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1、5.1 5.1 反应动力学反应动力学5.1.1 5.1.1 反应的分类反应的分类5.1.1.15.1.1.1按化学反应特性分类按化学反应特性分类(1)(1)按反应机理的繁简程度与彼此间的关系分类：简洁反按反应机理的繁简程度与彼此间的关系分类：简洁反应和困难反应。应和困难反应。困难反应又可按基元步骤间的关系不同，再分为平行反困难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。应、连续反应、同时反应和集总反应等。(2)(2)按化学反应的可逆性分类：可逆反应和不行逆反应。按化学反应的可逆性分类：可逆反应和不行逆反应。(3)(3)按反应物的性质分类：可分为无机反应、有机
2、反应和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。生化反应等。(4)(4)按反应的动力学特性分类：可分为零级反应、一级反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。分成单分子反应、双分子反应和三分子反应。(5)(5)按化学反应的热效应分类：放热反应和吸热反应。按化学反应的热效应分类：放热反应和吸热反应。第五章第五章 反应动力学和反应器反应动力学和反应器 5.1.1.2 5.1.1.2 按反应过程条件进行的分类按反应过程条件进行的分类(1)(1)从反应物
3、质所处状态不同进行分类：气相反应、液相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。反应、固相反应和多相反应等。(2)(2)按温度条件分类：等温反应、绝热反应、非绝热变温按温度条件分类：等温反应、绝热反应、非绝热变温反应。反应。(3)(3)按压力条件分类：常压、加压和减压反应等。按压力条件分类：常压、加压和减压反应等。(4)(4)按反应流淌条件分类：志向流淌模型（平推流、全混按反应流淌条件分类：志向流淌模型（平推流、全混流）、非志向流淌模型。流）、非志向流淌模型。(5)(5)按化学反应操作方法进行分类：间歇反应、连续反应、按化学反应操作方法进行分类：间歇反应、连续反
4、应、半间歇反应。半间歇反应。5.1.1.3 5.1.1.3 按化学反应各元素反应特征进行的分类按化学反应各元素反应特征进行的分类(1)(1)按反应中电子得失进行可以分为氧化反应、还原反应。按反应中电子得失进行可以分为氧化反应、还原反应。(2)(2)按反应中化学粒子特征可以分为分子反应、离子反应、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。原子反应。第五章第五章 反应动力学和反应器反应动力学和反应器 5.1.2 5.1.2 反应速率及方程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；系统的温度、压力以及反应化剂等的浓
5、度；系统的温度、压力以及反应环境（包括溶剂性质、离子强度等）。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。反应速率的规律。第五章第五章 反应动力学和反应器反应动力学和反应器 第五章第五章 反应动力学和反应器反应动力学和反应器 5.1.2.1 反应速率反应速率化学动力学所探讨的是反应的速率和反应的历程。化学动力学所探讨的是反应的速率和反应的历程。第五章第五章 反应动力学和反应器反应动力学和反应器 5.1.2.1 反应速率反应速率化学动力学所探讨的是反应的速率和反应的历程。化学动力学所探讨的是反应的速率和反应
6、的历程。第五章第五章 反应动力学和反应器反应动力学和反应器5.1.2.1 5.1.2.1 5.1.2.1 5.1.2.1 反应速率反应速率反应速率反应速率 第五章第五章 反应动力学和反应器反应动力学和反应器反应级数反应级数 第五章第五章 反应动力学和反应器反应动力学和反应器反应级数反应级数 第五章第五章 反应动力学和反应器反应动力学和反应器反应级数反应级数 第五章第五章 反应动力学和反应器反应动力学和反应器反应级数反应级数 5.1.2.3 5.1.2.3 5.1.2.3 5.1.2.3 基元反应基元反应基元反应基元反应反应的级数与化学计量方程中的系数不相等的缘反应的级数与化学计量方程中的系数不
