理想反应器CSTR-2
理想混合连续搅拌釜式反应器CSTR
VRi C Ai-1 - C Ai x Ai - x Ai-1 τ = = C A0 i ≡ V0 (-rAi ) (-rAi )
VR=ΣVRi 检验：i=1 n=1
i
C A0 C A1 C A0 xA (rA )1 (rA )
求解方法
解析法
按不同的反应动力学方程式代入依次逐釜进行计算，直至达到要求的 转化率为止。 例题讲解。
图解法
适用于级数较高的化学反应，特别适于非一、二级反应，但只适于（rA）能用单一组分表示的简单反应，对复杂反应不适用。
步骤： 1、作出（-rA）-CA曲线
2、从起点CA = CA0出发，以-1/τ1为斜率作直线，交曲线于一点，即第
一釜的操作状态CA1 3、过点(CA1 0)以-1/τ2为斜率作直线,与曲线交点为第三釜操作点.… 4、过点(CAN-1,0)以-1/τN为斜率作直线,与曲线交点为第N釜操作点CAN. 则出口转化率XAN=1- CAN / CA0 若已知CA0 、CAN 、N，求VR需用试差法。 若各釜体积相同，则各直线斜率相同。
单个连续操作釜式反应器（1－CSTR）
基础设计式
[A的积累量]=[A的进入量]-[A的离开量]-[A的反应量] 0 = FA0 Δτ - FA0 （1-xA’）Δτ-(- rA ) VR Δτ
VR x A FA 0 ( rA )
物料的平均停留时间：
VR x A C A0 V0 ( rA )
求解方法解析法由于反应器中的反应速率恒等于出口处值，因此结合反应动力学方程， 将出口处的浓度、温度等参数代入得到出口处反应速率，将其代入基础 设计式即得。 如：恒温恒容不可逆反应 n=0 n=1
1 C A 0 x A k
2-CSTRs 两相厌氧消化系统在不同乙醇回收率下的联合产能
2-CSTRs 两相厌氧消化系统在不同乙醇回收率下的联合产能万松;李永峰【摘要】以2-CSTRs(连续流搅拌釜式反应器)两相厌氧消化系统的能量转化率为主要研究对象，以氢气、乙醇及甲烷为目标产物，在不同有机负荷下，通过控制反应参数使产氢相反应器内部环境呈现乙醇型发酵状态，并将产氢相出水经回收乙醇后作为产甲烷相反应基质，研究在不同乙醇回收率下2-CSTRs两相厌氧消化系统产能效率.结果表明：当乙醇回收率在0~50%范围内时，系统产能率、能量转化率及基质降解率随乙醇回收率的增加而增加.当乙醇回收率控制在50%时系统可获得最佳运行结果，与未回收乙醇时相比，系统的日产能率平均高约32.63%，能量转化率平均高约17.53%，基质降解率平均高约12.85%.%With the energy conversion efficiency of 2-CSTRs (continuous stirred tank reactor) anaerobic digestion system as the study objectives, hydrogen, ethanol and methane as the target products, at different organic loading rates (OLRs), the ethanol-type fermentation was provided by controlling the available reaction parameters in hydrogen production phase, the treatment water of hydrogen production phase which was recovered ethanol served as the feed of methane production phase, and the energy conversion efficiency of the 2-CSTRs system were dug with different ethanol recovery rates (ERRs). The survey results indicated that energy conversion rate (εT), energy conversion yield (εY) and SDR essentially increased with increasing ERR of 0~50%. Compared with the regular anaerobic digestion system,εT,εY and SDR of the system with ethanol recovery have increased by 32.63%, 17.53% and 12.85% , respectively, with the ERR of 50%.【期刊名称】《中国环境科学》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】6页(P2027-2032)【关键词】连续流搅拌釜式反应器(CSTR);两相厌氧消化系统;基质降解率;能量转化率【作者】万松;李永峰【作者单位】东北林业大学生态研究中心，黑龙江哈尔滨 150040; 东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨 150040;东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨 150040【正文语种】中文【中图分类】X703.5工业进程的加速发展伴随着化石类燃料能源的巨大消耗及由此带来的环境污染［1］.