fick定律：,（二）分散模型,第一节 反应器的分类,取微元体积dVR做控制体积dVR=ARdZ,做物料衡算输入量包括两项：一项是对流；另一项是扩散则输入项为：,则输出项也应包括两项，即：,反应项为：,累积项为：,（二）分散模型,第一节 反应器的分类,根据衡算式：输入量+反应量=输出量+累积量，代入各项可得：,此即轴向扩散模型方程,（二）分散模型,第一节 反应器的分类,对全混釜串联反应器停留时间的讨论表明，随着釜数的增加，停留时间分布函数的特性将从单釜向平推流过渡。即N等于1时，为理想全混釜，N趋于无穷时，即为平推流分布特性。N取中间值则可模拟介于全混流和平推流之间的真实流动情况。建模思想是把一真实反应器分解成N个等容积的全混釜区：如,（三）多级串联模型,第一节 反应器的分类,1.间歇反应器的操作方法 将反应物料按一定比例一次加到反应器内，然后开始搅拌，使反应器内物料的浓度和温度保持均匀。反应一定时间，反应率达到所定的目标之后，将混合物料排出反应器。之后再加入物料，进行下一轮操作，如此反复。,一、间歇反应器,2.间歇反应器的设计计算 设计计算的目的(1)确定达到一定的反应率时需要的反应时间(2)根据反应时间确定转化率或反应后的各组分浓度,第二节 均相反应器,间歇反应器设计的基本方程及设计方法,（恒容反应）,（恒容反应）,第二节 均相反应器,间歇反应器的图解设计法,第二节 均相反应器,二、全混流反应器（一）操作方法与特点,操作方法：连续恒定地向反应器内加入反应物，同时连续不断地把反应液排出反应器，并采取搅拌等手段使反应器内物料浓度和温度保持均匀。全混流反应器是一种理想化的反应器。应 用：污水的pH中和槽、混凝沉淀槽以及好氧活性污泥的生物反应器（常称曝气池）,第二节 均相反应器,（二）设计方法,(cA0 xA)/rA,恒容反应(cA0cA)/rA,第二节 均相反应器,全混流反应器的图解设计法,(cA0 xA)/-rA,(cA0cA)/rA（恒容反应）,（三）多级串联反应器（1）多级串联全混流反应器的基本方程,12n,第二节 全混流反应器,在恒容条件下，第i个反应器的基本设计方程为：,第二节 均相反应器,（2）多级串联反应器的逐步计算法,一级恒容反应：rAikcAi,第二节 均相反应器,（2）多级串联反应器的逐步计算法,二级恒容反应：rAikcAi2,第二节 均相反应器,三、简单的平推流反应器,平推流反应器的特点：在连续稳态操作条件下，反应器各断面上的参数不随时间变化而变化。反应器内各组分浓度等参数随轴向位置变化而变化，故反应速率亦随之变化。在反应器的径向端面上各处浓度均一，不存在浓度分布。,（一）操作方式 将物料连续流入、并连续取出，在反应器内使物料沿同一方向、以同样的速度流动 活塞流(piston flow),第二节 均相反应器,第二节 均相反应器,（二）设计计算方法,第二节 均相反应器,图解计算法,(12.3.18),(12.3.19),第三节 非均相反应器,一、固相催化反应与固体催化剂（一）催化反应的特征及其在环境工程中的应用,催 化 剂：能改变反应的速率，而本身在反应前后并不发生变化的物质。催化反应：均相催化反应、非均相催化反应应 用：有机废气的催化氧化处理(Pt，Mn-Cu，Mn-Fe)；低浓度废水、污染地下水的高级氧化处理(TiO2)；高浓度有机废水的催化湿式氧化；硝酸根废水、硝酸盐污染地下水的催化还原处理(Fe)。,催化剂本身在反应前后不发生变化，催化剂能够反复利用，所以一般情况下催化剂的用量很少。催化剂只能改变反应的历程和反应速率，不能改变反应的产物。