第三章反应器设计.

第四节污水处理厂的设计1.选择厂址或站址(在工厂、企业内，往往将污水处理厂称为废水站)时，一般应考虑以下一些问题：（1）厂址应选在地质条件较好的地方。地基较好，承载力较大，地下水位较低，便于施工。（2）处理厂应尽量少占土地和不占良田。同时，要考虑今后有适当的发展余地。（3）要考虑周围环境卫生条件。（4）处理厂应设在靠近电源的地方，并考虑排水、排泥的方便。（5）处理厂应选择在不受洪水威胁的地方，否则应考虑防洪措施。2.生活污水厂的流程按照处理效率，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.工艺路线的选择工艺1工艺2工艺4工艺3·对比合法性先进性可靠性安全性结合实际情况简洁和简单性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3.5万吨，水质COD200-400mg/L,BOD150-200mg/L,SS100-300mg/L,NH3-N25-40mg/L,TN50-60mg/L,TP6-10mg/L,pH6-10BOD50COD10NH3-N5TN15SS10TP0.5城镇污水处理厂污染物排放标准一级A标准重金属少污染浓度低水质容易处理难降解物质少生活污水实际情况：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、A2/O-MBR比较内容方案A2/O氧化沟A2/O-MBR适应性水质适应性＋＋＋水量波动性＋＋－水质波动性－＋＋＋季节变化＋－＋工艺比较技术先进－＋＋工艺灵活性－＋＋抗冲击能力－＋＋＋有无污泥膨胀－－＋处理效果污染物去除率＋＋＋＋＋＋比较内容方案A2/O氧化沟A2/O-MBR经济性工程总投资＋＋＋－处理成本＋＋＋＋吨水耗电＋＋－工艺占地－－＋吨水处理占地－－＋操作管理操作管理＋＋＋－维护＋＋－方案优点缺点A2/O1.效果好、操作简便2.投资少、占地少、运行费低3.技术成熟、可靠4.适应性强5.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1.流程较为复杂、需要设置单独的二次沉淀池2.需要大量回流、电耗大氧化沟1.工艺流程简单，运行管理方便2.前置式厌氧池，除磷脱碳3.投资少，处理成本低4.机械设备少，维护管理简单5.能够承受较大水量、水质冲击1.占地面积大2.工艺运行灵活性差A2/OMBR1.技术先进、运行稳定2.高水质出水3.模块化技术单元、根据要求增减模块4.易于实现全自动运行1.基建和运行成本高2.膜组件要求定期维护和更换，对操作人员技术要求高3.国内生产的膜组件不够稳定栅渣压榨机砂水分离器细格栅沉砂池粗格栅提升泵厌氧缺氧好氧装车外运出水鼓风机进水预缺氧浓缩脱水储泥池混合液回流污泥回流污水管道污泥管道鼓风管道将化学和生物反应原理应用于污染控制工程，需要借助适宜的装置，即反应器。系统掌握反应器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构形式.操作方式和工艺条件以及提高污染物去除效率有重要的意义。第三章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：1.根据反应过程的化学基础和生产工艺的基本要求，进行反应器的选型设计；2.根据宏观反应动力学，计算反应器的结构尺寸；3.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。反应器设计设计？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、浓度必须是均匀的。在满足这个条件的前提下尽可能使这个体积元体积更大。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。1b1r1out1insmolAsmolAsmolAsmolAFFFF量的积累元中物料单位时间内体积量物料元中反应消失的单位时间内体积量体积元的物料单位时间排出量体积元的物料单位时间进入broutinFFFF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、降温等非反应的辅助时间。•(2)停留时间t和平均停留时间停留时间又称接触时间，用于连续流动反应器，指流体微元从反应器入口到出口经历的时间。t理想反应器•在工业上化学反应必然要在某种设备内进行，这种设备就是反应器。根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，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动情况是不同的。（无返混）（返混程度最大）理想反应器理想混合反应器（完全混合）平推流反应器（无返混）间歇式完全混合连续式完全混合简单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，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均匀化过程，称之为简单混合。如果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。混合之后的物料组成与混合前必然不同，反应速率也会随之发生变化，这种发生在停留时间不同的物料之间的均匀化过程，称之为返混。按物料在反应器内返混情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异。按返混情况不同反应器被分为以下几种类型间歇反应器全混流反应器平推流反应器间歇反应器•间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称间歇反应器）。在反应器中物料被充分混合，但由于所有物料均为同一时间进入的，物料之间的混合过程属于简单混合，不存在返混。