第三章-反应器设计讲述优秀PPT.ppt

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1、第四节第四节 污水处理厂的设计污水处理厂的设计1.1.选择厂址或站址选择厂址或站址(在工厂、企业内，往往将污水处理在工厂、企业内，往往将污水处理厂称为废水站厂称为废水站)时，一般应考虑以下一些问题：时，一般应考虑以下一些问题：（1 1）厂址应选在厂址应选在地质条件较好地质条件较好的地方。地基较好，的地方。地基较好，承载力较大，地下水位较低，便于施工。承载力较大，地下水位较低，便于施工。（2 2）处理厂应尽量处理厂应尽量少占土地和不占良田少占土地和不占良田。同时，。同时，要考虑今后有适当的发展余地。要考虑今后有适当的发展余地。（3 3）要考虑四周环境卫生条件。要考虑四周环境卫生条件。（4 4）处

2、理厂应设在靠近电源的地方，并考虑排水、处理厂应设在靠近电源的地方，并考虑排水、排泥的便利。排泥的便利。（5 5）处理厂应选择在不受洪水威逼的地方，否则处理厂应选择在不受洪水威逼的地方，否则应考虑防洪措施。应考虑防洪措施。2.生活污水厂的流程 依据处理效率，污水厂可以分为三级：一级处理厂二级处理厂一级加强处理厂。一级污水处理厂一级处理（沉淀法）一级强化污水处理厂一级强化处理（混凝沉淀法）一级强化污水处理厂一级强化处理（快速生化法）二级生化污水处理厂3.3.工艺路途的选择工艺路途的选择工艺工艺1工艺工艺2工艺工艺4工艺工艺3对比对比合法性合法性先进性先进性牢靠性牢靠性平安性平安性结合实际状况结合实

3、际状况简洁和简洁性简洁和简洁性无锡某城市污水处理厂工艺流程选择无锡某城市污水处理厂工艺流程选择 该城市的污水处理量是该城市的污水处理量是3.5万吨，水质万吨，水质COD 200-400mg/L,BOD 150-200mg/L,SS 100-300mg/L,NH3-N 25-40mg/L,TN 50-60mg/L,TP6-10mg/L,pH6-10BOD50COD10NH3-N5TN15SS10TP0.5城镇污水处理厂污染物排放标准城镇污水处理厂污染物排放标准一级一级A标准标准重金属少重金属少污染浓度低污染浓度低水质简洁处理水质简洁处理难降解物质少难降解物质少生活污水生活污水实际状况：无锡特殊的

4、地理位置，在太湖流域，流域内水的总氮和总磷超标实际状况：无锡特殊的地理位置，在太湖流域，流域内水的总氮和总磷超标A2/O、氧化沟、氧化沟、A2/O-MBR比较内容比较内容方案方案A2/O氧化沟氧化沟A2/O-MBR适应性适应性水质适应性水质适应性水量波动性水量波动性水质波动性水质波动性 季节变化季节变化工艺比较工艺比较技术先进技术先进工艺灵活性工艺灵活性抗冲击能力抗冲击能力 有无污泥膨胀有无污泥膨胀处理效果处理效果污染物去除率污染物去除率 比较内容比较内容方案方案A2/O氧化沟氧化沟A2/O-MBR经济性经济性工程总投资工程总投资处理成本处理成本吨水耗电吨水耗电工艺占地工艺占地吨水处理占吨水处

5、理占地地 操作管理操作管理操作管理操作管理维护维护方案方案优点优点缺点缺点A2/O1.效果好、操作简便效果好、操作简便2.投资少、占地少、运行费低投资少、占地少、运行费低3.技术成熟、可靠技术成熟、可靠4.适应性强适应性强5.除磷脱氮效率高、出水好除磷脱氮效率高、出水好6.根据进水负荷调节鼓风机曝气量根据进水负荷调节鼓风机曝气量1.流程较为复杂、需要设置单流程较为复杂、需要设置单独的二次沉淀池独的二次沉淀池2.需要大量回流、电耗大需要大量回流、电耗大 氧化沟氧化沟 1.工艺流程简单，运行管理方便工艺流程简单，运行管理方便2.前置式厌氧池，除磷脱碳前置式厌氧池，除磷脱碳3.投资少，处理成本低投资

