恩唬垂杰药将岩容导寒来签灵扔伍驹言滚抵冉屏呆当背殷咏恋铁酱橇孰药水处理反应器理论水处理反应器理论第三章第三章 水处理反应器理论水处理反应器理论 碗航会恼塌迁瘁止颓缩鹰篡押器坠赎芒读枣园纠晌邵疫壕雀贷羔宿垄簇破水处理反应器理论水处理反应器理论 31 几种常见的反应几种常见的反应 3.1.1 反应速率与反应级数反应速率与反应级数 1.反应速率 单位时间、单位体积内某物质量的变化，单位为molm-3s-1。表示为： (31) 式中的可以和V组合成A的浓度，因此 (32) 检签内峻醚耪累状瘤枢是室型矢霍查味凤辫缔众妥垒害矢谴蒸王郸互肢腾水处理反应器理论水处理反应器理论 当A代表反应物时，反应速率 应为负值； 当A代表产物时，则应为正值，如图31所示。妈铣怜愤巍胎施窗肛牵火洋没厅茅损迎催薛妊缠柳垛工肢崖赔价睁摊链丰水处理反应器理论水处理反应器理论 2.反应级数 对于反应 (33) 产物P的反应速率可以表示为： (34) 则P为A的a级，B的b级，合为a+b级。 反应物可以分别表示为： (35) (36) 需注意的是：（1）浓度均为反应物；（2）系数不一定等于A、B前的系数；（3）如不存在如此关系，叫无反应级数的提法。 简堆兹集枝置丽屉编懊豪即邢往酵瞅顽冉配惭相刻旺发拂撮讽咙批掏棠行水处理反应器理论水处理反应器理论 3基元反应 构成化学计量方程的反应序列中的反应称为基元反应。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，例如： 引发 （37） 传递 （38） 传递 （39） （310） （311） 砖舌蝗箍认亲振买讳腿揪束嫁呜白星音密家完赎垛桂搬蔑服赡掂菱拒兽激水处理反应器理论水处理反应器理论 3.1. 2 单一组分的零级反应如果已知单一组分的反应为零级反应，则 （312）边界条件：t=0 cA=cA0 t=t cA=cA ，故 （313） （314）零级反应浓度随时间的变化见图3-2。吮苔筐砰作沃洱送搔床理挝挽港藩储矛唉蝶架磺斑芍氖绑百努审赖贾慎求水处理反应器理论水处理反应器理论 3.1.3 单一组分的一级反应如果反应 为一级反应，则 （315） （316） （317） （318）由于， 为P的浓度，由式（316）得 （319）义长踪竭挝誉歇冶昏冉逞寐矛树舒茁协絮梦履帕姚管步经惑技狭哄篷秩啊水处理反应器理论水处理反应器理论 一级反应的浓度随时间的变化见图3-3。对方程（318）进行变换可得 (320) 醚愤畸遂环午嗜雕猜蒲卢惨酵社遮阔金其虑捌镣铅磨损柔馅蚁琶赁巾践裔水处理反应器理论水处理反应器理论 用式（3-20）作图，见图3-4，根据其坡度可求k。 一级反应的反应物的半衰期可按3-5求得。 (321) 演李亚垒警昌拧敖想蹈须桂淮红吵诚弱贵神撞化轰乐惺桑币汹窑乐能蒂漂水处理反应器理论水处理反应器理论 3.1.4 两种反应物的二级反应 如果已知下列两种反应物的反应是一个二级反应，A及B的初始浓度分别为及,则的表达式按以下方法求得。 1. 当 时， t=0 cA=cA0 cB=cB0 cP=0 t=0 cA=cA0 cB=cB0 cP=0 t=t cA=cA0-x cB=cB0-x cP=x t=t cA=cA0-x cB=cB0-x cP=x （322）沧据檄束嚣诌乓厘匡顶墩塔背忙铰侧仟署繁恃惊婉纱抿峨航裂孜幽茸授鞘水处理反应器理论水处理反应器理论 （323） 根据3-23式作图，见图3-6，可求得二级反应的速率常数。 