均相化學反應器第1頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第十三章均相化學反應器第一節(jié)間歇與半間歇反應器第二節(jié)完全混合流反應器第三節(jié)平推流反應器本章主要內容第2頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一一、間歇反應器二、半間歇反應器第一節(jié)間歇與半間歇反應器本節(jié)的主要內容第3頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一1.間歇反應器的操作方法將反應物料按一定比例一次加到反應器內，然后開始攪拌，使反應器內物料的濃度和溫度保持均勻。反應一定時間，反應率達到所定的目標之后，將混合物料排出反應器。之后再加入物料，進行下一輪操作，如此反復。一、間歇反應器2.間歇反應器的設計計算設計計算的目的(1)確定達到一定的反應率時需要的反應時間(2)根據(jù)反應時間確定轉化率或反應后的各組分濃度第一節(jié)間歇與半間歇反應器第4頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一間歇反應器設計的基本方程及設計方法(12.2.4)（恒容反應）(12.2.6)（恒容反應）(12.2.1)(12.2.2)(12.2.3)第一節(jié)間歇與半間歇反應器第5頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第6頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一【例題13.1.1】間歇反應器中發(fā)生一級反應A→B(恒容反應)，反應速率常數(shù)k為0.35h-1，要使A的去除率達到90％，則A在反應器中需反應多少小時？解：設xA為轉化率，則cA的值為

cA=cA0(1-xA)=cA0(1-0.90)=0.10cA0根據(jù)設計方程：cA/cA0=e-kt有0.10cA0/cA0=e-0.35t解得t=6.58h第一節(jié)間歇與半間歇反應器第7頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一間歇反應器的圖解設計法(12.2.4)(12.2.6)第一節(jié)間歇與半間歇反應器－1/rA－1/rA第8頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一(1)將兩種或兩種以上的反應物、或其中的一些組分一次性放入反應器中，然后將某一種反應物連續(xù)加入反應器。

特點：可控制加入成分在反應器中的濃度，便于控制反應速率。(2)將反應物料一次性加入反應器，在反應過程中將某個產(chǎn)物連續(xù)取出。

特點：可以使反應產(chǎn)物維持在低濃度水平（利于可逆反應向生成產(chǎn)物的正方向進行；防止分泌產(chǎn)物對微生物生長的抑制作用）。二、半間歇反應器（一）半間歇反應器的操作方法第一節(jié)間歇與半間歇反應器第9頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一半間歇操作的特點(1)與間歇操作一樣，是一個非穩(wěn)態(tài)過程(2)與間歇操作不同之處：反應混合液的體積隨時間而變化。第一節(jié)間歇與半間歇反應器反應量-rAVA的流入量第10頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一nA＝(nA0＋qnA0t)(1－xA)（二）半間歇反應器的設計計算1.轉化率的定義第一節(jié)間歇與半間歇反應器第11頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一2.半間歇反應器的設計方程單位時間內A的加入量：qnA0＝qVcA0單位時間內A的排出量：0反應量：(－rA)V積累量：dnA/dt＝d(cAV)/dt＝cA(dV/dt)+V(dcA/dt)物料衡算式：qVcA0=(－rA)V+cA(dV/dt)+V(dcA/dt)(13.1.2)qVcA0=(－rA)V+cAqV+V(dcA/dt) (13.1.3)V＝V0＋qVt第一節(jié)間歇與半間歇反應器反應量-rAVA的流入量第12頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一【例題13.1.2】對于由反應(a)和(b)構成的反應系統(tǒng)，試定性說明在下述半間歇操作時的反應系統(tǒng)中各組分的濃度變化。(1)先向反應器中加入A，之后連續(xù)加入B。(2)先向反應器中加入B，之后連續(xù)加入A。A+B→P，r1＝k1cAcB (a)A+P→Q，r2＝k2cAcP (b)第一節(jié)間歇與半間歇反應器第13頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一(a)先加入A，連續(xù)加入B時的變化(b)先加入B，連續(xù)加入A時的變化tctcA+B→P，r1＝k1cAcB (a)A+P→Q，r2＝k2cAcP (b)第一節(jié)間歇與半間歇反應器第14頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一(1)對于一個實際規(guī)模的均相連續(xù)反應器，影響反應物轉化率的主要因素有哪些？(2)間歇反應器的一般操作方式是什么？你能舉出哪些間歇反應器的例子？(3)半間歇反應器有哪幾種操作方式？(4)半間歇反應器與間歇反應器相比有哪些異同點？(5)對于半間歇反應器，轉化率是如何定義的？本節(jié)思考題第一節(jié)間歇與半間歇反應器第15頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一一、單級反應器二、多級串聯(lián)反應器第二節(jié)全混流反應器本節(jié)的主要內容第16頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一一、單級反應器（一）操作方法與特點操作方法：連續(xù)恒定地向反應器內加入反應物，同時連續(xù)不斷地把反應液排出反應器，并采取攪拌等手段使反應器內物料濃度和溫度保持均勻。全混流反應器是一種理想化的反應器。應用：污水的pH中和槽、混凝沉淀槽以及好氧活性污泥的生物反應器（常稱曝氣池）第二節(jié)全混流反應器第17頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一（二）設計方法τ＝(cA0xA)/－rA(12.3.5)恒容反應τ＝(cA0－cA)/－rA (12.3.7)第二節(jié)全混流反應器第18頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第19頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一【例題13.2.1】完全混合流反應器中發(fā)生一級反應A→B，反應速率常數(shù)k為0.35h-1，要使A的去除率達到90％，則A需在反應器中停留多少小時？

