第11章環(huán)境工程原理反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ).

1、將化學(xué)和生物反應(yīng)原理應(yīng)用于污染控制工程，需要借 助適宜的裝置，即反應(yīng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的掌握反應(yīng)器的基本類(lèi)型及其操作原理和設(shè)計(jì) 計(jì)算方法，對(duì)于優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式、操作方式和工藝 條件，提高污染物去除效率有重要意義。本篇主要闡述化學(xué)與生物反應(yīng)的計(jì)量學(xué)、動(dòng)力學(xué)及其 研究方法，環(huán)境工程中常用的各類(lèi)化學(xué)和生物反應(yīng)器及其 基本設(shè)計(jì)計(jì)算方法等。利用化學(xué)和生物反應(yīng)，使污染物轉(zhuǎn)化成為無(wú)毒無(wú)害或 易于分離的物質(zhì)，從而使污染介質(zhì)得到凈化的技術(shù)，即轉(zhuǎn) 化技術(shù)是去除污染物和凈化環(huán)境的重要手段。沉淀反應(yīng)：水中重金屬的沉淀分離 氧化反應(yīng)：還原性無(wú)機(jī)污染物和有機(jī)污染物氧化 分解生物降解：反應(yīng)常用于有機(jī)廢水、揮發(fā)性有機(jī)廢 氣、

2、惡臭氣體和有機(jī)固體廢棄物的處理生物硝化、反硝化：水中硝酸氮的生物去除利用“轉(zhuǎn)化原理”高效、快速去除污染物的關(guān)鍵是？影響反應(yīng)結(jié)果（反應(yīng)速率、反應(yīng)進(jìn)度）的主要因素同一反應(yīng)相同的環(huán)境條件（溫度、壓力）相同的反應(yīng)器體積相同的反應(yīng)物 料組成和濃度第m篇 氏左工丑廉理影響反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率的主要因素是什么？反應(yīng)本身特性：反應(yīng)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器的特性：質(zhì)量傳遞、混和狀態(tài)等反應(yīng)工程的主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容：反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：從工程應(yīng)用的角度闡明反應(yīng)速率與各 項(xiàng)物理因素（溫度、濃度、壓力、催化劑）之間的 關(guān)系。反應(yīng)器：在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，論述反應(yīng)器的設(shè)第m篇攻工權(quán)懇理計(jì)和操作的優(yōu)化等問(wèn)題。5反

3、應(yīng)工程的主要研究?jī)?nèi)容研究對(duì)象：工程應(yīng)用中的反應(yīng)過(guò)程研究目的： 工程應(yīng)用中反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化優(yōu)化對(duì)象：反應(yīng)器的型式、結(jié)構(gòu)、操作方式、工藝條件等目標(biāo)函數(shù)：反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率、能量消耗、設(shè)備費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi) 用等。本篇的主要內(nèi)容 第一章反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 第十二章反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的解析方法 第十三章均相化學(xué)反應(yīng)器 第十四章非均相化學(xué)反應(yīng)器第十五章微生物反應(yīng)器第十一量反龍鈿力夕氐磁 第一章反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)本章主要內(nèi)容第一節(jié)反應(yīng)器和反應(yīng)操作V反應(yīng)器的主要類(lèi)型與特點(diǎn)、常見(jiàn)的反應(yīng)器操 作方式及其特點(diǎn)第二節(jié)反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系V反應(yīng)組分（參與反應(yīng)的各物質(zhì)）間的定量關(guān)系 第三節(jié)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)V反應(yīng)速率與反應(yīng)條件之間的關(guān)系本節(jié)的主要內(nèi)容、反應(yīng)操

