反应器.

114.4反应器反应器（reactor）是化工生产过程中的核心部分。化工观点，反应器——发生化学反应的容器。水处理观点，反应器——凡能起水处理效应的容器或设备。反应器在水处理方面的应用主要是将水处理设备与池子都可以作为反应器来独立研究，包括物理、化学和生物过程等。例如：水的消毒池、滤池、絮凝池、沉淀池等。物料衡算与质量传递(1)物料衡算方程设在反应器内某一指定部位，任选某一物组分i，根据质量守恒可写出如下物料平衡式：单位时间变化量=单位时间输入量-单位时间输出量+单位时间反应量1.当变化量为零时，称为稳态；2.输入输出量由质量传递引起：分子扩散、紊流扩散及主体流动；3.反应速率由化学反应动力学决定（还包括生化、物理工程）质量传递反应器内物质的输入和输出都是质量传递的结果，按传递机理可分：主流传递、分子扩散传递、紊流扩散传递。①主流传递：物质随水流主体而移动，与液体中物质浓度分布无关，而与流速有关。传递速度与流速相等，方向与水流方向一致。如平流池中，物质随水流做水平迁移。②分子扩散传递：在静止或做层流运动的液体中，某物料组分分布不均，即存在浓度梯度，则物料从高浓度区→低浓度区迁移最终趋于均匀分布状态，使浓度梯度消失。用Fick第一定律表示分子扩散的过程：式中:J——物质扩散通量，单位：[摩尔/面积/时间]或[质量单位/面积/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。dxidCDJB扩散推动力③紊流扩散传递：在绝大多数情况下，水流往往处于紊流状态。在紊流状态下，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，且伴有涡流。紊流扩散传质速度也与浓度梯度成正比。故紊流扩散通量可写成类似于分子扩散通量式：式中：DC——称紊流扩散系数，dxidCcDcJ无论分子扩散或紊流扩散，若在扩散过程的起端不断由外界投入新的扩散物质而在终端不断将扩散物质输出，扩散将不断地进行下去，空间各点的浓度分布将始终保持不变——稳定扩散水处理（给水和污水）过程的实现往往离不开一定型式的反应器。•这里主要讨论两类：理想反应器和实际反应器。理想反应器并不是真正的实际存在的反应器，而是人为地做了某些假设条件以利于研究分析。常见的两类理想反应器是真实反应器的两种极端情况：1、各流体质点停留时间完全相等的推流（也称活塞流）2、所有流体质点完全均匀混合的完全混合式。（间歇式和连续式）反应物产物反应物产物反应物C0产物(1)CMB型(2)CSTR型(3)PF型图3-1理想反应器图示理想反应器模型虽不能完全描述实际过程，但近似反映真实反应器的特征理想反应器分类完全混合间歇式反应器（CMB型，completelymixedbatch）完全混合连续式反应器（CSTR型,continousflowstirredtankreactor）推流式反应器（PF型，plugflowreactor）完全混合，间歇操作，封闭系统完全混合，连续操作，不封闭系统推流式，连续操作，不封闭系统完全混合间歇式反应器（CMB型，completelymixedbatch）•投入反应物，均匀混合，并发生反应，达到预期反应程度后，排出反应物特征：1.反应过程中为封闭系统，无物质输入输出。2.反应器中反应物浓度随时间是变化的，但任一时刻t，反应器中浓度认为是均匀的。此类反应器需有投料和卸料的时间，通常用于实验室实验或少量水处理中。物料衡算式为：t=0，Ci=C0；t=t，C=Ci，积分上式得：设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则)(iCrdtidCicociCridCt)(iCCkicocikCidCt0ln1设为二级反应，r（Ci）=-kCi2，则：)011(12CiCkicociCkidCt例1：某消毒实验，采用CMB反应器，由试验知为一级反应，且k=0.92/min。求细菌被灭活99%时所需时间为多少？99001110015092CoCi%Ci.CoCoCi.CotlnlnminkCo.Co反应物连续输入，一进入反应器即与反应器内的物料快速混合均匀（瞬间）。反应器内物料连续流出，且出水中反应物浓度与反应器内各点处反应物浓度相同。•特征：•1.连续流入，连续流出；•2.反应器内各点反应物浓度相同，且等于出水中反应物浓度。•3.停留时间:从0到无穷大。•4.返混：在反应器后部的物料反向流动与反应器前部物料混合的现象。完全混合连续式反应器（CSTR型，continousflowstirredtankreactor）物料衡算式为：按稳态考虑，即，于是：设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则故：可求出反应器体积V：)(0iiiCrVCQCQdtdCV0dtdCi0)(0CiVrQCQCi00iiVkCQCQC001111iiCCt()kCCkttQV例2：条件同例1，采用CSTR。解：显然远大于CMB，这是因CMB是在CO下，而CSTR是在Ce下进行的。多个CSTR串联使用时：如为一级反应，则有00011111076092001iCCt()().minkC..C12n3coC1C2Cn-1cn12011111111nnCCC:CktCktCkt两边相乘得：则总反应时间为：例3：前例如用2个CSTR，求消毒时间。经计算知011nnC()CktTnt02001209210019910922991981076nC.,n,k.C.(),t.min,.tT...min8625n,T.minmin类似活塞流动。物料浓度在横向上分布均匀，不存在横向混合，沿水流方向物料微元体也不存在纵向混合，进入反应器的反应物在横向上以相同速度水平流动。唯一的质量传递就是平行流动的主流传递。推流式反应器（PF型，plugflowreactor）现取长为dx的微元体积，列物料平衡式：稳态时，，则：x=0，Ci=C0；x=x，C=Ci，积分上式得dxwiCridCiCvwiCvwdtidCwdx)()(0dtidC)(iCrdxidCvicociCridCvxt)(当PF反应器的停留时间为T，多个串联CSTR型反应器的总停留时间也为T；如果串联的个数足够多时，两者的效果相当；PF型反应器与CMB型反应器的计算公式完全一样。但CMB型的投料和卸料时间，所以效果稍差。絮凝池和氯化消毒接触池就接近PF型反应器，但需考虑纵向分散作用3.3非理想反应器PF型反应器在进口端是在高浓度C0下进行反应，只是在出口端才在低浓度Ce下进行反应。而CSTR型始终在低浓度Ce下进行反应，故反CSTR型反应器生产能力低于PF型。CSTR型反应器中存在返混，即停留时间不同的物料之间混合。取出一个微元长度，列物料衡算式：输入量：输出量：反应量：物料变化量：则：（3—15）稳态时，故：（3)(1xCDwCwvii)()(1xxCCxDwxxCCwviiii)(iCrxwtCxwi)(221iiiiCrxCvxCDtC0tCi)(221iiiCrxCDxCv纵向分散模型（PFD型）