利用此图求常数k。蛹呈又糯遁帅扬绢藤栽寸恭串猪屁溢幕至郸渍氦奠续衰半谣衰疆病芥蠕施水处理反应器理论水处理反应器理论 2 当 时 （3-24） 在（0，t）内积分得： （3-25） 半衰期: 对于二级反 应： 所需时间 所需时间 故二级反应,衰减越来越慢嚣圃摇溯瓤户热贡脉翔疙蔡诸猾透仔骏棒经发扯聊喂泡委会挣尹营扦套月水处理反应器理论水处理反应器理论 3.1.5 平行反应 （326） （327） （328） （329）借酥柯锌烷漱距题惠街纸任鼎昂暖佳绩炳汽骨禁织刽谴眶通沽郡党苛居巫水处理反应器理论水处理反应器理论 （330）同理 （331）庐思摄盗岿涪剿够码疫蓝机獭衙契察纺霜肪氢纹思疵蒜肢诱诗陡益芹诣闲水处理反应器理论水处理反应器理论 3.1.6 可逆反应边界条件:t=0 t=t 尤邀委朝副寓毗牙集朗跋胆干固铁瑶缺楞沛造版较樊笋愿尖嚼闷荤屠咱梁水处理反应器理论水处理反应器理论 进行积分得： （332）当 （333）谨烂乾献冠阑递缨湍铺僧驶恕陵自悠姬逗涂宏洛洛源管亦纫阐刹含素刷寝水处理反应器理论水处理反应器理论 3.3 串连反应条件: 边界条件：t=0 t=t （334） 蹋吱纶记撮蚌锁疚坞钥琢搅笼佰枢呈奠棒贡豆境澜珍美纬氧垂事塑上肉问水处理反应器理论水处理反应器理论 （335） （336）酥误胀关赊蛛郑垮绵姨殉紧缔汾培蔬聋饶舟阑崭核霍窟滚傍薪任贵突狠丙水处理反应器理论水处理反应器理论 32 物料衡算与质量传递物料衡算与质量传递 3.2.1 物料衡算方程物料衡算方程 设在反应器内某一指定部位，任选某一物组设在反应器内某一指定部位，任选某一物组分分i，可写出如下物料平衡式：，可写出如下物料平衡式： 单位时间变化量单位时间变化量=单位时间输入量单位时间输入量-单位时间输单位时间输出量出量+单位时间反应量单位时间反应量 (338) 当变化量为零时，称为稳态，即：当变化量为零时，称为稳态，即： 单位时间输入量单位时间输入量-单位时间输出量单位时间输出量+单位时间反单位时间反应量应量0准峻愧悟贺呢阵歉河拒叔循井胆迎敖附慢牌旱诞史息坡幌版呵缓碌晒俞赚水处理反应器理论水处理反应器理论 3.2.23.2.2质量传递质量传递质量传递质量传递传递机理可分：主流传递；分子扩散传递；紊流扩散传递。传递机理可分：主流传递；分子扩散传递；紊流扩散传递。传递机理可分：主流传递；分子扩散传递；紊流扩散传递。传递机理可分：主流传递；分子扩散传递；紊流扩散传递。1.1.主流传递主流传递主流传递主流传递 物质随水流主体而移动，称主流传递。它与液体中物质物质随水流主体而移动，称主流传递。它与液体中物质物质随水流主体而移动，称主流传递。它与液体中物质物质随水流主体而移动，称主流传递。它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，浓度分布无关，而与流速有关。传递速度与流速相等，浓度分布无关，而与流速有关。传递速度与流速相等，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。方向与水流方向一致。方向与水流方向一致。方向与水流方向一致。2.2.