4、作二、反應(yīng)器三、反應(yīng)器的操作方式Ed反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)與混和狀態(tài)五、反應(yīng)器的類(lèi)型六、反應(yīng)器的設(shè)計(jì)七、反應(yīng)器的放大第一節(jié)及力去與甌注傑作利用化學(xué)或生物反應(yīng)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)或污染物處理時(shí)， 需要通過(guò)反應(yīng)條件等的控制，使反應(yīng)向有利的方向進(jìn)行。 為達(dá)到這種目的而采取的一系列工程措施通稱(chēng)為反應(yīng)操作 (Operation of reaction) o二、反應(yīng)器反應(yīng)器是實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的外部條件，同一反應(yīng)在具有不同 特性的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，也會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)結(jié)果?；Ψ待埰?Chemical reactor)笙楊 反應(yīng) 器(Biorcnclor/Biological reactor)第一節(jié)及力去與甌注傑作三、反應(yīng)器的操作方

5、式間歇操作(分批操作)(Batch operation) 充/排式操作(Fill and draw operation) 連續(xù)操作(Continuous operation) 半間歇操作(Semi-batch operation) 半連續(xù)操作(Semiconlinuous operation)12第一節(jié)及力去與甌注傑作（一）間歇操作（分批操作）將反應(yīng)原料一次加入 反應(yīng)器，反應(yīng)一段時(shí)間或 達(dá)到一定的反應(yīng)程度后一 次取出全部的反應(yīng)物料， 然后進(jìn)入下一輪操作。第一節(jié)及力去與甌注傑作13(1)間操作的主要特點(diǎn)操作特點(diǎn)反應(yīng)過(guò)程中既沒(méi)有物料的輸入，也沒(méi)有物料的輸出, 不存在物料的進(jìn)與出。基本特征間歇反應(yīng)過(guò)

6、程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，反應(yīng)器內(nèi)組成隨時(shí) 間變化而變化。第一節(jié)及力妥與反注傑作 主要優(yōu)點(diǎn)操作靈活，設(shè)備費(fèi)低，適用于小批量生產(chǎn)或小規(guī)模 廢水的處理。主要缺點(diǎn)設(shè)備利用率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，每批的操作條件不易 相同，不便自動(dòng)控制。充/排式操作(Fill and draw)A應(yīng) 用微生物的培養(yǎng)、馴化；污水處理特性的研究第一爺及力妥與反注傑作A操 作將廢水或培養(yǎng)液一次加入反應(yīng)器(培養(yǎng)器)，同時(shí)添加微生物i種。培養(yǎng)一定時(shí)間后，取出部分培養(yǎng)液，并加入新鮮的廢水或培養(yǎng)液，進(jìn)入下一批培養(yǎng),如此反復(fù)。污水進(jìn)水工序空氣反應(yīng)工序處理水充/排式操作的應(yīng)用序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor簡(jiǎn)稱(chēng)S

7、BR)第一節(jié)及力去鳥(niǎo)反注傑作（二）連續(xù)操作連續(xù)地將原料輸入反應(yīng)器，反應(yīng)產(chǎn)物也連續(xù)地流出反 應(yīng)器。污水初沉池曝氣池回流污泥處理水剩余污泥18（污水的活性污泥處理系統(tǒng)）第一節(jié)及力去與甌注傑作(1)操作的主要特點(diǎn)操作特點(diǎn)：物料連續(xù)輸入，產(chǎn)物連續(xù)輸出，時(shí)刻伴 隨著物料的流動(dòng)?；咎卣鳎哼B續(xù)反應(yīng)過(guò)程是一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，反應(yīng)器 內(nèi)各處的組成不隨時(shí)間變化。(反應(yīng)組分、濃度可 能隨位置變化而變化。)主要優(yōu)點(diǎn)：便于自動(dòng)化，勞動(dòng)生產(chǎn)率高，反應(yīng)程度與產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定。規(guī)模大或要求嚴(yán)格控制反應(yīng)條 件的場(chǎng)合，多采用連續(xù)操作。主要缺點(diǎn)：靈活性小，設(shè)備投資高。第一爺及力去與反注傑作(三) 半間歇操作/半連續(xù)操作操 作原料與產(chǎn)物中