6、少，处理成本低4.机械设备少，维护管理简单机械设备少，维护管理简单5.能够承受较大水量、水质冲击能够承受较大水量、水质冲击1.占地面积大占地面积大2.工艺运行灵活性差工艺运行灵活性差 A2/O MBR1.技术先进、运行稳定技术先进、运行稳定2.高水质出水高水质出水3.模块化技术单元、根据要求增减模块化技术单元、根据要求增减 模块模块4.易于实现全自动运行易于实现全自动运行1.基建和运行成本高基建和运行成本高2.膜组件要求定期维护和更换，膜组件要求定期维护和更换，对操作人员技术要求高对操作人员技术要求高3.国内生产的膜组件不够稳定国内生产的膜组件不够稳定将化学和生物反应原理应用于污将化学和生物反

7、应原理应用于污染限制工程，须要借助适宜的装染限制工程，须要借助适宜的装置，即反应器。系统驾驭反应器置，即反应器。系统驾驭反应器的基本类型及其操作原理和设计的基本类型及其操作原理和设计计算方法，对于优化反应器的结计算方法，对于优化反应器的结构形式构形式.操作方式和工艺条件以操作方式和工艺条件以及提高污染物去除效率有重要的及提高污染物去除效率有重要的意义。意义。第三章第三章 反应器设计及基本设计方程反应器设计及基本设计方程反应器的设计、分析和开发一般包括下列内容：反应器的设计、分析和开发一般包括下列内容：1.1.依据反应过程的化学基础和生产工艺的基本要求，依据反应过程的化学基础和生产工艺的基本要求

8、，进行反应器的选型设计；进行反应器的选型设计；2.2.依据宏观反应动力学，计算反应器的结构尺寸；依据宏观反应动力学，计算反应器的结构尺寸；3.3.反应器的机械设计。充分考虑到机械设计、设反应器的机械设计。充分考虑到机械设计、设备制造及运输、安装方面的要求和有关制约。备制造及运输、安装方面的要求和有关制约。反应器设计设计？设计？给定生产任务（处理量）原料浓度达到的产品要求xAf动力学参数化学反应器设计基础物料衡算方程 物料衡算所针对的具体体系称体积元。体积元有确定的边界，由这些边界围住的体积称为系统体积。在这个体积元中，物料温度、浓度必需是匀整的。在满足这个条件的前提下尽可能使这个体积元体积更大

9、。在这个体积元中对关键组分A进行物料衡算。用符号表示：更普遍地说，对于体积元内的任何物料，进入、排出、反应、积累量的代数和为0。不同的反应器和操作方式，某些项可能为0。几个时间概念(1)反应持续时间tr 简称为反应时间，用于间歇反应器。指反应物料进行反应达到所要求的反应程度或转化率所需时间，其中不包括装料、卸料、升温、降温等非反应的协助时间。(2)停留时间t和平均停留时间 停留时间又称接触时间，用于连续流淌反应器，指流体微元从反应器入口到出口经验的时间。志向反应器在工业上化学反应必定要在某种设备内进行，这种设备就是反应器。依据各种化学反应的不同特性，反应器的形式和操作方式有很大差异。从本质上讲

10、，反应器的形式并不会影响化学反应动力学特性。但是物料在不同类型的反应器中流淌状况是不同的。（无返混）（无返混）（返混程度最大）（返混程度最大）志向反应器志向反应器志向混合反应器志向混合反应器（完全混合）（完全混合）平推流平推流反应器反应器（无（无返混返混）间歇式完全混合间歇式完全混合连续式完全混合连续式完全混合简洁混合与返混简洁混合与返混若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的，若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的，具有相同的反应程度。这种发生在停留时间相同的具有相同的反应程度。这种发生在停留时间相同的物料之间的匀整化过程，称之为简洁混合。物料之间的匀整化过程，称之为简洁混合。假如发生

11、混合前的物料在反应器内停留时间不同，假如发生混合前的物料在反应器内停留时间不同，反应程度就不同，组成也不会相同。混合之后的物反应程度就不同，组成也不会相同。混合之后的物料组成与混合前必定不同，反应速率也会随之发生料组成与混合前必定不同，反应速率也会随之发生变更，这种发生在停留时间不同的物料之间的匀整变更，这种发生在停留时间不同的物料之间的匀整化过程，称之为返混。化过程，称之为返混。按物料在反应器内返混状况作为反应器分按物料在反应器内返混状况作为反应器分类的依据将能更好的反映出其本质上的差类的依据将能更好的反映出其本质上的差异。按返混状况不同反应器被分为以下几异。按返混状况不同反应器被分为以下几