解：設xA為轉化率，則cA的值為

cA=cA0(1-xA)=cA0(1-0.90)=0.10cA0根據(jù)反應平衡方程：τ=(cA0-cA)/kcA有τ=(cA0-0.10cA0)/(0.35×0.10cA0)=25.7h

第二節(jié)全混流反應器第20頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)全混流反應器第21頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一全混流反應器的圖解設計法τ＝(cA0xA)/-rAτ＝(cA0－cA)/－rA

（恒容反應）第二節(jié)全混流反應器-1/rA-1/rA第22頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一二、多級串聯(lián)反應器（一）多級串聯(lián)全混流反應器的基本方程c0c1c2τ＝τ1＋τ2＋···＋τncn第二節(jié)全混流反應器－1/rA第23頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一在恒容條件下，第i個反應器的基本設計方程為：(13.2.1)第二節(jié)全混流反應器第24頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一（二）多級串聯(lián)反應器的逐步計算法一級恒容反應：－rAi＝kcAi第二節(jié)全混流反應器第25頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一（二）多級串聯(lián)反應器的逐步計算法二級恒容反應：－rAi＝kcAi2第二節(jié)全混流反應器第26頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一【例題13.2.2】乙酸的水解反應，可以近似地看作一級反應，該反應在300K時的速率方程為：－rA=2.77×10-3cAmol/(m3s)。將乙酸濃度為600mol/m3的液體以0.050m3/min的速度送入一完全混合流反應器。試求以下幾種情況時的乙酸的轉化率。(1)反應器的體積為0.80m3時；(2)0.40m3的反應器，二個串聯(lián)使用時；(3)0.20m3的反應器，四個串聯(lián)使用時。第二節(jié)全混流反應器第27頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一(1)反應器的體積為0.80m3時平均空間時間第二節(jié)全混流反應器第28頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一(2)0.40m3的反應器，二個串聯(lián)使用時每個槽的平均空間時間第二節(jié)全混流反應器第29頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一(3)0.20m3的反應器，四個串聯(lián)使用時每個槽的平均空間時間第二節(jié)全混流反應器第30頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一（三）圖解計算法操作方程速率方程反應曲線第二節(jié)全混流反應器－rA第31頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一反應曲線圖解計算法的步驟第二節(jié)全混流反應器－rA第32頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一【例題13.2.3】已知一級反應A→B在10個串聯(lián)的完全混合流反應器(CSTR)中進行，假設反應速率常數(shù)k為0.35h-1，反應物A的初始濃度為150mg/L，10個CSTR完全相同，A在每個CSTR中的停留時間是1/1.5h，分別采用公式法和圖解法求A的轉化率。

