连续反应器ppt课件.ppt
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1、5.1 反应动力学5.1.1 反应的分类5.1.1.1按化学反应特性分类(1)按反应机理的繁简程度与彼此间的关系分类:简单反应和复杂反应。复杂反应又可按基元步骤间的关系不同,再分为平行反应、连续反应、同时反应和集总反应等。(2)按化学反应的可逆性分类:可逆反应和不可逆反应。(3)按反应物的性质分类:可分为无机反应、有机反应和生化反应等。(4)按反应的动力学特性分类:可分为零级反应、一级反应、二级反应和多级反应等。另外,还可以把反应分成单分子反应、双分子反应和三分子反应。(5)按化学反应的热效应分类:放热反应和吸热反应。,第五章 反应动力学和反应器,5.1.1.2 按反应过程条件进行的分类(1)
2、从反应物质所处状态不同进行分类:气相反应、液相反应、固相反应和多相反应等。(2)按温度条件分类:等温反应、绝热反应、非绝热变温反应。(3)按压力条件分类:常压、加压和减压反应等。(4)按反应流动条件分类:理想流动模型(平推流、全混流)、非理想流动模型。(5)按化学反应操作方法进行分类:间歇反应、连续反应、半间歇反应。5.1.1.3 按化学反应各元素反应特征进行的分类(1)按反应中电子得失进行可以分为氧化反应、还原反应。(2)按反应中化学粒子特征可以分为分子反应、离子反应、原子反应。,第五章 反应动力学和反应器,5.1.2 反应速率及方程影响反应速率的主要因素有:反应物、产物、催化剂等的浓度;系
3、统的温度、压力以及反应环境(包括溶剂性质、离子强度等)。化学动力学主要考虑浓度与温度这两个因素影响反应速率的规律。,第五章 反应动力学和反应器,第五章 反应动力学和反应器,5.1.2.1 反应速率化学动力学所研究的是反应的速率和反应的历程。,第五章 反应动力学和反应器,5.1.2.1 反应速率化学动力学所研究的是反应的速率和反应的历程。,第五章 反应动力学和反应器5.1.2.1 反应速率,第五章 反应动力学和反应器5.1.2.2反应级数,第五章 反应动力学和反应器5.1.2.2反应级数,第五章 反应动力学和反应器5.1.2.2反应级数,第五章 反应动力学和反应器5.1.2.2反应级数,5.1.
4、2.3 基元反应反应的级数与化学计量方程中的系数不相等的原因:一般的反应都是从原始的反应物经过一序列简单的反应步骤后,才出现最终产物的,而化学计量方程则仅仅给出原始的反应物与最终产物间的关系,完全不考虑中间的反应步骤。基元反应 :能一步完成的化学反应 。即反应物的分子、原子、离子或自由基等通过一次碰撞(或化学行为)直接转化为产物的化学反应。绝大多数的基元反应,其反应级数与化学计量系数完全相等 。构成一个化学计量方程的反应序列称为原来反应的机理 。,第五章 化学反应工程学,第五章 反应动力学和反应器5.1.2.3 基元反应,第五章 反应动力学和反应器5.1.2.3 基元反应,5.1.3 均相反应
5、动力学5.1.3.1单一组分反应1零级反应,5.1.3 均相反应动力学5.1.3.1单一组分反应1零级反应,5.1.3 均相反应动力学5.1.3.1单一组分反应2.一级反应,5.1.3 均相反应动力学5.1.3.1单一组分反应2.一级反应,5.1.3 均相反应动力学5.1.3.1单一组分反应2.一级反应,5.1.3 均相反应动力学5.1.3.1单一组分反应2.一级反应,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.1酶催化反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.1酶催化反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.1酶催化反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.1酶催化反应动力