对于可逆反应，催化剂不改变反应的平衡状态，即不改变化学平衡关系。催化剂对反应有较好的选择性，一种催化剂一般只能催化特定的一个或一类反应。,催化反应的基本特征：,第三节 非均相反应器,(1)比表面积(as)(specific Surface Area)单位质量催化剂具有的表面积,以as表示。大多数固体催化剂的比表面积在51000m2/g之间。(2)孔体积(Vg)和孔隙率(p)每克催化剂内部微孔所占的体积。孔隙率是固体催化剂颗粒孔容积占总体积的分率。(3)固体密度(s)和颗粒密度(P)：固体密度(s)：指催化剂固体物质本身的密度。颗粒密度(P)：指单位体积固体催化剂颗粒（包括孔体积）的质量。,2.固体催化剂的物理性状,第三节 非均相反应器,(4)微孔的结构与孔体积分布(5)颗粒堆积密度(b)固体催化剂填充层的密度（质量与填充层体积之比）(6)填充层空隙率(b)固体催化剂填充层内空隙体积与总体积之比。,第三节 非均相反应器,二、固相催化反应过程,固相催化反应的发生场所：,反应物的外扩散；反应物的内扩散；反应物的吸附；表面反应；产物的脱附；产物的内扩散；产物的外扩散,流体主体,边界层,扩散过程动力学过程(表面过程),催化剂的表面（外、内表面）,第三节 非均相反应器,多步骤串联过程固相反应速率与反应本身和反应组分的扩散有关反应速率取决于慢步骤，该步骤称为控制步骤(rate controlling step)扩散控制(传质控制)、动力学控制反应达到定常态时，各步骤的速率相等,固相催化反应的特点,第三节 非均相反应器,三、固相催化反应的本征动力学,（一）化学吸附与脱附速率,固相催化反应的本质:化学吸附表面反应脱附 以气固反应为例，进行说明,第三节 非均相反应器,表观吸附速率吸附速率-脱附速率,达到吸附平衡时：吸附速率脱附速率,吸附平衡方程（KA为吸附平衡常数）,第三节 非均相反应器,（二）表面化学反应,表观反应速率正反应速率-逆反应速率,反应达到平衡时：正反应速率逆反应速率,第三节 非均相反应器,反应 的基本过程,（三）本征动力学,基本假设：三个反应步骤中必然存在一个控制步骤；除控制步骤外，其它步骤处于平衡状态；吸附过程和脱附过程属理想过程，即可用朗格谬尔吸附模型来描述。,第三节 非均相反应器,A的吸附速率：,表观反应速率：,P的脱附速率：,各过程的速率方程,（气-固相反应）,第三节 非均相反应器,1.反应物吸附过程控制,第三节 非均相反应器,2.表面反应过程控制,第三节 非均相反应器,3.产物脱附过程控制,第三节 非均相反应器,四、固相催化反应的宏观动力学(一)宏观反应速率,宏观反应速率(RA)：催化剂颗粒体积为基准的平均反应速率。,本征反应速率、催化剂颗粒大小、形状、扩散速率,影响因素：,RA与rA之间的关系：,第三节 非均相反应器,（二）催化剂的有效系数(effective factor、亦称效率因子),对一级反应而言,第三节 非均相反应器,半径位置,（三）固相催化反应的宏观动力学球形固体催化剂内反应物A的浓度分布,1.球形催化剂的基本方程,A从rdr面的进入量：,A从r面的排出量：,A的反应量：,第三节 非均相反应器,2.球形催化剂内的浓度分布方程,球形催化剂的最大反应速率,（n级反应）,球形催化剂的内部最大扩散速率式,催化剂内部球心处的A的浓度为零，浓度梯度达到最大,第三节 非均相反应器,s称西勒(Thiele)模数,第三节 非均相反应器,以催化剂颗粒体积为基准的最大反应速率与最大内扩散速率的比值。反映了反应过程受内扩散及本征反应的影响程度。内扩散阻力越大，De越小，s值则越大。