7、相等的缘反应的级数与化学计量方程中的系数不相等的缘反应的级数与化学计量方程中的系数不相等的缘由由由由:一般的反应都是从原始的反应物经过一序一般的反应都是从原始的反应物经过一序一般的反应都是从原始的反应物经过一序一般的反应都是从原始的反应物经过一序列简洁的反应步骤后，才出现最终产物的，列简洁的反应步骤后，才出现最终产物的，列简洁的反应步骤后，才出现最终产物的，列简洁的反应步骤后，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而化学计量方程则仅仅给出原始的反应物与而化学计量方程则仅仅给出原始的反应物与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最终产物间的
8、关系，完全不考虑中间的反应最终产物间的关系，完全不考虑中间的反应最终产物间的关系，完全不考虑中间的反应步骤。步骤。步骤。步骤。基元反应基元反应基元反应基元反应 ：能一步完成的化学反应：能一步完成的化学反应：能一步完成的化学反应：能一步完成的化学反应 。即反应物。即反应物。即反应物。即反应物的分子、原子、离子或自由基等通过一次碰的分子、原子、离子或自由基等通过一次碰的分子、原子、离子或自由基等通过一次碰的分子、原子、离子或自由基等通过一次碰撞撞撞撞(或化学行为或化学行为或化学行为或化学行为)干脆转化为产物的化学反应。干脆转化为产物的化学反应。干脆转化为产物的化学反应。干脆转化为产物的化学反应。绝
9、大多数的基元反应，其反应级数与化学计量系绝大多数的基元反应，其反应级数与化学计量系绝大多数的基元反应，其反应级数与化学计量系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数完全相等数完全相等数完全相等 。构成一个化学计量方程的反应序列称为原来反应构成一个化学计量方程的反应序列称为原来反应构成一个化学计量方程的反应序列称为原来反应构成一个化学计量方程的反应序列称为原来反应的机理的机理的机理的机理 。第五章第五章 化学反应工程学化学反应工程学 第五章第五章 反应动力学和反应器反应动力学和反应器5.1.2.3 基元反应基元反应 第五章第五章 反应动力学和反应器反应动力学和反应器5.1.2.3
10、基元反应基元反应 5.1.3 5.1.3 均相反应动力学均相反应动力学单一组分反应单一组分反应单一组分反应单一组分反应1 1 1 1零级反应零级反应零级反应零级反应5.1.3 5.1.3 均相反应动力学均相反应动力学单一组分反应单一组分反应单一组分反应单一组分反应1 1 1 1零级反应零级反应零级反应零级反应5.1.3 5.1.3 均相反应动力学均相反应动力学单一组分反应单一组分反应单一组分反应单一组分反应2.2.2.2.一级反应一级反应一级反应一级反应5.1.3 5.1.3 均相反应动力学均相反应动力学单一组分反应单一组分反应单一组分反应单一组分反应2.2.2.2.一级反应一级反应一级反应一
11、级反应5.1.3 5.1.3 均相反应动力学均相反应动力学单一组分反应单一组分反应单一组分反应单一组分反应2.2.2.2.一级反应一级反应一级反应一级反应5.1.3 5.1.3 均相反应动力学均相反应动力学单一组分反应单一组分反应单一组分反应单一组分反应2.2.2.2.一级反应一级反应一级反应一级反应5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶
12、催化反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应
13、动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学酶
14、催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学酶催化反应动力学5.1.4 5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学5.1.4.2 5.1.4.2 5.1.4.2 5.1.4.2 微生物群体生长规律微生物群体生长规律微生物群体生长规律微生物群体生长规律5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学5.1.4.3 5.1.4.3 微生物反应动力学微生物反应动力学微生物反应动力学微生物反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学5.1.4.3 5.1.4.3 微生物反应动力学微生物反应动力学微生物反应动力学微生物反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学5.1.4.3 5.1.4.3 微生物
