华北理工水质工程学Ⅰ课件14概论-3反应器

§14—4反应器反应器是化工生产过程中的核心部分。在反应器中所进行的过程，既有化学反应过程，又有物理过程，影响因素复杂。基本概念1、反应器：工程工艺设备中，发生化学反应的容器称为反应器。2、反应器中的过程：包括：化学过程：化学反应物理过程：传递(传质)，温度压力等因素过程。3、反应工程：研究反应器有关问题的学科称为反应工程。4、水处理反应器特点：含义较广。水处理设备与池子都作为反应器来进行分析研究，包括化学反应；物理化学过程；生物化学反应；纯物理过程等。如：水的氯化消毒池，除铁、除锰滤池、生物滤池、絮凝池、沉淀池等。一段河流自净过程等，都可应用反应器原理和方法进行分析、研究。`一、化学反应动力学（一）基本概念：1、化学反应：由分子或离子碰撞导致电子转移或原子的重新排列组合，导致反应物消失；生成物形成的过程。通式：xA+yB→pC+qD2、反应速率：化学反应速率是指单位时间。单位体积由反应物消失的数量或生成物增加的数量。或者说：单位时间内，反应物浓度减小或生成物浓度增加的数值。量纲：（摩尔／时间·体积）或（质量单位／时间、体积）。公式表示：式中：Ci—反应物种i的浓度。Ci表示反应物，在公式右边为负值，Ci表示生成物，公式右边变为正值。由实验，如果反应物种i反应速率为：并知α和β的数值，则反应级数为（α＋β），即浓度的指数之和。dtdCCrii)(BAAACCkdtdCCr)(`①，速率公式，是通过实验求得的一种表达式；②，α和β一定和化学计量式（14－2）的系数x和y相同。③，(α＋β)值可以为零、一、二等，分别称零级、一级和二级反应，三极反应极少。（大于三级反应的至今未发现。）（化学反应是由分子碰撞而引起的。分子碰撞导致电子转移或原子的重新排列组合，于是引起反应物的消失以及生成物的形成。）(反应的快慢，取决于分子碰撞次数的多少。而分子碰撞次数直接与反应浓度有关。因而，反应速率也就与反应物浓度的乘积成正比关系。)`3、反应速率常数k：式中k值称反应速率常数，k与温度T有关，k与时间无关。4、化学反应类型：`三、物料平衡和质量传递（1）物料平衡方程：质量守恒定律的数学表达式。任何化学反应都遵守质量守恒定律。设在反应器内某一物料组分i的变化速率：变化量=输入量－输出量+反应量等式两边除时间t，变成速率。变化速率=输入速率－输出速率+反应速率`容积是反应器：整个反应器作为一个反应区。推流式（管道式）反应器：可选某一反应区。还可由单位时间、单位体积的物质量计：浓度变化速率=输入速率－输出速率+反应速率单位：摩尔/体积·时间;或:质量单位/体积·时间。讨论:（1）当浓度变化速率=0时，说明反应处在稳定状态，即：反应速率=输出速率－输入速率+Ci-CiCrV`（2）物质的输入和输出是一个物理过程，是质量传递引发的。（3）反应速率：一般指化学反应速率。由化学动力学所决定。在水处理中，将生物化学反应；物理化学过程；及一些物理过程也列入了反应速率之中。主体流动对流扩散分子扩散质量传递`（二）质量传递1、主流传递：物质随水流（体）主体而移动，称主流传递。特点：与流体的流速有关，与液体中物质浓度分布无关。传递速度与流速相等，方向与水流方向一致。例如：在平流池中（如果作为理想推流型反应器），物质将随水流作水平迁移。物质在水平方向的浓度变化，是由主流迁移和化学反应引起的。`2、分子扩散传递：（在静止或作层流运动的液体中），如果某物料组分i分布不均匀，即存在浓度梯度，由于分子无规则运动，高浓度区内的i组分总是向低浓度区迁移，最终趋于均匀分布状态，使浓度梯度消失。（1）分子扩散动力：浓度梯度。颗粒（包括：分子，离子，小颗粒。）由热动（布朗运动）而作运动，使分布趋于均匀的过程。`（2）Fick第一扩散定律：式中：J—物质扩散通量。即单位时间内，通过单位面积的物质量。