全混流反应器•连续操作的充分搅拌槽型反应器（简称全混流反应器）。在这类反应器中物料返混达最大值。0AC0v1V1AC1ACv1,Ar•搅拌釜式反应器•循环反应器•环流反应器平推流反应器•理想置换反应器（又称平推流反应器或活塞流反应器）。在连续流动的反应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）。典型例子是物料在管内流速较快的管式反应器。MN•管式反应器•鼓泡塔•多级串联式反应器1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，故选择整个有效容积V’R作为衡算体系。在单位时间内，对组分A作物料衡算：的积累量物料中单位时间内的量消失的物料内反应单位时间的量的物料单位时间排出的量的物料单位时间进入AAAARRRRVVVV1ARAsmoldd00tnVr(一)物料衡算•整理得•当进口转化率为0时，分离变量并积分得•为间歇反应器设计计算的通式。它表达了在一定操作条件下，为达到所要求的转化率xA所需的反应时间tr。1A0ARAsmolddtxnVrAr0RAAA00rddxtVrxntt恒容时1ARAsmoldd00tnVr•在恒容条件下，•上式可简化为：•间歇反应器内为达到一定转化率所需反应时间tr，只是动力学方程式的直接积分，与反应器大小及物料投入量无关。A0AA1xccAA0AAA0AAA0rddccxrcrxctAr0RAAA00rddxtVrxntt转化率形式浓度形式设计计算过程（间歇反应器）•对于给定的生产任务，即单位时间处理的原料量FA[kmol.h-1]以及原料组成CA0[kmol.m-3]、达到的产品要求xAf及辅助生产时间t’、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。•①由式计算反应时间tr；•②处理一批料所需时间tt；tt=tr+t’•t’为辅助生产时间•③每批投放物料总量F’A；F’A=FAtt•④反应器有效容积V’R；A0AAA0rdxrxctttVVCFVrRA0A000处理体积速率实际有效体积注：辅助时间指，装料、卸料、升温、降温等非反应所需时间mol/smol/m3m3/s•⑤计算反应器总体积VR。反应器总体积应包括有效容积、分离空间、辅助部件占有体积。通常有效容积占总体积分率为60％～85％，该分率称为反应器装填系数φ，由生产实际决定。RRVV！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，实验测得反应动力学方程为：cA0=4kmol.m-3132AAminmkmolkcr1133minkmolm1097.1k若每天处理2400kg己二酸，每批操作辅助生产时间为1h，反应器装填系数为0.75，求：(1)转化率分别为xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间为多少?(2)求转化率为0.8，0.9时，所需反应器体积为多少?•解：(1)达到要求的转化率所需反应时间为：•xA=0.5•xA=0.6tr=3.18h•xA=0.8tr=8.5h•xA=0.9tr=19.0hAfAf0A02A2A0AA00AAA0r111ddAfAfxxkcxkcxcrxctxxh10.26015.015.041097.113rt•(2)反应器体积的计算•xA=0.8时：tt=tr+t’=8.5+1=9.5h•每小时己二酸进料量FA0，己二酸相对分子质量为146，则有：•处理体积为：•实际反应器体积VR：10Ahkmol684.0146242400F130A0A0hm171.04684.0cFV每天处理2400kg己二酸•反应器有效容积V’R：•实际反应器体积VR：•当xA=0.9时：•tt=19+1=20h•V’R=0.171×20=3.42m3•VR=3.42／0.75=4.56m33t0Rm63.15.9171.0tVV3RRm17.275.063.1VV装填系数为0.75！问题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12000kg，其化学反应式为：OHHCCOOHCH523原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35,反应液的密度为1020kg/m3,并假定在反应过程中不变，每批装料，卸料及清洗等辅助操作时间为1h，反应在100℃下等温操作，其反应速率方程如下：KcccckrSRBAA1OHHCOOCCH252312kk100℃时：min/1076.441mollk平衡常数K=2.92，试计算乙酸转化35%时所需的反应体积，根据反应物料的特性，若反应器填充系数去0.75，则反应器的实际体积是多少？分析：RVV求RV求V00ttFVR0t已知求0F和t0Ft设计方程已知处理量物料衡算方程装填系数辅助时间解：首先计算原料处理量0F每小时的乙酸用量为：ARxM2412000由于原料液中A:B:S=1:2:1.35kg35.435.121原料液中含1kg乙酸原料液量为：102035.46023.16hm/155.4335.0248812000hkmol/23.16乙酸分子量乙酸乙酯分子量密度OHHCCOOHCH523OHHCOOCCH252312kk原料液的起始组成：155.423.160Ac46260908.30Bc1835.160908.30Sc由AxAAArdxct00求反应时间lmol/908.3lmol/2.10lmol/59.17原料液量乙酸分子量乙酸用量乙醇乙酸乙酸乙酯A:B:S=1:2:1.35AARxcc0AASSxccc00AAAxcc10AABBcccc00先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：