第二節(jié)全混流反應器第33頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一公式法：當n=10時,有

所以10個串聯(lián)的CSTR反應器的轉化率為：xA=(150-18.0)/150×100%=88.0%。對于完全混合流反應器，基本方程為第二節(jié)全混流反應器第34頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一圖解法：如圖所示，以－rA對cA作圖得反應曲線，以－1/τ的斜率構造三角曲線圖得10個CSTR反應器的反應曲線，從圖中讀出第10個CSTR的出口濃度cA為18mg/L。所以10個串聯(lián)的CSTR反應器的轉化率為：xA=(150-18.0)/150×100%=88.0%。一級反應速率方程為第二節(jié)全混流反應器－rA/(mg·L－1·h－1)cA/(mg·L－1)第35頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一(1)全混流連續(xù)反應器的一般操作方式是什么？你能舉出哪些間歇反應器的例子？(2)與間歇反應器相比，對于同一反應，在同樣的反應條件下，達到同樣的轉化率，所需全混流連續(xù)反應器的體積有何不同？為什么？本節(jié)思考題第二節(jié)全混流反應器第36頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一(3)對于一簡單不可逆反應，在反應器總有效體積和反應條件不變的條件下，隨著全混流反應器的級數(shù)的增加，反應物的轉化率如何變化？為什么？轉化率的極限值是什么？(4)簡述多級全混流反應器的解析計算法。(5)簡述多級全混流反應器的圖解計算法。本節(jié)思考題第二節(jié)全混流反應器第37頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一一、簡單的平推流反應器二、具有循環(huán)操作的平推流反應器第三節(jié)平推流反應器

本節(jié)的主要內容第38頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一一、簡單的平推流反應器平推流反應器的特點：在連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作條件下，反應器各斷面上的參數(shù)不隨時間變化而變化。反應器內各組分濃度等參數(shù)隨軸向位置變化而變化，故反應速率亦隨之變化。在反應器的徑向端面上各處濃度均一，不存在濃度分布。（一）操作方式將物料連續(xù)流入、并連續(xù)取出，在反應器內使物料沿同一方向、以同樣的速度流動[活塞流(pistonflow)]第三節(jié)平推流反應器

第39頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)平推流反應器

第40頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一（二）設計計算方法恒溫恒容反應的設計方程：與間歇反應相同（表13.1.1）第三節(jié)平推流反應器

第41頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第42頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一【例題13.3.1】在例題13.2.3中，假如反應在1個平推流反應器中進行，且停留時間與10個串連CSTR的總停留時間相同，試計算A的轉化率，并與例題13.2.3中的結果比較。對于平推流反應器，基本方程為于是有所以1個平推流反應器的轉化率為：xA=(150-14.5)/150×100%=90.3%。解：第三節(jié)平推流反應器

第43頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一xA＝88.0%第三節(jié)平推流反應器

第44頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一【例題13.3.2】平推流反應器中發(fā)生一級反應A→B，反應速率常數(shù)k為0.35h-1，要使A的去除率達到90％，則A需在反應器中停留多少小時？設xA為轉化率，則cA的值為cA=cA0(1-xA)=cA0(1-0.90)=0.10cA0根據(jù)反應平衡方程：cA/cA0=e-kτ有(0.10cA0)/cA0=e-0.35τ解得τ=6.58h解：第三節(jié)平推流反應器

第45頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第46頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一【例題13.3.3】乙酸的水解反應，可以近似地看作一級反應，該反應在300K時的速率方程為：－rA=2.77×10-3cAmol/(m3s)將乙酸濃度為600mol/m3的液體以0.050m3/min的速度送入一有效體積為0.80m3的平推流反應器，求反應器出口處的轉化率。第三節(jié)平推流反應器

第47頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一對于一級反應，在恒容條件下：－rA=kcA=kcA0(1-xA)解：第三節(jié)平推流反應器

根據(jù)題意，k=2.77×10-3s－1s根據(jù)題意，k=2.77×10-3s－1s第48頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)平推流反應器