15、反应动力学微生物反应动力学微生物反应动力学微生物反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学5.1.4.3 5.1.4.3 微生物反应动力学微生物反应动力学微生物反应动力学微生物反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学5.1.4.3 5.1.4.3 微生物反应动力学微生物反应动力学微生物反应动力学微生物反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学5.1.4.3 5.1.4.3 微生物反应动力学微生物反应动力学微生物反应动力学微生物反应动力学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学5.1.4.3 5.1.4.3 微生物反应动力学微生物反应动力学微生物反应动力学微生物反应动力
16、学5.1.4 生化反应动力学生化反应动力学5.1.4.3 5.1.4.3 微生物反应动力学微生物反应动力学微生物反应动力学微生物反应动力学1.反应器：反应器是进行生物或化学反应的容器。反应器：反应器是进行生物或化学反应的容器。通过一系列工程措施，在容器中供应确定的反应通过一系列工程措施，在容器中供应确定的反应条件，使反应更快、更高效地向所希望的方向进条件，使反应更快、更高效地向所希望的方向进行。行。如活性污泥法处理城市污水，就是通过在曝气池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
17、物为施，使微生物分解污水中有机污染物为CO2和和H2O的生化反应，相比其模拟的河流自然生化过的生化反应，相比其模拟的河流自然生化过程，更快、更高效的进行。程，更快、更高效的进行。5.2 5.2 反应器反应器 2.反应工程学反应工程学:反应工程学是把生物或化学反应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，探讨反应器的设与工程中的问题统一起来考虑，探讨反应器的设计放大和过程最优化。它包括生物计放大和过程最优化。它包括生物/化学反应宏观化学反应宏观动力学，即生物动力学，即生物/化学反应速率与各参数之间的定化学反应速率与各参数之间的定量关系；连续流淌反应器物料的返混作用与停留量关系；连续
18、流淌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时间的分布；反应器的特性及反应过程的最优化等。等。反应工程学就是探讨大规模生物反应工程学就是探讨大规模生物/化学反应的过程、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。设备特性的基本规律和各种参数间的相互关系。5.2 5.2 反应器反应器 反应工程学的具体任务：反应工程学的具体任务：（1）反应器的正确选型与合理设计。反应器的正确选型与合理设计。（2）利用试验室的探讨数据进行有效放大，解利用试验室的探讨数据进行有效放大，解决在实际工程应用中可能出现的问题。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
19、计和限制最优化。实现反应过程的设计和限制最优化。（4）改进和强化现有的技术与设备，降低能耗，改进和强化现有的技术与设备，降低能耗，提高经济效益。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，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更重要的是要建立该生物/化学反应的动力学模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探讨，型；另外，还要对反应器的传递过程进行探讨，建立物料在反应器内的流淌模型，获得有关传递建立物料在反应器内的流淌模型，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
