清华大学环境工程原理(反应工程原理部分)期末试卷(环4)

清华大学本科生考试试题专用纸考试课程：环境工程原理（反应工程原理部分）环4年级2007年1月14日1、简要回答以下问题（每题6分，共24分）（1）什么是积分反应器和微分反应器？它们用于动力学实验时，各有什么优缺点？（2）反应器内的流体流动和混合状态会不会影响反应结果？为什么？（3）简要说明为什么气液相反应的宏观速率方程根据本征反应速率的快慢有不同的表达形式。（4）在微生物反应中，细胞产率系数有哪几种表达方式？它们的取值范围是什么？2、某固定床固相催化反应器的有效体积为2m3，填充层空隙率为0.3。反应物料以0.5m3/h的流量流入反应器。试计算该反应器的空间时间，空间速度和实际平均接触时间。若填充层空隙率提高到0.4，以上各参数如何变化？（10分）3、利用微生物细胞形成的颗粒状污泥处理只含有葡萄糖的废水，若不考虑处理过程中微生物的生长，仅把颗粒污泥看作固体催化剂，试回答以下问题：（15分）（1）在厌氧条件下进行该废水的处理，试分析该反应系统的微观过程。请给出2种提高葡萄糖处理效率的途径，并分析其理论依据。（2）在好氧条件下进行该废水的处理，试分析该反应系统的微观过程。4、已知不可逆液相反应A→P的半衰期与A的初始浓度无关，试回答以下问题：（共30分）。（1）给出该反应的动力学方程的一般形式。（2）利用间歇反应器进行动力学实验（反应物料中A的初始浓度为50mol/m3），结果表明，在25oC时，A的转化率达到90％时的反应时间为2小时。在同样的物料浓度和温度条件下，利用完全混合流反应器进行该反应时，要使A的去除率达到90％，反应物料需在反应器中平均停留多少时间？（3）该反应在有效容积为2m3的全混流连续反应器内进行，物料流量为1m3/h，试计算A的转化率。保持物料流量不变，将出口处物料回流（回流比为0.5），A的转化率如何变化？（4）该反应在有效容积为2m3的平推流反应器内进行，物料流量为1m3/h，试计算A的转化率。保持物料流量不变，将出口处物料回流（回流比为0.5），A的转化率如何变化？（5）试对以上计算结果进行讨论。5、细菌A利用基质S时的生长速率符合Monod方程，现利用全混流连续培养器对该细菌进行培养，培养基中基质S的浓度为6g/L，反应器体积为5L。当基质流量为2L/h和3L/h时，出水基质浓度分别为1g/L和2g/L，菌体浓度分别为2.5g/L和2g/L。（1）计算该细菌的最大比生长速率、Ks和Yx/s值。（2）如果混入杂菌B，已知菌B利用基质S的最大比生长速率为0.9h-1、Ks为0.6g/L和Yx/s为0.5。试求基质流量为2L/h、4L/h和5L/h三种情况下，长期培养时反应器内细菌组成（假定各细胞之间互相独立，不发生粘联现象）。（3）如果在全混流连续培养器后设细胞分离器，将细胞浓缩液回流到反应器，回流比γ＝0.5。在基质流量为5L/h的条件下，分别计算细胞浓缩倍数β＝1.5，2.5时的基质利用率。（4）试对以上计算结果进行讨论。（本题共21分）2006-2007学年度环境工程原理（反应工程原理部分）考试参考答案1．（1）解：积分反应器：反应器出口转化率大于5％，反应器进出口浓度变化显著。其优点为浓度变化显著，便于试验操作且试验误差较小；缺点为不能直接求得反应速率，需进行较为复杂的数据处理才可得到。微分反应器为出口转化率小于5％的反应器，反应器进出口浓度变化很小。其优点为可直接计算xA平均处对应的反应速率，计算较为简便；缺点为进出口浓度变化很小，不易实现且要求较高的测量精度。