单位：摩尔/（面积时间）；或质量单位／（面积时间）；DB—分子扩散系数。单位：面积／时间；Ci——组分i的浓度。单位：摩尔／体积；或质量单位／体积；x—浓度梯度方向的坐标。dxdCDJiB`式中dCi/dx为浓度梯度。是导致分子扩散的推动力，如果状态稳定，则扩散不断进行，而浓度梯度保持不变。公式适用于稀溶液。水处理的问题，多属于稀溶液。在稀溶液中，扩散系数DB约在0.5X10－5～5X10－5cm2/s之间。3、紊（对）流扩散传递：许多反应器中的液体是处在紊（对）流状态下，液体质点不仅具有随水流前进的运动，还具有上、下、左、右的脉动，涡漩等传递过程。紊（对）流扩散传质速度也与浓度梯度成正比。紊（对）流扩散通量可写成类似于分子扩散通量式。dxdCDJiCC`示中：Dc—紊（对）流扩散系数。Dc=DB+DEDE—涡流扩散系数。而：DEDB常将DB忽略不计。4、稳定扩散：反应器中空间各点浓度分布保持不变的扩散过程称为稳定扩散。（实际上是脉动的）稳定扩散是动平衡，变化过程中的平衡。这种稳定扩散，在化工过程和水处理中都是常见的现象。`三、理想反应器模型理想反应器：通过简化的反应器称理想反应器。如：温度=C进入反应器的浓度不变等。由理想反应器模型可进一步推出偏离理想状态的实际反应器模型。分为三种：（1）完全混合间歇式反应器（CMB）；（2）完全混合连续式反应器（CSTR型）；（3）推流式反应器（PF型）。`1、完全混合间歇式反应器（CMB型）：Completely-mixedbatchreactor工作过程：投料→搅拌反应→出料特点：间歇，反应过程中，不存在由物质迁移出、入反应器。据物料平衡：C0——物料进入的浓度；Ci——反应器内t时间的物料浓度；设当：t=0时，Ci=0。积分：)(iiCrdtdC`Ci；t；r(Ci)可知二求一。并可据流量Q时间t求出反应器的容积。设为一级反应（并设i随时间减少），根据化学反应动力学，r(Ci)=－kCi代入上式得：设为二级反应（并设i随时间减少），则:r(Ci)=－kCi2代入上式：tCrdCiCCii0)(021110CCkCkdCtiCCiii`iCCiiCCiiCCkCdCkkCdCtii0ln1100应用：CMB反应器常用于实验室实验或少量的水处理。例题：某水样采用CMB反应器进行氯消毒实验，假定投氯量一定，经试验知：细菌被灭活速率为一级反应，且k＝0.92min－1，求细菌被灭活99％时，所需时间为多少?【解】设原有细菌密度为C0，t时后尚存活的细菌密度为Ci；被杀死的细菌密度C0－Ci，根据题意，在t时刻，(C0－Ci)/C0=99％，Ci=0.01C0，细菌被灭活速率等于活细菌减少速率，于是r(Ci)=－k·Ci＝－0.92Ci，代人一级反应公式得：min5)6.4(92.0101.0ln92.0100CCt`说明：常数k与水温；水的pH值及细菌种类等有关，应通过试验确定。投氯量亦应由试验决定。2、完全混合连续式反应器（CSTR型）:（Continuousstirredtankreactor)或称“返混反应器”(backmixreactor)（1）工作过程：反应物（原料）连续流入，反应器中完全混合反应；生成物连续流出。（2）特点：工作连续；物料在反应器中停留时间长短不同。理论上停留时间t=0~∞`（3）平均停留时间：反应器内物料完全均匀混合且与输出产物相同的假定，在等温操作下，物质平衡方程式为：式中：V—反应器内液体体积；Q—流入或输出反应器的流量；C0—组分i的流入浓度；Ci—反应器内组分i的浓度。)(0iiiCrVCQCQdtdCV`按稳定状态考虑，即在进入反应器的i物质浓度C0不变的条件下反应器内的i浓度Ci不随时间而变化，即dCi/dt=0，（注：对空间域而言，有化学反应。）