6、学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.1酶催化反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.1酶催化反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.1酶催化反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.1酶催化反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.1酶催化反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.1酶催化反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.1酶催化反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.1酶催化反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.1酶催化反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.1酶催化反应动力学,5.1.4 生化
7、反应动力学5.1.4.1酶催化反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.2 微生物群体生长规律,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.3 微生物反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.3 微生物反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.3 微生物反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.3 微生物反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.3 微生物反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.3 微生物反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.3 微生物反应动力学,5.1.4 生化反应动力学5.1.4.3 微生物反应动力学,1. 反应器:反
8、应器是进行生物或化学反应的容器。通过一系列工程措施,在容器中提供一定的反应条件,使反应更快、更高效地向所希望的方向进行。如活性污泥法处理城市污水,就是通过在曝气池中充空气(氧气)、搅拌、回流等一系列工程措施,使微生物分解污水中有机污染物为CO2和H2O的生化反应,相比其模拟的河流自然生化过程,更快、更高效的进行。,5.2 反应器,2. 反应工程学: 反应工程学是把生物或化学反应与工程中的问题统一起来考虑,研究反应器的设计放大和过程最优化。它包括生物/化学反应宏观动力学,即生物/化学反应速率与各参数之间的定量关系;连续流动反应器物料的返混作用与停留时间的分布;反应器的特性及反应过程的最优化等。反
9、应工程学就是研究大规模生物/化学反应的过程、设备特性的基本规律和各种参数间的相互关系。,5.2 反应器,反应工程学的具体任务:(1)反应器的正确选型与合理设计。(2)利用实验室的研究数据进行有效放大,解决在实际工程应用中可能出现的问题。(3)实现反应过程的设计和控制最优化。(4)改进和强化现有的技术与设备,降低能耗,提高经济效益。 通过小试或中试,不仅要找到合适的工艺条件,更重要的是要建立该生物/化学反应的动力学模型;另外,还要对反应器的传递过程进行研究,建立物料在反应器内的流动模型,获得有关传递过程的参数。这样,就能大幅度缩短反应器放大时间,也能在较宽广的范围内找出最佳工艺条件和操作条件。,
10、5.2 反应器,5.2.1反应器内物料的流动模型5.2.1.1 基本概念物料质点:物料质点是指代表物料特性的微元或微团。物料由无数个质点组成。停留时间:连续操作过程中,物料质点从反应器入口到出口经历的时间。在实际的反应器中,各物料质点的停留时间不尽相同,存在一个分布,即停留时间分布。平均停留时间:各质点的停留时间的平均称平均停留时间。,5.2 反应器,5.2.1.2 流动模型流动模型:理想流动模型和非理想流动模型理想流动模型:平推流模型和全混流模型1. 平推流模型(活塞流模型、理想置换模型、理想排挤模型):物料进入反应器后沿着流动方向象气缸里的活塞一样向前移动,彼此不相混合。,5.2 反应器,
11、(1) 模型特点 a. 物料参数(温度、浓度、压力等)沿流动方向连续变化; b. 垂直于流动方向的任一截面上的物料参数相同(没有边界层); c. 沿流动方向的截面间不相混合; d. 任一截面上的物料质点的停留时间相同; e. 返混0,不同停留时间的物料质点不相混合。(2) 适用范围管式反应器:L/D(高径比或长径比)较大。,5.2 反应器,2. 全混流模型(理想混合模型、连续搅拌槽式反应器模型):物料进入反应器后,在一瞬间,进入反应器的物料和反应器内的物料达到完全混合。(1)模型特点:a. 反应器内物料质点完全混合,物料参数处处相同,且等于出口处的参数;b. 同一时刻进入反应器的物料在瞬间分散