8、的一種或一種以上為連續(xù)輸入或輸出, 而其它成分分批加入或取出的操作稱(chēng)為半間歇操作 或半連續(xù)操作。A應(yīng) 用生物反應(yīng)器的分批補(bǔ)料操作(fed-batch operation), 又稱(chēng)“補(bǔ)料分批操作，俗稱(chēng)“流加操作主要特點(diǎn)半間歇操作具有間歇操作和連續(xù)操作的某些特點(diǎn)。 反應(yīng)器內(nèi)的組成隨時(shí)間變化而變化。第一節(jié)及力巽與及注傑作半間歇操作操作過(guò)程A的流入量空間速度（空速）（Space velocity）及力去與甌注傑作單位反應(yīng)器有效體積所能處理的物料的體積流量?？臻g速度（SV） = Q/U意:V單位為時(shí)間的倒數(shù)。*表示單位時(shí)間內(nèi)能處理幾倍于反應(yīng)器體積的 物料，反映了一個(gè)反應(yīng)器的強(qiáng)度。（SV = 2h1 表示

9、山處理2倍于反應(yīng)體積的流體。）V 空速越大，反應(yīng)器的負(fù)荷越大。第一爺及龍巽烏反淪需作V反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的流動(dòng)與混合狀態(tài)在實(shí)際的反應(yīng)器中，一般存在濃度、溫度和流速的分 布，從而可能造成不同的“流團(tuán)間有不同的停留時(shí)間、 組分、濃度和反應(yīng)速率。（例子：同時(shí)進(jìn)場(chǎng)以班為單位順 序出場(chǎng)；跳球抽號(hào)機(jī)）返 混（back mixing）:處于不同停留時(shí)間的“流團(tuán)”間的混合稱(chēng)返混。 混合后形成的新“流團(tuán)的組分和濃度與原來(lái)的流團(tuán)不同，反應(yīng)速率亦可能隨之發(fā)生變化， 這將影響整個(gè)反應(yīng)器的反應(yīng)特性。第一爺及力男鳥(niǎo)反注傑作完全混合流（亦稱(chēng)全混流、理想混合）反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)器后，能瞬間達(dá)到完全混合，反應(yīng) 器內(nèi)的濃度、溫度等處處相

10、同。全混流可以認(rèn)為返 混為無(wú)限大。平（推）流（亦稱(chēng)活塞流、擠出流）反應(yīng)物以相同的流速和一致的方向移動(dòng)，即反應(yīng)物 在反應(yīng)器內(nèi)齊頭并進(jìn)。在徑向充分混合，但不存在 軸向混合，即返混為零。理想流動(dòng)狀態(tài)全混流和推流是兩種極端的流動(dòng)狀態(tài)，通稱(chēng)為理想 流。介于全混流和推流之間的流態(tài)為非理想流態(tài)。第一節(jié)及力巽鳥(niǎo)反注傑作五、反應(yīng)器的類(lèi)型（-）按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)分類(lèi)釜(槽)式(tank)反應(yīng)器、管式(tubular)反應(yīng)器、塔式 (column/tower)反應(yīng)器、固定床(fixed bed reactor) 膨脹床 (expanded bed reactor) 流化床(fluidized bed reactor)W

11、o（-）按反應(yīng)物的聚集狀態(tài)分類(lèi)均相反應(yīng)器、非均相反應(yīng)器（如氣一液反應(yīng)器等）（三）按反應(yīng)操作分類(lèi)間歇反應(yīng)器（分批反應(yīng)器）、連續(xù)反應(yīng)器和半連續(xù)反應(yīng)器以及恒溫反應(yīng)器、非恒溫反應(yīng)器等。第一節(jié)及力去與甌注傑作27（四）按流態(tài)分類(lèi)理想流反應(yīng)器和非理想流反應(yīng)器。完全混合流（全混 流）反應(yīng)器和推流反應(yīng)器。（a）釜式反應(yīng)器b）管式反應(yīng)器第一爺及龍去與及注傑作 反應(yīng)物(reactants)反應(yīng)的出發(fā)物質(zhì)產(chǎn) 物(produc反應(yīng)中產(chǎn)生的物質(zhì) 反應(yīng)組分(reaction mixture)參與反應(yīng)的物質(zhì)的總稱(chēng)反應(yīng)式描述反應(yīng)物經(jīng)過(guò)反應(yīng)生成產(chǎn)物(products)的過(guò)程的關(guān)系式QaA+QbB QpP+&qQ“等分子反應(yīng)”與