,s称西勒(Thiele)模数的物理意义,第三节 非均相反应器,对于1级反应 n1,颗粒内部浓度分布,积分得,第三节 非均相反应器,3.球形催化剂内的宏观速率方程,（1级反应）,第三节 非均相反应器,由催化剂的有效系数的定义：,第三节 非均相反应器,五、流化床反应器的设计与操作,颗粒的流化及流化态的各种形式,第三节 非均相反应器,流化床反应器：催化剂颗粒处于流态化状态的反应器,固体粒子的流化态与流化床反应器,流化床的主要优点：热能效率高，床内温度易于维持均匀；传质效率高；颗粒一般较小，可以消除内扩散的影响；反应器的结构简单。流化床的主要不足：能量消耗大；颗粒间的磨损和带出造成催化剂的损耗；气固反应的流动状态不均匀，会降低气固接触面积；颗粒的流动基本上时全混流，同时造成流体的返混，影响反应速率。,第三节 非均相反应器,气-液相反应：反应物中的一个和一个以上组分在气相中，其它组分均处于液相状态的反应称为气-液相反应。特点：反应一般只发生在液相中，气相不发生反应。应用：有害气体的化学吸收；饮用水、污水的臭氧氧化、印染废水的臭氧脱色；硝酸盐污染地下水的氢气还原处理等；污水好氧生物处理中的曝气；有机、还原性气体的生物处理。,六、气-液相反应（一）气-液相反应及其应用,第三节 非均相反应器,（二）气-液相反应过程,液相,第三节 非均相反应器,气相主体,液相主体,1.A从气相主体通过气膜扩散到气液相界面；2.A从相界面进入液膜，同时B从液相主体扩散进入液膜；3.A、B在液膜内发生反应；4.生成物P的扩散；5.液膜中未反应完的A扩散进入液相主体，在液相主体与B发生反应。,几点注意传质和反应的综合本征反应速率宏观反应速率反应控制传质控制,第三节 非均相反应器,气相主体,气膜,液膜,液相主体,相界面,七、气-液相反应动力学（一）气-液相反应的基本方程,第三节 非均相反应器,二级不可逆气-液相反应,本征反应速率方程为：,（注意：液相中的反应，即单位液体，而不是混合液体积的反应速率）,A的扩散进入量：,反应量：,A的扩散出去量：,第三节 非均相反应器,反应物A的物料衡算式：,二级不可逆气-液相反应,同理，B的基本方程,第三节 非均相反应器,反应速率与界面扩散速率的关系：,A的消失速率通过气-液相界面的扩散速率,则以相界面积为基准的反应速率可表示为：,(14.2.7),基本方程的应用：,根据反应条件，求出反应组分在液膜中的分布,在反应达到定常态时,第三节 非均相反应器,(二)不同类型气-液相反应的宏观速率方程,按本征反应速率的快慢分类,瞬间反应快速反应中速反应慢速反应,第三节 非均相反应器,1.瞬间反应,(1)瞬间反应的特点及其反应区域与浓度分布,反应过程为？控制。,相界面,液膜,反应面,气膜,L,传质,组分A和组分B之间的反应瞬间完成，A与B不能共存。在液膜内的某一个面上A和B的浓度均为0，该面称“反应面”，“反应面”的位置随液相中B的浓度的升高向气膜方向移动。,第三节 非均相反应器,相界面（反应面）,当液相浓度升高到某一数值时，反应面与气液界面重合，这种情况称“界面反应”。,界面反应,第三节 非均相反应器,(2)瞬间反应的宏观速率方程,反应过程为传质控制过程宏观反应速率与扩散速率相等瞬间反应解析的核心是如何计算扩散速率,A、B在液膜中的扩散速率,第三节 非均相反应器,在反应边界,利用A、B的扩散速率间的关系，消除难以测定的,A在液膜中的传质系数,第三节 非均相反应器,第三节 非均相反应器,利用在气膜中的扩散速率方程和亨利定律，消除上式中难以测得的界面浓度可得:,KGA为气相总扩散系数,第三节 非均相反应器,