即：Q·C0－Q·Ci+V·r(Ci)=0已知：反应速率r(Ci)，按式即可求出反应时间t，且可根据设计流量Q求出反应器容积V=Qt。一级反应：将r(Ci)=－kCi代人上式可得，Q·C0－Q·Ci－V·k·Ci＝0将V=Q·t代入上式并经整理得平均停留时间t：反应器体积即可按V=Q·t求出。C0/Ci为去除率。【例题】采用CSTR反应器作为氯化消毒池，细菌被灭活速率为一级反应,且k＝0.92min－1，求细菌被灭活99％时，所需时间为多少?【解】Ci=0.01C0，k=0.92min－1，代入上式：110iCCkt`（4）比较：CMBt短；但有投、卸料时间。CSTRt长；但连续工作。（5）CSTR的反应器串联工作：min6.107101.092.011100iiCCtCCkt`设为一级反应：等式两边分别相乘得：ktCCktCCktCCktCCnn111111111231201nnnnnktCCktktktktCCCCCCCC111111111101231201总反应时间：T=nt`串联级数的选择：应用优化理论或技术经济比较而定。串联多，工艺复杂，管理不便，工程造价高。串联少，反应器体积大，工程造价也高。【例题】在原例题中若采用2个CSTR反应器串联。求所需消毒时间为多少？【解】t＝9.9min；T＝nt；2X9.9=19.8min`2092.01101.02,01.0tnCCn可知，采用2个CSTR反应器串联，所需时间比1个反应器缩短了许多。串联的反应器数愈多，所需反应时间愈短，理论上，当串联的反应器数n→∞时，所需反应时间将趋近于CMB型和PF型的反应时间。实际上,当n→8时，消毒时间为6.2min，与CMB型反应器已相当接近。其原因是由于第1个反应器是在Ci接近于C0的高浓度下进行反应，反应速度最快，而后浓度逐渐降低，反应速度才逐渐降低。在水处理中，串联的机械絮凝池即可按串联的CSTR型反应器考虑。`3、推流式反应器（PF型或PFR型）：（Play-flowreactor)也称活塞（柱塞）流反应器；管式反应器。特点：连续操作，反应器中各点浓度不同。理想形式：（假设）物料平行流动，无轴向相对传递。设反应器：长：L流速：v截面积：ω进口物料浓度：C0；出口物料浓度：Ce`取dx长的微元体积dxω分析，列物料平衡式：dxCrdCCvvCdtdCdxiiiii)()(`不随时间变化。即当稳定时，的反应量；内微元中—的输出量；内微元中—的输入量；内微元中—的变化量；内微元中—iC,0idt)(idt)(idtidtdtdCdxCrdCCvvCdtdCdxiiiiii)(iiCrdxdCv上式可简化为：当：x=0时，Ci=C0x=x时，Ci=Ci变换上式iiCCiiCCiixiiCrdCvxtCrdCvdxCrdCvdx00)()()(0积分`四、非理想反应器（实际反应器）1、基本概念：在连续流动的反应器中，PF型和CSTR型反应器是两种极端的、假想的流型。虽然有些设备接近于上述两种理想流型，但实际生产设备总要偏离理想状态，即介于两种理想流型之间。在PF反应器内的假定：（1）液流以相同流速平行流动；（2）物料浓度在垂直于流动方向完全混合均匀；（3）物料浓度沿流动方向绝无混合现象；（4）物料浓度在纵向（即流动方向）形成浓度梯度。`在CSTR型反应器内的假定：物料完全均匀混合，无论进口端还是出口端，浓度都相同。图14—8表示PF反应器内自进口端至出口端的浓度变化情况。图14—9表示两种理想反应器自进口端至出口端的浓度分布情况。`实际反应器是介于两者之间。混合有一个过程。“返混”——停留时间不同的物料之间混合，称为“返混”。形成返混的原因：主要是环流、对流、短流。流速不均匀、设备中存在死角以及物质扩散等等。返混不但对反应过程造成不同程度的影响，更重要的是在反应器工程放大中将会产生很大偏差。由于返混程度不同，将引起物料在反应器内停留