《污染土壤修复技术》
第5章 土壤修复反应器设计
5.3 反应器类型
CFSTR 包括一个有入流和出流的搅拌罐 CFSTR 通常是圆形的、方形的或者稍微长方形的，以保证可以充分混 合 CFSTR 的搅拌非常重要，并假设液体在反应器中是充分混合的，意味 着物质在反应器中是均匀混合的 混合的结果就是流出反应器的物质浓度与反应器内的物质浓度相同。 因此，该反应器又称为完全搅拌式反应器(CSTR) 或者完全混合流反应 器(CMF) 在稳态条件下，流出反应器的浓度和反应器中任何一个位置的浓度都 不随时间变化而变化
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第5章 土壤修复反应器设计
5.1 物料平衡概述
物料平衡是环境工程系统(反应器〉设计的基础 基本的方法是通过物质平衡分析，展示反应器中发生 的变化
物质积累速率=物质进入速率-物质流出速率±物质产生或破坏的速率
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第5章 土壤修复反应器设计
5.1 物料平衡概述
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第5章 土壤修复反应器设计
5.1 物料平衡概述
物料平衡分析中的假设与简化
稳定状态：稳定化状态通常是指流速和浓度在处理过程系统中的任何一 个位置都不随时间而改变。为了确保处理过程的稳定性，处理系统通常 都保持在稳定状态。 如果反应是在稳定条件下，尽管反应器内有反应发生，但是物质积 累的速率为零，物料平衡方程可以简化为 物质进入速率-物质流出速率±物质产生或破坏的速率=0
������
������������
������1/2
������
������������
������������������ ������
0.693 = 180 = ������
=
0.693 得到 ������
（2）使用公式ln ������ ������ = −������������戜 ������ ������ = ������ −������������ 确定浓度降低到初始浓度10%时所需 的时间 1 ������ −3 = = ������ −3.85×10 ������ ������������ 10 第5章 土壤修复反应器设计
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第5章 土壤修复反应器设计
5.2 化学动力学
解题过程 （1）将初始浓度和第5 天的浓度代入公式ln ������ ������ = −������������ ，得到k的值 求得：k=0.0325d-1 ������������ 2550 = −������ × 5 3000
������������
5.3 反应器类型
间歇式反应器 2、按操作方式分连续式反应器 半连续式反应器
固定床反应器 流化床反应器（沸腾床反应器） 3、按设备结构形式分管式反应器 搅拌反应器（釜式反应器） 其它形式
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5.3 反应器类型
间歇式反应器 2、按操作方式分连续式反应器 半连续式反应器
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5.2 化学动力学
5.2.1 速率方程
对于一级反应 根据公式������������ =
������������������ ������������
时间0~t积分
= −������������������ ，物质A 的浓度随时间而变化，这个公式可以在 ln ������������ ������������ = −������������戜 = ������ −������������ ������������������ ������������������
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5.1 物料平衡概述
物料平衡数学表达式
物质积累速率=物质进入速率-物质流出速率±物质产生或破坏的速率
������������ ������ = � ������������������ ������������������ − � ������������������������ ������������������������ ± (������ × ������) ������������
固定床反应器 流化床反应器（沸腾床反应器） 3、按设备结构形式分管式反应器 搅拌反应器（釜式反应器） 其它形式
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5.3 反应器类型
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5.3 反应器类型
推流式反应器（ PF 型） 或活塞流反应器(PFR)
������������ ������������
������
������
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5.2 化学动力学
【例5-2】半衰期计算。1,1,1 -三氯乙烷在地下环境的半衰期中为180 天，假设所有 的去除机理都是一级反应。计算 确定：①速率常数；②浓度降低到初始浓度10%时 的时间。 （1）速率常数可以从公式������1/2 = 从而，k=3.85×10-3d-1
物料平衡分析步骤
步骤1 —在单元过程中确定系统边界 步骤2—将己知的所有分支的流量和浓度、反应器的规格和类型、操作 条件，比如温度和压力等在图表中表示出来 步骤3—计算并转化所有己知质量的输入、输出、积累 步骤4—标出未知的输入、输出和积累 步骤5—利用本章阐述的过程，进行必要的分析/计算
法来解决：首先需要确定初始浓度和k值(两个未知数，两个方程）
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5.2 化学动力学
5.2.2半衰期
半衰期定：染物转化一半时所用的时间，对于一级反应来说， 半衰期(通常表示 为t1/2 )可以通过将CA和t代入到公式ln ������ ������ = −������������戜 ������ ������ = ������ −������������ 中而得到 ������1/2 = ������������������ 0.693 = ������ ������
式中， n 是反应级数，k是反应速率常数，γA是物质转化常数。如果反 应级数n=l ，则该反应是一级反应，反应速率和物质浓度成正比
k值越大，反应速率越快，需要反应体积越小；k 值随温度的变化而变 化，通常，温度越高， k 值越大。
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5.2 化学动力学
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5.2 化学动力学
5.2.1 速率方程
反应速率方程 ������������������ ������������ = = −������������������������ ������������ ������������������ = −������������������ ������������ = ������������
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5.3 反应器类型
在连续式反应器中，进料和出料都是连续的 大多数情况下，反应器都是在稳态条件下运行，这意味着反应器内的 进料流量、组分、反应条件、出料流量都不随时间而变化 大多数情况下在实验室里利用序批式反应器来研究反应动力学，以确 定k 值 通常反应器有两种理想类型:连续流搅拌式反应器(CFSTR) 和活塞流反 应器(PFR) ，它们通过混合条件来划分
式中， CA0 是物质A 在t= 0 时的浓度， CA是物质A在时间t 时的浓度
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5.2 化学动力学
【例5-1】己知两个浓度值， 计算速率常数。某场地5 天前发生意外的汽油泄漏， 某点的总石油烃浓度从最初始的3000 mg/kg 降低到了目前的2550m mg/kg. 浓度降 低的主要原因是自然生物降解和挥发。假设这两个去除过程均为一级反应，并且 反应速率常数与污染物浓度无关，为常数。预估计算浓度降低到100 mg/kg 需要多 长时间。 解题思路 只有初始浓度和第5 天的浓度己知，需要采取两步走的方式来解决这个问题: 首先，确定速率常数，再利用速率常数确定达到最终100 mg/kg 所需要的时间。 两个去除机理同时发生，并且都是一级反应。它们可以用一个方程和一个总 速率常数来表示 ������������ = −������1 ������ − ������2 ������ = − ������1 + ������2 ������ = −������������ dt
从而，t=598d
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5.2 化学动力学
【作业5-2】在某些情况下，衰减率表示为T90，而不是t1/2 。 T90是90%的物质转化所需要的时间(或者浓度降低到初始浓 度的10%所需要的时间。推导公式，将T90 和一级反应速率 常数联系起来。
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������
（2）浓度降低到100 mg/kg需要的时间t为 ������������ 100 = −0.0325 × ������ 3000
t=105 d
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5.2 化学动力学
【作业5-1】已知两个浓度值，计算速率常数。某场地的土 壤被泄漏的汽油污染，污染源去除10天之后，采集土壤样品， 测试污染物浓度为1200 mg/kg。20 天之后采集第二个样品， 浓度下降到800 mg/kg。假设一系列反应，包括挥发、生物 降解和氧化都是一级反应。计算在不采取任何修复措施的前 提下， 需要多长时间污染物浓度可以降低到100 mg/kg。 提示：题目给出了两个时间节点的两个浓度值。需要采取两步计算方
第5章 土壤修复反应器 设计
昆明理工