12、种类型种类型间歇反应器间歇反应器全混流反应器全混流反应器平推流反应器平推流反应器间歇反应器间歇反应器间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称间歇反间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称间歇反应器）。在反应器中物料被充分混合，但由于应器）。在反应器中物料被充分混合，但由于全部物料均为同一时间进入的，物料之间的混全部物料均为同一时间进入的，物料之间的混合过程属于简洁混合，不存在返混。合过程属于简洁混合，不存在返混。全混流反应器全混流反应器连续操作的充分搅拌槽型反应器连续操作的充分搅拌槽型反应器（简称全（简称全混流反应器）。在这类反应器中物料混流反应器）。在这类反应器中物料返混返混达最大值达最大值。搅拌釜式反

13、应器搅拌釜式反应器循环反应器循环反应器环流反应器环流反应器平推流反应器志向置换反应器（又称平推流反应器或活志向置换反应器（又称平推流反应器或活塞流反应器）。在连续流淌的反应器内物塞流反应器）。在连续流淌的反应器内物料允许作径向混合（属于简洁混合）但不料允许作径向混合（属于简洁混合）但不存在轴向混合（即无返混）。典型例子是存在轴向混合（即无返混）。典型例子是物料在管内流速较快的管式反应器。物料在管内流速较快的管式反应器。管式管式反应器反应器鼓泡塔鼓泡塔多级串联式多级串联式反应器反应器1 间歇反应器设计方程间歇反应器设计方程反应器有效容积中物料温度、浓度相同，反应器有效容积中物料温度、浓度相同，故

14、选择整个故选择整个有效容积有效容积VR作为衡算体系。在作为衡算体系。在单位时间内，对组分单位时间内，对组分A作物料衡算：作物料衡算：(一一)物料衡算物料衡算整理得整理得当进口转化率为当进口转化率为0时，分别变量并积分得时，分别变量并积分得为间歇反应器设计计算的通式。它表达为间歇反应器设计计算的通式。它表达了在确定操作条件下，为达到所要求的了在确定操作条件下，为达到所要求的转化率转化率xA所需的反应时间所需的反应时间tr。恒容时恒容时在恒容条件下，在恒容条件下，上式可简化为：上式可简化为：间歇反应器内为达到确定转化率所需反间歇反应器内为达到确定转化率所需反应时间应时间tr，只是动力学方程式的干脆

15、积分，只是动力学方程式的干脆积分，与反应器大小及物料投入量无关。与反应器大小及物料投入量无关。转化率形式转化率形式浓度形式浓度形式设计计算过程设计计算过程（间歇反应器）（间歇反应器）对于给定的生产任务，即单位时间处理的对于给定的生产任务，即单位时间处理的原料量原料量FAkmol.h-1以及原料组成以及原料组成CA0kmol.m-3、达到的产品要求、达到的产品要求xAf及协及协助生产时间助生产时间t、动力学方程等，均作为给定、动力学方程等，均作为给定的条件，设计计算出间歇反应器的体积。的条件，设计计算出间歇反应器的体积。由式 计算反应时间tr；处理一批料所需时间tt；tt=tr+tt为协助生产时

16、间每批投放物料总量FA；FA=FAtt反应器有效容积VR；处理体积速率实际有效体积注：协助时间指，装料、卸料、升温、降温等非反应所需时间mol/smol/m3m3/s计算反应器总体积VR。反应器总体积应包括有效容积、分别空间、协助部件占有体积。通常有效容积占总体积分率为6085，该分率称为反应器装填系数，由生产实际确定。！问问题题：某某厂厂生生产产醇醇酸酸树树脂脂是是使使己己二二酸酸与与己己二二醇醇以以等等摩摩尔尔比比在在70用用间间歇歇釜釜并并以以H2SO4作作催催化化剂剂进进行行缩缩聚聚反反应应而而生生产产的的，试验测得反应动力学方程为：试验测得反应动力学方程为：cA0=4 kmol.m-

