课件 反应器.ppt

§2.2 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+qD • 2、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 ` • 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 ` • （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 ` （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 ` • 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 0.5 X 10－5～5 X 10－5cm2/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 ` 示中：Dc—紊（对）流扩散系数 Dc =DB+DE DE —涡流扩散系数。

而：DE DB 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-mixed batch reactor 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： ` • 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) =－k Ci 代入上式得： • 设为二级反应（并设i随时间减少），则: • r (Ci) =－k Ci2 代入上式： ` • 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 =0.01 C0 ， 细菌被灭活速率等于活细菌减少速率，于是 r (Ci) =－k ·Ci＝－ 0.92 Ci ，代人一级反应公式得： ` • 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）:（ Continuous stirred tank reactor) 或称“返混反应器”(backmix reactor) • （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。

` • 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 ： ` • （4）比较：CMB t短；但有投、卸料时间 CSTR t长；但连续工作 • （5） CSTR的反应器串联工作： ` • 设为一级反应： • 等式两边分别相乘得： 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； 2 X 9.9=19.8min ` • 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-flow reactor) • 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： ` 当：x=0时，Ci=C0 x=x时，Ci=Ci 变换上式 ` 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 时间分布不同，而返混程度又是衡量实际反应器 偏离理想条件。