（2）解：会。反应器内流体的流动和混合状态将直接影响反应过程和传递过程，即流动和混合状态，将影响反应器内的浓度分布、温度分布和流速分布，可能造成各反应器之间的“流团”停留时间分布、组分分布和反应速率分布的不同，从而影响反应的结果。（3）解：气液相反应过程是包括传质和反应的多个步骤的综合过程。宏观反应速率控制步骤为传质过程或反应过程，由本征反应速率和传质速率快慢所决定。本征反应速率快慢将导致控制步骤的不同，反应区域与浓度分布亦不同，反应速率方程和传质形式发生改变，从而使宏观速率方程具有不同的表达形式。（4）解：细胞产率系数符号范围以基质重量为基准的细胞产率系数Yx/s可能大于1，也可能小于1以碳元素为基准的细胞产率系数Yx/c小于1，一般在0.5-0.7之间以氧消耗量为基准的细胞产率系数Yx/o可能大于1，也可能小于1以ATP为基准的细胞产率系数Yx/ATP在8-11之间，平均值为10以有效电子数为基准的细胞产率系数Yx/av.e-可能大于1，也可能小于12．（1）空隙率为0.3时反应器空间时间V24h0.5Vqτ===空间速度110.25hSVτ−==实际平均接触时间0.34h=1.2htετ=⋅=×（2）空隙率为0.4时反应器空间时间V24h0.5Vqτ===空间速度110.25hSVτ−==实际平均接触时间0.44h=1.6htετ=⋅=×3．解（1）本反应为非均相液固反应。①葡萄糖的外扩散：从液相主体穿过边界层向颗粒污泥的外表面传递；②葡萄糖的内扩散：从颗粒污泥的外表面向颗粒污泥的微孔内部传递；③葡萄糖穿过细胞膜进入细胞；④葡萄糖在细胞内发生反应，生成乙酸、甲烷和二氧化碳等产物；⑤产物从细胞排出，进入颗粒污泥微孔；⑥产物的内扩散：乙酸、甲烷和二氧化碳等产物沿颗粒污泥内部微孔从内部传递到外表面；⑦产物的外扩散：产物从颗粒污泥的外表面穿过流体边界层传递到流体主体；⑧甲烷、二氧化碳等产物从液相进入气相。优化途径及依据：①提高搅拌强度，促进流体流动速率，减少外扩散的影响；②减少颗粒污泥粒径，减少内扩散的影响。③适当升温，提高本征反应的反应速率，从而提高葡萄糖的处理效率（2）本反应为非均相液固三相反应。①氧气溶解于水中，由气相进入液相②氧气、葡萄糖的外扩散：从液相主体穿过边界层向颗粒污泥的外表面传递；③氧气、葡萄糖的内扩散：从颗粒污泥的外表面向颗粒污泥的微孔内部传递；④氧气、葡萄糖穿过细胞膜进入细胞；⑤氧气、葡萄糖在细胞内发生反应，生成水和二氧化碳等产物；⑥二氧化碳从细胞排出，进入颗粒污泥微孔；⑦二氧化碳的内扩散：沿颗粒污泥内部微孔从内部传递到外表面；⑧二氧化碳的外扩散：从颗粒污泥的外表面穿过流体边界层传递到流体主体；⑨二氧化碳从液相进入气相。4．解：（1）该反应为一级反应，半衰期12ln2tk=与初始浓度无关。反应动力学方程为－rA=kcA（2）对于间隙反应器有A0Alncktc=，变形可得-1A0A0AA011lnln1.15h20.1ccktcc===对于全混流连续反应器有A0AA0A0AA00.1117.8h1.150.1cccckccτ−−===（3）该反应在全混流连续反应器内进行有V22h1Vqτ===根据全混流连续反应基本方程有A0A1cckτ=+所以AeAA0169.6%cxc=−=若保持物料流量不变，将出口处物料回流。