12、混合;c. 反应器内物料质点的停留时间不同。同一时刻离开反应器的物料中,质点的停留时间也不相同。d. 返混(2) 适用范围:连续流完全混合式反应器。,5.2 反应器,3 轴向返混模型物料在流动体系中流动情况偏离平推流的程度可以通过在平推流的主体上叠加一个轴向扩散或叫做轴向返混来描述,轴向返混的方向与主体流动方向相反。如图5-19所示。,5.2 反应器,5.2 反应器,5.2.2 反应器及运行方式5.2.2.1 按流态分类根据反应物的流动与混合状态,可分为理想流反应器和非理想流反应器。理想流反应器又可分完全混合流(全混流)反应器和推流反应器。5.2.2.2 按反应混合物的相态 可分为均相反应器和
13、多相反应器。均相反应器的特点是,反应只在一个相内进行,通常在一种气体或液体内进行。当反应器内必须有两相以上才能进行反应时,则称为多相反应器。,5.2 反应器,5.2.2 反应器及运行方式5.2.2.1 按操作状况 根据反应物料加入反应器的方式:间歇反应器、连续反应器、半间歇或半连续反应器和序批式反应器等。1. 间歇反应器:按反应物“一罐一罐地”进行反应操作的,反应物料一次加入,经过一定时间达到反应要求后,反应产物一次卸出,过程为间歇地分批进行。,5.2 反应器,间歇反应器的主要特征:(1) 操作特点:反应过程中没有物料的输入,也没有物料的输出,不存在物料的进与出。一般用于均质的液相反应,特别是
14、用于吞吐量不大的情况。(2) 基本特征:反应过程中反应体系的各种参数(如浓度、温度等)随着反应时间变化而变化,但不随反应器内空间位置而变化;物料经历的反应时间都相同。(3) 主要优点:操作灵活,设备费低,适用于小批量生产或小规模水处理。(4) 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。,5.2 反应器,2.连续反应器:进料和出料都是连续不断地进行,反应器内的参数不随时间发生变化,但可随位置而变。连续反应器有两种不同的类型,分别称为推流式反应器(plug flow reactor)及连续流完全混合式反应器(CFSTR constant flow stirred t
15、ank reactor)。3.半连续反应器/半间歇反应器:一种或几种反应物先一次加入反应器,而另外一种反应物或催化剂则连续注入反应器,这是一种介于连续和间歇之间的操作方式,反应器内物料参数随时间发生变化。,5.2 反应器,4. 序批式反应器(Sequencing Batch Reactor, SBR)是一个时间上不断循环的间歇式反应器,在水处理中广泛应用且反应器体积和处理的水量可以非常大,自动化程度也高。如活性污泥法中的序批式反应器,不断重复如下5个步骤:(1)充水;(2)反应(曝气);(3)沉降(沉淀);(4)排水;(5)闲置。5.连续流序批式反应器在时间上和空间上都不断循环的,具有连续进料
16、和出料的反应器,如三槽式氧化沟,UNITANK的反应器等。如三槽式氧化沟的边槽不断重复如下4个步骤:(1)充水,(2)反应(曝气),(3)沉降(沉淀),(4)排水;而中间槽不断重复复如下2个步骤:(1)直接充水、反应(曝气),(2)从边槽冲水、反应(曝气)。从流态上分,它是一个介于推流式反应器和连续流完全混合式反应器之间的一种更接近于后者的反应器。,5.2 反应器,5.2.2.4 按反应器的结构形式 根据反应器结构形式可归纳为管式、槽(釜)式和塔式、固定床、膨胀床和流化床等反应器。管式反应器是长(高)径比很大,物料混合作用很小,一般用于连续操作过程。槽(釜)式反应器的高径比较小,一般接近于1。
17、通常槽(釜)内装搅拌器,器内混合比较均匀。此类反应器既可用于连续操作,也可用于间歇操作。塔式反应器高径比在以上两者之间(一般地讲,高径比还是较大的),采用连续操作方式。,5.2 反应器,1)釜式:连续流完全混合式2)管式:推流,传统活性污泥法3)塔式:塔滤4)固定床:普通生物滤池5)流化床:厌氧流化床 各种结构形式的反应器的示意图 主要反应器结构形式,适用的相态和生产上的应用举例,5.2 反应器,1) 原则:物质不灭定律,能量守恒定律2) 对某一体系单位时间内物料的输入量单位时间内物料的输出量单位时间内物料的积累量单位时间内由于反应而消失的物料量3)代入相应的反应速率方程4)根据反应器的特点确
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