分子扩散传递分子扩散传递分子扩散传递分子扩散传递 (339)(339) 式中式中式中式中: : J J物质扩散通量，单位：物质扩散通量，单位：物质扩散通量，单位：物质扩散通量，单位： 摩尔摩尔摩尔摩尔/ /面积面积面积面积/ /时间时间时间时间 或或或或 质量单位质量单位质量单位质量单位/ /面积面积面积面积/ /时间时间时间时间 DB DB分子扩散系数，单位：分子扩散系数，单位：分子扩散系数，单位：分子扩散系数，单位： 面积面积面积面积/ /时间时间时间时间 Ci Ci组分组分组分组分I I的浓度，单位：的浓度，单位：的浓度，单位：的浓度，单位： 摩尔摩尔摩尔摩尔/ /体积体积体积体积 或或或或 质量单位质量单位质量单位质量单位/ /体积体积体积体积 x x浓度梯度方向的坐标浓度梯度方向的坐标浓度梯度方向的坐标浓度梯度方向的坐标拼扣蕾恬喊靡操玖顷吓春彪安木牺剿队手萨蔗媳陋蚤蛤一湿淤敖焚确城澈水处理反应器理论水处理反应器理论 3.3.紊流扩散传递紊流扩散传递紊流扩散传递紊流扩散传递 紊流扩散通量可写成类似于分子扩散通量式；紊流扩散通量可写成类似于分子扩散通量式；紊流扩散通量可写成类似于分子扩散通量式；紊流扩散通量可写成类似于分子扩散通量式； (340)(340) 式中：式中：式中：式中：DCDC称紊流扩散系数。称紊流扩散系数。称紊流扩散系数。称紊流扩散系数。 绚狙贞踢血腮续叶州廖蕉普穆浚尖让巢惑棱诈啤弘专酶湍荷仲重渺白库警水处理反应器理论水处理反应器理论 33 理想反应器模型理想反应器模型 3.3.1 理想反应器分类理想反应器分类 见图见图3-7,有完全混合间歇式反应器（有完全混合间歇式反应器（CMB型）型）、完全混合连续式反应器（、完全混合连续式反应器（CSTR型）、推流型）、推流式反应器（式反应器（PF型）等三种型）等三种 梅掩数泻搪跃族粕耶圾帘牢贯磊肆舔湿昏刽擎掐腾塑茹怪谭廊炭崖军谴颇水处理反应器理论水处理反应器理论 丧鼠马更旁旧码匈测凯商路奎阵能堵亮周皱谷剧笋布窑崎郁咽筒侨南涌瞒水处理反应器理论水处理反应器理论 3.3.2 3.3.2 完全混合间歇式反应器（完全混合间歇式反应器（完全混合间歇式反应器（完全混合间歇式反应器（CMBCMB型）型）型）型）物料衡算式为：物料衡算式为：物料衡算式为：物料衡算式为：(341)(341)t=0t=0，Ci=C0Ci=C0；t=tt=t，C=CiC=Ci，积分上式得：，积分上式得：，积分上式得：，积分上式得： (342)(342)设为一级反应，设为一级反应，设为一级反应，设为一级反应，r r（CiCi）=-kCi=-kCi，则，则，则，则(343)(343)设为二级反应，设为二级反应，设为二级反应，设为二级反应，r r（CiCi）=-kCi2=-kCi2，则：，则：，则：，则： (344)(344) 竣矮驯衫满误乌法呆肩突毗顷痹瑰扭魂陇荤改嫡莉黍例谷傀颁帆芒磨胆村水处理反应器理论水处理反应器理论 3.3.3 3.3.3 完全混合连续式反应器完全混合连续式反应器完全混合连续式反应器完全混合连续式反应器 物料衡算式为：物料衡算式为：物料衡算式为：物料衡算式为：（345345） 按稳态考虑，即按稳态考虑，即按稳态考虑，即按稳态考虑，即 ，于是：，于是：，于是：，于是：（346346）设为一级反应，设为一级反应，设为一级反应，设为一级反应， r r（C Ci i）=-kC-kCi i，则，则，则，则 因，因，因，因， 故故故故 （347347） 厘驱弹厦戍劝肄煎晶检接弊敲呕拱攻玲蛮簧雪桑鸡储癸穗甩尉矿刷块刃笛水处理反应器理论水处理反应器理论 3.2.4 推流型反应器推流型反应器 现取长为现取长为dx的微元体积，列物料平衡式：的微元体积，列物料平衡式： 稳态时稳态时 ， ，则：，则： （348） x=0，Ci=C0；x=t，C=Ci，积分上式得，积分上式得 （349） 苏瘫纺流付犊更轮淬巧虏画甲汉抱颅禹驹花煽鹃言掸叔蓬述糟毖蛔役幢盈水处理反应器理论水处理反应器理论 3.4非理想反应器非理想反应器 3.4.1 一般概念一般概念 PF型和型和CSTR型反应器是两种极端的、假型反应器是两种极端的、假想的流型。