17、3若若每每天天处处理理2400kg己己二二酸酸，每每批批操操作作协协助助生生产时间为产时间为1h，反应器装填系数为，反应器装填系数为0.75，求：，求：(1)转转化化率率分分别别为为xA=0.5，0.6，0.8，0.9时时，所需反应时间为多少所需反应时间为多少?(2)求求转转化化率率为为0.8，0.9时时，所所需需反反应应器器体体积积为多少为多少?解：解：(1)达到要求的转化率所需反应时间达到要求的转化率所需反应时间为：为：xA=0.5xA=0.6 tr=3.18hxA=0.8 tr=8.5hxA=0.9 tr=19.0h(2)反应器体积的计算反应器体积的计算xA=0.8时：时：tt=tr+t

18、=8.5+1=9.5h每每小小时时己己二二酸酸进进料料量量FA0，己己二二酸酸相相对对分分子质量为子质量为146，则有：，则有：处理体积为：处理体积为：实际反应器体积实际反应器体积VR：每天处理每天处理2400kg己二酸己二酸反应器有效容积反应器有效容积VR：实际反应器体积实际反应器体积VR：当当xA=0.9时：时：tt=19+1=20hVR=0.17120=3.42m3VR=3.420.75=4.56m3装填系数为装填系数为0.75！问题！问题 用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生 产乙酸乙酯产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为：，其化

19、学反应式为：原原料料中中反反应应组组分分的的质质量量比比为为A:B:S=1:2:1.35,反反应应液液的的密密度度为为1020kg/m3,并并假假定定在在反反应应过过程程中中不不变变，每每批批装装料料，卸卸料料及及清清洗洗等等协协助助操操作作时时间间为为1h，反反应应在在100下等温操作，其反应速率方程如下：下等温操作，其反应速率方程如下：12kk100时时：平平衡衡常常数数K=2.92，试试计计算算乙乙酸酸转转化化35%时时所所需需的的反反应应体体积积，依依据据反反应应物物料料的的特特性性，若若反反应应器器填填充充系系数数去去0.75，则反应器的实际体积是多少？，则反应器的实际体积是多少？分

20、析：分析：求求求求已知已知求求和和设计方程设计方程已知已知处理量处理量物料衡算方程物料衡算方程装填系数装填系数协助时间协助时间解：解：首先计算原料处理量首先计算原料处理量 每小时的乙酸用量为：每小时的乙酸用量为：由于原料液中由于原料液中A:B:S=1:2:1.35原料液中含原料液中含1kg乙酸乙酸原料液量为：原料液量为：乙酸分子量乙酸分子量乙酸乙酯分子量乙酸乙酯分子量密度密度12kk原料液的起始组成：原料液的起始组成：由由求反求反应时间应时间原料液量原料液量乙酸分子量乙酸分子量乙酸用量乙酸用量乙醇乙醇乙酸乙酸乙酸乙酯乙酸乙酯A:B:S=1:2:1.35 先将题给的速率方程变换成转化率的函数：先

21、将题给的速率方程变换成转化率的函数：代入速率方程，整理后得：代入速率方程，整理后得：式中：式中：所需的反应体积为：所需的反应体积为：反应器的实际体积为：反应器的实际体积为：以二级不行逆反应为例以二级不行逆反应为例 反应速率方程为：反应速率方程为：假设假设B B间歇投料，间歇投料，A A缓慢连续加料，则：缓慢连续加料，则：2 半间歇式釜式反应器设计方程半间歇式釜式反应器设计方程对对A A进行物料衡算：进行物料衡算：输入输入=输出输出=0 0积累积累=反应反应=比间歇反应器多的项比间歇反应器多的项对总物料衡算：对总物料衡算：分别变量分别变量 反应物反应物A的浓度随时间的变更的浓度随时间的变更产物浓

22、度的表达式：产物浓度的表达式：A反应掉的摩尔数反应掉的摩尔数 ：P生成的摩尔数生成的摩尔数 ：(一一)物料衡算物料衡算输入输入=输出输出=积累积累=0=0 A A的反应量的反应量=3 全混流反应器设计方程 全混流反应器的设计方程全混流反应器的设计方程定义空时定义空时代表代表反应器处理物料的能力反应器处理物料的能力变小，处理能力变大变小，处理能力变大对于对于均相反应均相反应：（体积空速）（体积空速）对于对于非均相反应非均相反应，常以催化剂质量多少表示反应器的体积，常以催化剂质量多少表示反应器的体积空速空速:单位反应体积，单位时间内所处理的物料量单位反应体积，单位时间内所处理的物料量(二二)反应器