设反应器出口处物料浓度为cAe，反应器进口处物料浓度为cA1VA0VAeA0AeA1V2(1)3qcqccccqγγ++==+反应器停留时间为1VV11.33h(1)1.5qττγ===+根据全混流连续反应基本方程有A0AeA0AeA1Ae1120.53111.5cccccckkkτττ++===+++所以有A0Ae1cckτ=+AeAA0169.6%cxc=−=（4）该反应在平推流反应器内进行有V22h1Vqτ===根据平推流反应基本方程有Aln(1)xkτ−=−所以A90%x=若保持物料流量不变，将出口处物料回流。设反应器出口处物料浓度为cAe，反应器进口处物料浓度为cA1VA0VAeA0AeA1V2(1)3qcqccccqγγ++==+反应器停留时间为1VV11.33h(1)1.5qττγ===+根据平推流反应基本方程有A11Aelnckcτ=A0AeAe2ln1.533ccc+=所以有AeA00.155cc=AeAA0184.5%cxc=−=转化率变小（5）①由（2）和（4）可知：达到相同转化率，全混流连续反应器的有效体积大于间歇反应器。因为全混流连续反应器内物料浓度即为出口处浓度，反应速率低于间歇反应器，有效体积便较大；②由（3）可知：回流对全混流连续反应器的转化率不产生影响。回流即将出口处物料返回到原反应器入口处，与反应器内相同浓度的溶液进行混合，相当于混合得更加“充分”。此时，反应器内物料的浓度保持不变，空塔时间保持不变。所以转化率亦保持不变。③由（4）可知：增加回流会使得平推流反应器的入口浓度降低且停留时间变小，导致转化率xA下降。5、解：（1）由X＝Yx/s(S0-S)可得Yx/s＝X/(S0-S)＝2.5/(6-1)＝0.5kg（细胞）/kg（基质）当qV=2L/h时，-1V20.4h5qDV===，则有max10.41sKμ⋅=+（1）当qV=3L/h时，-1V30.6h5qDV===，则有max20.62sKμ⋅=+（2）联立（1）、（2）两个方程有1max1.2h2g/LsKμ−==（2）做A、B生长曲线，如下图μBμAμxμmBμmASμxμ1A,0.7XBXμμμμ7h−==令则有＝，-1max0,A01.260.9h26csSDKSμ×===++④qV=2L/h时，-1-1V20.4h0.77h5qDV===此时B菌生长，A菌洗脱，稳定后,/0max,0.60.4X()0.5(6)2.76g/L0.90.4SBBXSBKDYSDμ×=−=×−=−−⑤qV=4L/h时，-1-1V40.8h0.77h5qDV===此时A菌生长，B菌洗脱，稳定后,A/0max,20.8X()0.5(6)11.20.8SAXSAKDYSDμ×=−=×−=−−g/L⑥qV=5L/h时，-1Vc,A51h5qDDV===此时A、B菌均被洗脱（3）进行细胞回流时有①当β＝1.5时，1(1)0.75ωγβ=−−=出水基质浓度Smax20.7513.33g/L1.20.751KDSDωμω⋅⋅===−−⋅基质利用率0063.3344.5%6SSS−−==②当β＝2.5时，1(1)0.25ωγβ=−−=出水基质浓度Smax20.2510.53g/L1.20.251KDSDωμω⋅⋅===−−⋅基质利用率0060.5391.2%6SSS−−==（4）①由（2）可知：两种微生物同时存在于全混流连续反应器内，若稀释率大于两种菌的临界稀释率，两种微生物均被洗脱；若稀释率等于两种菌的比增长速率μx时，两种微生物均被保留；当稀释率不等于μx时，该稀释率下可利用较低浓度基质的微生物将存留，另一种被洗脱。②由（3）可知：设细胞分离器并回流细胞浓缩液，可防止微生物被洗脱，并提高反应器内细菌的浓度和基质的利用率。