12、“非等分子反應(yīng)”等分子反應(yīng)計(jì)量方程中計(jì)量系數(shù)的代數(shù)和等于零非等分子反應(yīng)計(jì)量系數(shù)的代數(shù)和非為零(可正、可負(fù))每消耗1摩爾的某反應(yīng)物所引起的反應(yīng)系統(tǒng)總摩爾數(shù)的變化量(刃稱(chēng)為該反應(yīng)物的膨脹因子。11.2.5)35注 意：反應(yīng)式表示反應(yīng)歷程，并非方程式，不能按方程式的 運(yùn)算規(guī)則將等式一側(cè)的項(xiàng)移到另一側(cè)。 計(jì)量方程(stoichiometric equation):描述各反應(yīng)物、生成物在反應(yīng)過(guò)程中的量的關(guān)系 的方程。aA/a + aBA/B = UpMv + QqA/q(-aA)MA + (-aB)A7B +dpMp +幺少0=0 方程中Ma、Mp和Mq的物理意義是什么? 表示各組分的摩爾質(zhì)量。一第二羊

13、反&拎針蚩誤*K例題11.2. 13丙烷在870K附近時(shí)的熱分解反應(yīng) 的計(jì)量方程為：GH& =0.300QH6 +0.065CH. + 0668爭(zhēng)4+0.635(2耳+0300耳，試計(jì)算j摩爾的 丙烷分解后反應(yīng)體系的總摩爾數(shù)將增加多少？解：丙烷的膨脹系數(shù)(0.3 00+ 0.065+ 0.668+ 0.6 3 5+ 0.30Q) -11= 0.968故每分解1摩爾的丙烷反應(yīng)體系的總摩爾數(shù)將增加 0.968摩爾。八第二辛反龍掬針誤二、反應(yīng)的分類(lèi)(-)根據(jù)獨(dú)立的計(jì)號(hào)方程的個(gè)數(shù)分類(lèi) 簡(jiǎn)單反應(yīng)(單一反應(yīng))(single reaction)能用一個(gè)計(jì)算方程描述的反應(yīng)，包括可逆反應(yīng) (reversible

14、 reachon )。 復(fù)雜反應(yīng)(復(fù)合反應(yīng))(multiple reaction)需用多個(gè)計(jì)算方程才能描述的反應(yīng)，即反應(yīng)系統(tǒng)中 同時(shí)存在多個(gè)反應(yīng)，同時(shí)各反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生的比例也 隨反應(yīng)條件的變化而變化。其中包括并列反應(yīng)、平 行反應(yīng)、串聯(lián)反應(yīng)、平行一串聯(lián)反應(yīng)等。V并列反應(yīng)組反應(yīng)物，反應(yīng)物相同，而生成物不同。4平行反應(yīng)若干個(gè)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，且互不影響。*串聯(lián)反應(yīng)ABtJP4平行一串聯(lián)反應(yīng)AQ A+Q-PA + BQ A + 2B-P P+B-R掌握各反應(yīng)的特征第二反龍拎針#誤圭（二）根據(jù)反應(yīng)系統(tǒng)中反應(yīng)物的相態(tài)及其數(shù)量分類(lèi)均相反應(yīng)所有反應(yīng)處在同一相內(nèi)的反應(yīng)。V液相反應(yīng)V氣液相反應(yīng)。非均相反應(yīng)反應(yīng)物處于不同