20、内找出最佳工艺条件时间，也能在较宽广的范围内找出最佳工艺条件和操作条件。和操作条件。5.2 5.2 反应器反应器 5.2.1反应器内物料的流淌模型反应器内物料的流淌模型5.2.1.1 基本概念基本概念物料质点：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。物料由多数个质点组成。团。物料由多数个质点组成。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验的时间。口到出口经验的时间。在实际的反应器中，各物料质点的停留时间不尽相在实际的反应器中，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。同，存在一
21、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平均停留时间：各质点的停留时间的平均称平均停留时间。留时间。5.2 5.2 反应器反应器 5.2.1.2 流淌模型流淌模型流淌模型：志向流淌模型和非志向流淌模型流淌模型：志向流淌模型和非志向流淌模型志向流淌模型：平推流模型和全混流模型志向流淌模型：平推流模型和全混流模型1.平推流模型（活塞流模型、志向置换模型、志平推流模型（活塞流模型、志向置换模型、志向排挤模型）：物料进入反应器后沿着流淌方向向排挤模型）：物料进入反应器后沿着流淌方向象气缸里的活塞一样向前移动，彼此不相混合。象气缸里的活塞一样向前移动，彼此不相混合。5.2 5
22、.2 反应器反应器 (1)模型特点模型特点 a.物料参数（温度、浓度、压力等）沿流淌方向连续变更；物料参数（温度、浓度、压力等）沿流淌方向连续变更；b.垂直于流淌方向的任一截面上的物料参数相同（没有边垂直于流淌方向的任一截面上的物料参数相同（没有边界层）；界层）；c.沿流淌方向的截面间不相混合；沿流淌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；任一截面上的物料质点的停留时间相同；e.返混返混0,不同停留时间的物料质点不相混合。不同停留时间的物料质点不相混合。(2)适用范围适用范围管式反应器：管式反应器：L/D（高径比或长径比）较大。（高径比或长径比）较大。5.2 5.2 反应
23、器反应器 2.全混流模型（志向混合模型、连续搅拌槽式反应器模全混流模型（志向混合模型、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。料和反应器内的物料达到完全混合。(1)模型特点：模型特点：a.反应器内物料质点完全混合，物料参数到处相同，且反应器内物料质点完全混合，物料参数到处相同，且等于出口处的参数；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混合；同一时刻进入反应器的物料在瞬间分散混合；c.反应器内物料质点的停留时间不同。同一时刻离开反反应器内物料质点的停留时间不同。同一时刻离
24、开反应器的物料中，质点的停留时间也不相同。应器的物料中，质点的停留时间也不相同。d.返混返混(2)适用范围：连续流完全混合式反应器。适用范围：连续流完全混合式反应器。5.2 5.2 反应器反应器 3 轴向返混模型轴向返混模型物料在流淌体系中流淌状况偏离平推流的程度可物料在流淌体系中流淌状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淌做轴向返混来描述，轴向返混的方向与主体流淌方向相反。如图方向相反。如图5-19所示。所示。5.2 5.2 反应器反应器 5.2 反应器 5.2.2 反应器及运行方式反
25、应器及运行方式5.2.2.1 按流态分类按流态分类依据反应物的流淌与混合状态，可分为志向流反依据反应物的流淌与混合状态，可分为志向流反应器和非志向流反应器。志向流反应器又可分完应器和非志向流反应器。志向流反应器又可分完全混合流（全混流）反应器和推流反应器。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按反应混合物的相态 可分为均相反应器和多相反应器。均相反应器的可分为均相反应器和多相反应器。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。当反应器内必需有两相以上才体或液体内进行。当反应器内必需有两相以上才