23、中其他时辰表示方法反应器中其他时辰表示方法 反应物料进入反应器后，从实际发生反应的反应物料进入反应器后，从实际发生反应的 时刻起到反应达某一程度的时间。时刻起到反应达某一程度的时间。指反应物粒子从进入到离开反应器的时间指反应物粒子从进入到离开反应器的时间对于对于间歇反应器间歇反应器和和平推流反应器平推流反应器，反应时间和停留时间相同反应时间和停留时间相同对于对于全混流反应器全混流反应器，由于可能有短路，死区和循环流，物料，由于可能有短路，死区和循环流，物料在器内停留时间不同，具有停留时间的分布，此时常用平均在器内停留时间不同，具有停留时间的分布，此时常用平均停留时间来表征。停留时间来表征。1）

24、反应时间反应时间：2）停留时间）停留时间：反应器的有效容积与器内物料的体积流速反应器的有效容积与器内物料的体积流速之比。之比。3）平均停留时间与）平均停留时间与空时空时和和含义不同含义不同:非恒容过程，非恒容过程，两者不同。两者不同。平均停留时间平均停留时间：恒容过程恒容过程两者是一致的两者是一致的！问题！问题 用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生 产乙酸乙酯产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为：，其化学反应式为：原原料料中中反反应应组组分分的的质质量量比比为为A:B:S=1:2:1.35,反反应应液液的的密密度度为为1020kg/m3,

25、并并假假定定在在反反应应过过程程中中不不变变，每每批批装装料料，卸卸料料及及清清洗洗等等辅辅助助操操作作时时间间为为1h，反反应应在在100下等温操作，其反应速率方程如下：下等温操作，其反应速率方程如下：12kk100时时：平平衡衡常常数数K=2.92，试试计计算算乙乙酸酸转转化化35%时时所所需需的的反反应应体体积积，依依据据反反应应物物料料的的特特性性，若若反反应应器器填填充充系系数数去去0.75，则反应器的实际体积是多少？，则反应器的实际体积是多少？如如上例上例，取，取时，(三三)设计方程的应用设计方程的应用已知已知-rA，可求得不同空时下的组成，可求得不同空时下的组成例例:对于一级不行

26、逆串联反应：对于一级不行逆串联反应：求求对对于于着着眼眼组组分分A有有：对于着眼组分对于着眼组分P 有：有：由于由于:可得可得 时：时：此时：此时：平推流反应器的特征：平推流反应器的特征：在与流动方向是垂直的截面上没有流速分在与流动方向是垂直的截面上没有流速分布，即布，即径向混合均匀径向混合均匀在流体流动的方向不存在流体质点间的混在流体流动的方向不存在流体质点间的混合，即合，即轴向不返混轴向不返混4 平推流反应器设计方程对于恒容反应：对于恒容反应：平均停留时间反应时间和空时是一样的平均停留时间反应时间和空时是一样的物料衡算物料衡算输入：输入：输出：输出：积累积累=0=0A A的反应量：的反应量

27、：0ll分别变量积分分别变量积分:即：平推流反应器的设计方程平推流反应器的设计方程对于恒容过程有：对于恒容过程有：代入设计方程：代入设计方程：或：！问题：某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比在70用间歇釜并以H2SO4作催化剂进行缩聚反应而生产的，试验测得反应动力学方程为：cA0=4 kmol.m-3若每天处理2400kg己二酸，每批操作协助生产时间为1h，反应器装填系数为0.75，求：计算转化率分别为80、90时所需平推流反应器的大小。解：对PFR代入数据xA=0.8时：xA=0.9时：将上述例题的结果汇总将上述例题的结果汇总从从上上表表可可看看出出，达达到到同同样样结结果果间间歇歇反反应应器器比比平平推推流流反反应应器器所所需需反反应应体体积积略略大大些些，这这是是由由于于间间歇歇过过程程需需协协助助工工作作时时间间所所造造成成的的。而而全全混混釜釜反反应应器器比比平平推推流流反反应应器器、间间歇歇反反应应器器所所需需反反应应体体积积大大得得多多，这这是是由由于于全全混混釜釜的的返返混混造造成成反反应应速速率率下下降降所所致致。当当转转化化率率增增加加时时，所所需需反反应应体体积积快速增加。快速增加。!作业：作业：