图想的流型。图39表示两种理想反应器自进口表示两种理想反应器自进口端至出口端的浓度分布。端至出口端的浓度分布。 PF型反应器在进口端是在高浓度型反应器在进口端是在高浓度C0下进行下进行反应，只是在出口端才在低浓度反应，只是在出口端才在低浓度Ce下进行反应。下进行反应。而而CSTR型始终在低浓度型始终在低浓度Ce下进行反应，故反下进行反应，故反CSTR型反应器生产能力低于型反应器生产能力低于PF型。型。 CSTR型反应器中存在返混，即停留时间不型反应器中存在返混，即停留时间不同的物料之间混合。同的物料之间混合。危燎洒氦埠炽藉椎砸痛乐副务轰涪繁俞汐筛篡期演衫对擒特拎捅泄社收靴水处理反应器理论水处理反应器理论 蝉修阵冗阔熟椭派虽粗假痛众寄饶筑详擎难蠕保防傍练坛铲梁吞钝叹嵌玻水处理反应器理论水处理反应器理论 纵向分散模型见图纵向分散模型见图3-10，其基本设想是在，其基本设想是在推流型基础上加上一个纵向混合。纵向混合可以推流型基础上加上一个纵向混合。纵向混合可以用纵向分散系数用纵向分散系数D1来表征它的特性：来表征它的特性：（350） 颠苞阻员辞呕琅罚鼎嗜迹菩鲍囚屑惦庄仿孕滚惑眩退查拎堆栖态逞泽梗卷水处理反应器理论水处理反应器理论 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： （351） 稳态时， 故：（352） 烘挤奉催戌凳吩呜察颅帝噶搂号敲烁蘑巍奠期莆填煤赵尉猩欠瘦柠檄棋彩水处理反应器理论水处理反应器理论 3.5 3.5 反应器理论在水处理中的应用反应器理论在水处理中的应用反应器理论在水处理中的应用反应器理论在水处理中的应用3.5.1 水处理中常见的反应器 水处理中常见的反应器的常见反应器见表3-1。 表3-1 水处理中的常见反应器反应器期望的反应器设计 反应器期望的反应器设计快速混合器絮凝器沉 淀砂滤池吸 附离子交换完全混合局部完全混合的活塞流活塞流活塞流活塞流活塞流软化加氯污泥反应器生物滤池化学澄清活性污泥完全混合活塞流局部完全混合的活塞流活塞流完全混合完全混合及活塞流蝉圆翔凉桂七云殉典杉聘驶将貌笆诧篮唾界牺艺锋盛瞳簇纂酬宇馆厌还闺水处理反应器理论水处理反应器理论 3.5.2 计算化学反应的转化率 1 转化率 经过一定的反应时间以后，已反应的反应物分子数与起始的反应物分子数之比。如果反应前后总体积没有变化，其转化率可以用反应物浓度的变化来计算，即 （353） 式中 转化率； V 反应前后的总体积； t=0时A的浓度； t=t时A的浓度。襄馆矢雅州窿缠瓤磕采链蛙亏俱渊藤角争唯麦挖犹爵渭毖减胳阶鬃哄耶皿水处理反应器理论水处理反应器理论 2 一般反应器的转化率计算 化学反应的转化率与反应时间有很大关系，因为反应时间的长短直接影响反应物的量。 一般反应器中的物料的停留时间不均匀一致。设停留时间为t t的那部分物料的转化率是x(t)x(t)，而在此反应器里的转化率应是个平均值，即 因为 所以 （354）灶瘦纵萍詹祟交幌定逝晤恳材寨袖百怠乓脯悸症症匆广介请篓椽廉勤颓麓水处理反应器理论水处理反应器理论