26、能进行反应时，则称为多相反应器。能进行反应时，则称为多相反应器。5.2 5.2 反应器反应器 5.2.2 反应器及运行方式反应器及运行方式5.2.2.1 按操作状况按操作状况 依据反应物料加入反应器的方式：间歇反应器、依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连续反应器、半间歇或半连续反应器和序批式反应器等。应器等。1.间歇反应器：按反应物间歇反应器：按反应物“一罐一罐地一罐一罐地”进行反应进行反应操作的，反应物料一次加入，经过确定时间达到操作的，反应物料一次加入，经过确定时间达到反应要求后，反应产物一次卸出，过程为间歇地反应要求后，反应产物一次卸出，
27、过程为间歇地分批进行。分批进行。5.2 5.2 反应器反应器 间歇反应器的主要特征：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的输出，不存在物料的进与出。一般用于均质的液相反应，特殊是用于吞吐量不大的状况。应，特殊是用于吞吐量不大的状况。(2)基本特征：反应过程中反应体系的各种参数（如浓度、基本特征：反应过程中反应体系的各种参数（如浓度、温度等）随着反应时间变更而变更，但不随反应器内空温度等）随着反应时间变更而变更，但不随反应器内空间位置而变更；物料经验的反应时间都相同
28、。间位置而变更；物料经验的反应时间都相同。(3)主要优点：操作敏捷，设备费低，适用于小批量生产主要优点：操作敏捷，设备费低，适用于小批量生产或小规模水处理。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，不便自动限制。条件不易相同，不便自动限制。5.2 5.2 反应器反应器 2.连续反应器：进料和出料都是连绵不断地进行，反应器连续反应器：进料和出料都是连绵不断地进行，反应器内的参数不随时间发生变更，但可随位置而变。连续反内的参数不随时间发生变更，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（应器
29、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（）及连续流完全混合式反应器（CFSTR constant flow stirred tank reactor）。）。3.半连续反应器半连续反应器/半间歇反应器：一种或几种反应物先一半间歇反应器：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更。应器内物料参数随时间发生变更。5.2 5.2 反应器反应器 4
30、.序批式反应器（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特别大，自泛应用且反应器体积和处理的水量可以特别大，自动化程度也高。如活性污泥法中的序批式反应器，动化程度也高。如活性污泥法中的序批式反应器，不断重复如下不断重复如下5个步骤：（个步骤：（1）充水；（）充水；（2）反应（曝）反应（曝气）；（气）；（3）沉降（沉淀）；（）沉降（沉淀）；（4）排水；（）排水；（5）闲置。）闲置。5.连续流序批式反应器连续流序批式反应器在时间上和空间上
31、都不断循环的，具有连续进料和出料在时间上和空间上都不断循环的，具有连续进料和出料的反应器，如三槽式氧化沟，的反应器，如三槽式氧化沟，UNITANK的反应器等。的反应器等。如三槽式氧化沟的边槽不断重复如下如三槽式氧化沟的边槽不断重复如下4个步骤：个步骤：（1）充水，（）充水，（2）反应（曝气），（）反应（曝气），（3）沉降（沉淀）沉降（沉淀），（，（4）排水；而中间槽不断重复复如下）排水；而中间槽不断重复复如下2个步骤：个步骤：（1）干脆充水、反应（曝气），（）干脆充水、反应（曝气），（2）从边槽冲水、）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（曝气）。从流态上分，它是一个介