圖解計算法(12.3.18)(12.3.19)－1/rA－1/rA第49頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一(1)將排出反應器的混合物的一部分不經(jīng)任何處理直接返送到入口處。二、具有循環(huán)操作的平推流反應器（一）循環(huán)反應器的操作方法反應器反應物料產(chǎn)物循環(huán)(a)反應器反應物料產(chǎn)物未反應物料循環(huán)

(b)分離器(2)在反應器出口設一分離裝置，將反應產(chǎn)物分離取出，只把未反應的物料返送到反應器入口處。第三節(jié)平推流反應器

第50頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一(3)微生物培養(yǎng)中常用的一種形式。在反應器出口設置菌體分離器，將反應產(chǎn)生的菌體濃縮，把濃縮后的菌體的一部分或全部返送到反應器生成物營養(yǎng)物質菌體分離器菌體濃縮液第三節(jié)平推流反應器

第51頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一（二）循環(huán)反應器的設計方法MN(a)平推流循環(huán)反應器第三節(jié)平推流反應器

第52頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一1.循環(huán)反應器的物料衡算反應器系統(tǒng)外圍，即虛線部分的轉化率xAe＝(qnA0－qnAe)/qnA0 (13.3.2)即：qnAe＝qnA0(1－xAe)/qnA0 (13.3.3)MN第三節(jié)平推流反應器

第53頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一反應器出口點(2)A的物質流量

qnA2＝(1＋γ)qnAe＝qnA0(1＋γ)(1－xAe)(13.3.4)N點出的物料衡算

qnA3＝γqnAe＝qnA0γ(1－xAe) (13.3.5)混合點M處的物料衡算式為：

qnA1＝qnA0＋qnA3 (13.3.6) 由(13.3.5)和(13.3.6)式可得：

qnA1＝qnA0[1＋γ(1－xAe)] (13.3.7)MN第三節(jié)平推流反應器

第54頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一1.進入反應器的物質流量不是qnA0而是qnA1

qnA1＝qnA0[1＋γ(1－xAe)] (13.3.7)2.進入反應器的物料是新鮮物料與反應后物料的混合物。故對反應器本身進行物料衡算時，不能使用qnA0定義的轉化率xA。幾點說明與注意點第三節(jié)平推流反應器

第55頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一qnA2＝(1＋γ)qnAe＝qnA0(1＋γ)(1－xAe)(13.3.4)qnA0′qnA2＝qnA0′(1－xAe)(13.3.10)不難理解xAe可以視為與qnA0′，即qnA0(1＋γ)為基準的反應器出口(2)處的xA2′相等。第三節(jié)平推流反應器

第56頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一2.循環(huán)反應器的等價反應器M(b)與(a)等價的反應器(a)平推流循環(huán)反應器第三節(jié)平推流反應器

MN第57頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一等價反應器系統(tǒng)的特點(1)物料流的體積流量qV0′＝qV0(1＋γ)，組成與原物料流相同，所以qnA0′＝qnA0(1＋γ)。(2)原物料流與循環(huán)流在M點處混合所產(chǎn)生的組成變化，被假設為是在反應器M內所發(fā)生的。進入反應器M的物料流為未反應物料qV0′，A的進入量為qnA0′，假想是由于在該反應器內產(chǎn)生反應，A的排出量變?yōu)閝nA1。第三節(jié)平推流反應器

M第58頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一(3)反應器M出口處的轉化率xA1′為：(13.3.13)第三節(jié)平推流反應器

M第59頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一系統(tǒng)b的主反應器與原系統(tǒng)有相同的反應體積和轉化率，因此可以利用該系統(tǒng)對原系統(tǒng)進行設計計算。(4)以qnA0′為基準的反應器出口處的轉化率xA2′為：(5)主反應器內的質量流量與體積流量分別為：qnA＝qnA0(1＋γ)(1－xA′) (13.3.15)qV＝qV0(1＋γ)(1+δAxA′) (13.3.16)第三節(jié)平推流反應器

第60頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一設計方程3.循環(huán)反應器的設計方法等價反應器的設計(12.3.15)參照第十二章積分反應器的設計方程第三節(jié)平推流反應器

第61頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一設計方程ABCDEFG圖解解析法第三節(jié)平推流反應器

－1/rA第62頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一【例題13.3.4】對于如