15、相，而反應(yīng)物是在界面發(fā)生。V液固反應(yīng)4氣固反應(yīng)氣液反應(yīng)。41三、反應(yīng)進(jìn)度與轉(zhuǎn)化率反應(yīng)過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)各物理量的變化不發(fā)生變化的物理量反應(yīng)組分的總質(zhì)量可能發(fā)生變化的物理量總摩爾數(shù) 體積（不變時(shí)稱(chēng)恒容反應(yīng)） 壓力（不變時(shí)稱(chēng)恒壓反應(yīng)） 溫度（不變時(shí)稱(chēng)恒溫反應(yīng)）第二竽反龍拎針異寶（-）反應(yīng)進(jìn)度aAA + aBB = a【P + aQ（HAO_nA）（nBO_nB）（nP 一0）工（S 一Hqo）nA0 nA _ flBQf -BA?尸nro _ % _2q（）（11.2.17）aPQq5a反應(yīng)程度癥義為：產(chǎn)/ /0叫 一 /0在沒(méi)有特別說(shuō) 明的情況下指 右側(cè)的定義式S _ay：反應(yīng)組分i的計(jì)量系數(shù)43（二

16、）轉(zhuǎn)化率（conversion,第二年反力絵針凄美tfractional conversion）間歇反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率的定義心=（心（）”a）2a（）=1 一/（）在環(huán)境工程中，污染物的轉(zhuǎn)化率稱(chēng)去除率（removalefficiency, fractional removal）轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)進(jìn)度的關(guān)系xA=（a/ha0）連續(xù)反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率的定義Xa=（%ao%a）/%ao=1 一哺a/% 需第二辛反龍掬針蚩黒車(chē)轉(zhuǎn)化率的應(yīng)用關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率一其它任一反應(yīng)組分在反應(yīng)體系中 的量的計(jì)算任一反應(yīng)物的量的計(jì)算如何求轉(zhuǎn)化率：aA質(zhì)量分率 摩爾分率 濃 度反應(yīng)組分（反應(yīng)前后）關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn) 化率（g）轉(zhuǎn)化率與質(zhì)量分

17、數(shù)（Xm）的關(guān)系（反應(yīng)前后總質(zhì)量不 變）仏=仏0（1 壯）6=（仏0一仏）/認(rèn)）轉(zhuǎn)化率與摩爾分?jǐn)?shù)（Z） 可能變化）的關(guān)系（反應(yīng)前后摩爾總數(shù)47%（1心）5 一 1 cl +西4Jo（l + &Z&）11.2.28）轉(zhuǎn)化率與濃度的關(guān)系（適用于恒容體系）（表1122）Ca=Cao（1 一“）6=（%）一 Ca%）非恒容體系?45i第二豐反龍的針蚩與圭K例題11.2.2 3 間歇反應(yīng)器中含有10.0 mol的反應(yīng)原料A, 反應(yīng)結(jié)束后，A的剩余量為1.0 molo若反應(yīng)按2A+B-P的反應(yīng)式進(jìn) 行，且反應(yīng)開(kāi)始時(shí)A和B的摩爾比為5： 3。試分別計(jì)算A和B轉(zhuǎn)化率。解：卩亠盞誥9根據(jù)反應(yīng)式，s=2 an = 1故 nB=nBO-nAOXA“_ 1 _ 1川初r知02知0-0.9 = 0.753故A和B的轉(zhuǎn)化率分別為90%和75%o第二t例題：污水(人工)濕地處理系統(tǒng)中污染物 去除率的計(jì)算。濕 地？地球之腎人工濕地系統(tǒng)是利用植物、土壤(填充介質(zhì))、微生物的綜合作用去除水中有機(jī)物、氮、磷以及病原微生物的一種“綠色技術(shù)。其缺點(diǎn)是占地面積較大。第二竽反&掬針果皇本節(jié)思考題(1) 什么是膨脹因子？膨脹因子為1的反應(yīng)體系，反應(yīng) 后系統(tǒng)的物質(zhì)的量將如何變化？若是膨脹因子為 0.5的反應(yīng)體系，則如何變化？(2) 什么是簡(jiǎn)單反應(yīng)和復(fù)雜反應(yīng)？可逆反應(yīng)屬于哪一 類(lèi)