32、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。近于后者的反应器。5.2 5.2 反应器反应器 5.2.2.4 按反应器的结构形式按反应器的结构形式 依据反应器结构形式可归纳为管式、槽（釜）式和塔式、依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。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，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。一般用于连续操作过程。槽（釜）式反应器的高径比较小，一般接近于槽（釜）式反应器的高径比较小，一般接近于
33、1。通常槽。通常槽（釜）内装搅拌器，器内混合比较匀整。此类反应（釜）内装搅拌器，器内混合比较匀整。此类反应器既可用于连续操作，也可用于间歇操作。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），接受连续操作方式。还是较大的），接受连续操作方式。5.2 5.2 反应器反应器 1）釜式：连续流完全混合式）釜式：连续流完全混合式2）管式：推流，传统活性污泥法）管式：推流，传统活性污泥法3）塔式：塔滤）塔式：塔滤4）固定床：一般生物滤池）固定床：一般生物滤池5）流化床：厌氧流化床）流化床：厌氧流化床 各种
34、结构形式的反应器的示意图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 反应器反应器 1）原则：物质不灭定律，能量守恒定律原则：物质不灭定律，能量守恒定律2）对某一体系对某一体系单位时间内物料的输入量单位时间内物料的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逝的物料量时间内由于反应而消逝的物料量3）代入相应的反应速率方程）代入相应的反应速率方程4）依据反应器的特点确定边界条件）依据反应器的特点确定边界条件5）获得达到确定浓度或转化率
35、所需的时间）获得达到确定浓度或转化率所需的时间6）依据处理量，即可获得相应的反应器体积）依据处理量，即可获得相应的反应器体积5.2.3 志向均相反应器的计算志向均相反应器的计算5.2.3 志向均相反应器的计算志向均相反应器的计算5.2.3.1 间歇釜式反应器间歇釜式反应器在间歇操作的搅拌釜中，物料一次加入反应器在间歇操作的搅拌釜中，物料一次加入反应器进行反应，待反应达到要求的转化率，物进行反应，待反应达到要求的转化率，物料一次放出。料一次放出。特点特点1）分批操作，反应物料一次加入，反应后一次）分批操作，反应物料一次加入，反应后一次排出，全部物料的反应时间相同。排出，全部物料的反应时间相同。2
36、）在恒温顺恒压条件下，反应物和生成物的浓）在恒温顺恒压条件下，反应物和生成物的浓度均随时间变更，故反应速率也随时间变度均随时间变更，故反应速率也随时间变更。更。间歇式反应器及其性能示意图间歇式反应器及其性能示意图5.2 反应器反应器 3）反应器的有效容积）反应器的有效容积VRVR=(+)日处理量日处理量/24=v(+)式中：式中：v 平均每小时处理的物理量，平均每小时处理的物理量，m3/h;每批操作中加料、出料和清洗等协助时间，每批操作中加料、出料和清洗等协助时间，h。4）反应器的总体积）反应器的总体积VT：VR=VT为装料系数：为装料系数：（1）不发生泡沫，不沸腾的液体，）不发生泡沫，不沸腾
37、的液体，0.70.8（2）其它物料：）其它物料：0.40.6污水处理：超高污水处理：超高5）反应器个数的确定）反应器个数的确定2.连续（流淌）操作的管式反应器（推流式，连续（流淌）操作的管式反应器（推流式，continuous plug-flow)其示意图见其示意图见 p.280:图图6.3。反应物料连绵不断地加入反。反应物料连绵不断地加入反应器内，反应后的物料连绵不断地排出反应器。应器内，反应后的物料连绵不断地排出反应器。特点特点1）操作为连续进料和连续出料；）操作为连续进料和连续出料；2）在恒定温度、压力和流量时，反应器内任一截面上）在恒定温度、压力和流量时，反应器内任一截面上的物料浓度不
38、随时间变更，但不同截面上的物料的物料浓度不随时间变更，但不同截面上的物料浓度不同；浓度不同；3）当处理量大时，管内物料通常处于高度湍流状态，）当处理量大时，管内物料通常处于高度湍流状态，各物料微团在反应器内的停留时间大致相同。各物料微团在反应器内的停留时间大致相同。5.2.2 几种典型的基本反应器几种典型的基本反应器3.连续操作的搅拌釜连续操作的搅拌釜其示意图见其示意图见 p.280:图图6.4。连续操作的搅拌釜和间歇操。连续操作的搅拌釜和间歇操作的搅拌釜相类似，只是原料和产物同时连绵不作的搅拌釜相类似，只是原料和产物同时连绵不断地进入和排出反应器。断地进入和排出反应器。特点特点1）操作为连续
39、进料和连续出料；）操作为连续进料和连续出料；2）在恒定温度、压力和流量时，反应器内物料浓度不）在恒定温度、压力和流量时，反应器内物料浓度不随时间变更，处于常态；随时间变更，处于常态；3）新进入的物料在釜内很快分散并与原有物料混合，）新进入的物料在釜内很快分散并与原有物料混合，致使物料微团在反应器内的停留时间不一样。故致使物料微团在反应器内的停留时间不一样。故停留时间常以平均停留时间来表示，而最终反应停留时间常以平均停留时间来表示，而最终反应转化率亦应为平均转化率。转化率亦应为平均转化率。5.2.2 几种典型的基本反应器几种典型的基本反应器CA)5.2.3.3 连续操作的搅拌釜连续操作的搅拌釜4
40、.几种反应器所需有效时间的比较几种反应器所需有效时间的比较1)间歇式反应器与连续操作的管式反应间歇式反应器与连续操作的管式反应器器2)连续操作的管式反应器和连续操作的连续操作的管式反应器和连续操作的搅拌釜搅拌釜（1）对于零级反应）对于零级反应（2）对于一级反应）对于一级反应（3）产生这种差别的缘由）产生这种差别的缘由5.2.3 反应器及运行方式反应器及运行方式练习：练习：请推导当化学反应速率级数分别为请推导当化学反应速率级数分别为零级反应、零级反应、一级反应、二级反应，一级反应、二级反应，且反应为均相定容不行逆时，在且反应为均相定容不行逆时，在间歇式反应器、连续操作的管式间歇式反应器、连续操作
41、的管式反应器、连续操作的搅拌釜中达反应器、连续操作的搅拌釜中达到确定转化率和确定浓度所需的到确定转化率和确定浓度所需的时间。时间。5.2.3 反应器及运行方式反应器及运行方式4.串联的连续操作的搅拌釜串联的连续操作的搅拌釜其示意图见其示意图见 p.286:图图5.20。串联的连续操作搅拌釜是。串联的连续操作搅拌釜是由若干连续操作搅拌釜串联而成的，物料在每一由若干连续操作搅拌釜串联而成的，物料在每一釜内充分混合，而釜与釜之间互不混合。釜内充分混合，而釜与釜之间互不混合。特点特点1）操作为连续进料和连续出料；）操作为连续进料和连续出料；2）每一级内有确定不变的物料浓度，但各级内的反应）每一级内有确
42、定不变的物料浓度，但各级内的反应物浓度不同，便于分段操作限制；物浓度不同，便于分段操作限制；3）物料通过串联的多釜之后，其停留时间可相对集中，）物料通过串联的多釜之后，其停留时间可相对集中，串联的釜数越多，停留时间越趋于一样。串联的釜数越多，停留时间越趋于一样。5.2.2 几种典型的基本反应器几种典型的基本反应器5.2.3.4 多釜串联反应器多釜串联反应器1.多釜串联反应器的二个基本方程多釜串联反应器的二个基本方程2.四个需计算求解的参数：四个需计算求解的参数：每个反应器的有效容积每个反应器的有效容积VRi,反应器釜数反应器釜数N,最终转最终转化率化率xAN和最终浓度和最终浓度cAN1）代数法
43、：已知动力学模型代数法：已知动力学模型2）图解法：无动力学模型，但有一组动力学数图解法：无动力学模型，但有一组动力学数据据5.2.3 反应器及运行方式反应器及运行方式5.2.4.1 以生产强度为优化目标选择反应器以生产强度为优化目标选择反应器1.反应器的生产强度：反应器的生产强度是指反应反应器的生产强度：反应器的生产强度是指反应器的单位体积所具有的生产实力。器的单位体积所具有的生产实力。2.容积效率（或有效利用系数）容积效率（或有效利用系数）：对同一反应，：对同一反应，在同温度、同产量和同转化率条件下，平推在同温度、同产量和同转化率条件下，平推流反应器的有效容积（反应体积）与全混流流反应器的有
44、效容积（反应体积）与全混流反应器的有效容积之比称为容积效率（或有反应器的有效容积之比称为容积效率（或有效利用系数）效利用系数）1）零级反应）零级反应:(5-89）2）一级反应）一级反应:(5-90)3）二级反应）二级反应:(5-91)5.2.4 志向均相反应器的优化选择志向均相反应器的优化选择5.2.4.1 以生产强度为优化目标选择反应以生产强度为优化目标选择反应器器3.容积效率容积效率 与转化率与转化率xA和反应级数的关系和反应级数的关系:图图5.294.多釜串联反应器釜数对反应器有效容积的多釜串联反应器釜数对反应器有效容积的影响影响一级反应一级反应:（5-92）和图）和图5.305.2.4
45、 志向均相反应器的优化选择志向均相反应器的优化选择5.2.4.2 以产率和选择性为优化目标选择反应器以产率和选择性为优化目标选择反应器1.转化率转化率(x)转化率转化率(x)=转化为目的产物和副产物的反应物量转化为目的产物和副产物的反应物量/进入反应器的进入反应器的反应物量反应物被消耗的量反应物量反应物被消耗的量/反应物起始量反应物起始量2.收率收率()收率收率()=转化为目的产物的反应物量转化为目的产物的反应物量/进入反应器的反应物量进入反应器的反应物量3.选择性选择性()选择性选择性()=转化为目的产物的反应物量转化为目的产物的反应物量/转化为目的产物和副产转化为目的产物和副产物的反应物量
46、物的反应物量5.2.4 志向均相反应器的优化选择志向均相反应器的优化选择5.2.4.2 以产率和选择性为优化目标选择反应器以产率和选择性为优化目标选择反应器4.4.三者关系：三者关系：原料不循环返回反应器：收率原料不循环返回反应器：收率()选择性选择性()转化率转化率(x)一般在工业上常用收率表示原料的有效利用程度，而在一般在工业上常用收率表示原料的有效利用程度，而在理论探讨时，往往用选择性来表示。理论探讨时，往往用选择性来表示。5.提高收率的方法提高收率的方法1）平行反应）平行反应2）串联反应）串联反应5.2.4 志向均相反应器的优化选择志向均相反应器的优化选择5.提高收率的方法提高收率的方
47、法1）平行反应）平行反应1:当当1 2:选用平推流反应器或间歇式反应器选用平推流反应器或间歇式反应器接受较小的单程转化率接受较小的单程转化率用浓度高的进料用浓度高的进料对气相反应，增加系统的压强对气相反应，增加系统的压强2:当当11;V/Vp1;2 2）轴向返混愈严峻，即）轴向返混愈严峻，即Da/(uL)Da/(uL)愈大，愈大，V/VpV/Vp也愈大，反应器性能愈差；也愈大，反应器性能愈差；3 3）转化率愈大，）转化率愈大，V/Vp V/Vp也愈大，反应器性能愈也愈大，反应器性能愈差；差；4 4）在进行零级反应时，轴向返混对反应器性）在进行零级反应时，轴向返混对反应器性能没有影响；反应级数愈
48、高，影响愈大。能没有影响；反应级数愈高，影响愈大。6.2 非志向流淌反应器内的流淌模型非志向流淌反应器内的流淌模型扩散模型扩散模型6.2.2 6.2.2 扩散模型参数的确定扩散模型参数的确定PecletPeclet数数(Pe)(Pe)：Pe Pe(uL)/Da(uL)/Da 1/Pe 1/Pe 0 0，志向平推流，志向平推流1/Pe 1/Pe,志向全混流志向全混流1/Pe1/Pe与停留时间分布函数关系：与停留时间分布函数关系：(6-50)(6-50)当返混很小时：当返混很小时：(6-51)(6-51)当返混很大时：当返混很大时：(6-52)(6-52)如图如图6.386.38所示所示6.2 非
49、志向流淌反应器内的流淌模型非志向流淌反应器内的流淌模型扩散模型扩散模型6.2.2 6.2.2 扩散模型参数的确定扩散模型参数的确定对固定床反应器，对固定床反应器，PePe与与ReRe的关系：的关系：对气体，对气体，当当Re100(Re100(湍流区）：湍流区）：(Pe)(Pe)轴向轴向2 2 (6-53)(6-53)(Pe)(Pe)径向径向12 (6-54)12 (6-54)志向平推流反应器：对于气固相固定床志向平推流反应器：对于气固相固定床反应器，当床层高度大于固体颗粒直径反应器，当床层高度大于固体颗粒直径100100倍时，可忽视返混的影响，可将反应倍时，可忽视返混的影响，可将反应器看成是志
50、向推流反应器。器看成是志向推流反应器。6.2 非志向流淌反应器内的流淌模型非志向流淌反应器内的流淌模型扩散模型扩散模型气固相催化反应器：非均相反应气固相催化反应器：非均相反应非均相反应过程：气液、气固、液固、非均相反应过程：气液、气固、液固、气液固等；催化和非催化反应气液固等；催化和非催化反应气固相催化反应器：气固相催化反应器：1 1）固定床催化反应器）固定床催化反应器2 2）移动床催化反应器）移动床催化反应器3 3）流化床催化反应器）流化床催化反应器6.8 气固相催化反应器气固相催化反应器6.8.1 6.8.1 固定床催化反应器固定床催化反应器1.1.结构和类型结构和类型1)1)绝热式反应器