因此，生物乙醇、氢气、甲烷等发酵产物因其自身的高热值、无污染等特性成为重点研究的替代性能源［2］.1971年，美国学者Ghosh和Pohland将发酵过程分为产酸相及产甲烷相，提出两相厌氧发酵系统，获得了氢气及更高的甲烷产量［3］.根据代谢产物的不同，产酸相发酵类型主要分为乙酸型发酵、丙酸型发酵、丁酸型发酵和乙醇型发酵［4］.从热力学角度考虑，乙醇是从产酸相进入产甲烷相的最适宜代谢产物［5］；同时研究显示，当发酵菌群以乙醇为主要液相末端产物时，系统氢气产率（HPR）最高［6］.因此将乙醇型发酵作为产酸相目标发酵类型是两相厌氧系统高效运行的基础.连续流搅拌釜式反应器（CSTR）具有传质率高、污泥保有量大、启动速度快等特点［7］，但在以往的研究中，上流式厌氧污泥床反应器（UASB）以其污泥浓度高、有机负荷（OLR）高等特点，成为联合制取生物发酵能源（氢气及甲烷）研究中普遍应用的反应器［8］，针对 CSTR反应器的研究主要集中在反应底物（糖蜜废水［9］、木薯废水［10］、食物发酵液［11］等）、反应参数［水力停留时间（HRT）［12］、pH值［13］、有机负荷［14］等］、载体类型（活性炭［15］、烧陶粒［16］等）等对HPR的影响.现阶段已证实两相厌氧系统能得到更高的发酵气体产量，但在能源转化率方面仍存在疑问.本实验利用CSTR反应器建立两相厌氧消化系统，将乙醇、氢气及甲烷作为目标产物，对在不同比例乙醇回收率下（ERR）的系统产能效率作对比研究，为了解两相厌氧系统产能潜能提供依据.1.1 实验装置本研究通过将两个CSTR反应器联接在一起构成“2-CSTRs两相厌氧消化系统”.产氢相反应器（HyCSTR）的有效容积为 5L，产甲烷相反应器（MeCSTR）的有效容积为3L.恒温装置将系统反应温度控制在（35±1）℃，利用输水泵控制反应系统的HRT及OLR，并连接温度计、氧化还原电位指示计等仪器监控反应条件.实验装置如图1所示.1.2 方法研究表明，两相厌氧系统适用于多种基质，其中以食品废水和高浓度有机废水应用较多［17］.本次实验接种污泥取自哈尔滨污水厂二沉池，经过滤、沉淀、淘洗后，加基质糖蜜废水（原水取自哈尔滨市某制糖厂排放废水，加有机肥调节COD：N：P=100：5：1，经自来水稀释至 COD= 2000mg/L，并调节pH=5.5±0.5）间歇好氧培养2周后接种进反应器，此时活性污泥SS为18.42g/L，VSS为10.95g/L. HyCSTR的HRT控制在6h，反应基质为上述调配后的废水，并阶段性控制OLR：第 1～37d为8kgCOD/（m3·d），第38～52d为16kgCOD/（m3·d），第53～70d为24kgCOD/（m3·d），第71～77d为32kgCOD/（m3·d）.MeCSTR反应基质为HyCSTR出水.为研究ERR与系统产能效率的关系，在进入下一反应阶段前，利用主要产物沸点的不同（乙醇沸点为78.4℃，乙酸沸点为117.9℃，丁酸沸点为163.5℃），HyCSTR出水需经水浴分离乙醇，ERR分别控制在0%、20%、50%及80% 4个系列.MeCSTR的HRT控制在24h.pH值、温度、SS和VSS等常规监测项目采用国家标准方法测定［18］；产气量利用湿式气体流量计（Model LML-1，Changchun Filter Co. Ltd.，Changchun，China）计量；气体组分利用气相色谱（SC-Ⅱ型）分析；液相组分利用液相色谱（GC112，Shanghai Anal. Inst.Co.）分析.2.1 HyCSTR的运行特征图2为HyCSTR在整个运行阶段中氢气产率（HPR，mol/d）、氢气比例（HP，%）、乙醇的产率（EPR，mol/d）及乙醇比例（EP，%）的变化.如图所示，在运行期间，当实验阶段在第1～70d时，OLR为8～24kgCOD/（m3·d），系统的HPR及EPR随OLR的增加呈现波动性增长，并在24kgCOD/（m3·d）时分别达到最大值： HPR为1.12mol/d，约占总产气量的41.98%；EPR为0.42mol/d，约占代谢产物总量的 45.88%.随着实验的进行，OLR的继续增加，HyCSTR的HPR及EPR持续下降.在显微镜下观察污泥的状态发现，系统运行至67d时，污泥呈团状，质地较紧实，絮凝状态及沉降性较好；当系统运行至72d时，污泥絮体开始解体，污泥上浮；至76d时，污泥解体现象越来越严重，出水中含有大量污泥，污泥系统显出冲洗现象，HyCSTR系统崩溃（图3）.HyCSTR在运行期间的 COD 去除率ηCOD（%），通过式（1）计算.式中：C0为初始COD浓度；CT为出水COD浓度.从图 4中可看出，HyCSTR系统启动初期ηCOD波动较大.第 1～3dηCOD呈现上升趋势，在4～7d迅速下降，这主要是因为启动初期系统中含氧量较为充足，为好氧反应，ηCOD较大；当氧逐渐耗尽，系统变为厌氧环境，菌群结构突变导致ηCOD急剧下降；8～13d时，因接种污泥中产甲烷菌的存在，ηCOD进入短暂的平稳期，并略呈上升趋势；随着反应的继续进行，系统内环境逐渐酸化，产甲烷菌受到抑制，ηCOD出现第二次骤降.启动后期，由于菌群结构逐渐稳定，污泥活性及污泥量不断增加，HyCSTR系统ηCOD升高，稳定在45%左右.图5为HyCSTR污泥活性，以VSS/SS表示.对比图2、图4、图5可以看出，在反应器运行稳定后的第28～52d内，OLR在8～16kgCOD/（m3·d）范围内变化时，污泥活性随系统OLR的增加而增加；第52d后，当OLR超过16kgCOD/（m3·d）时，污泥活性呈下降趋势，但由于此时污泥的VSS绝对值仍然较高，因此目标产物（氢气及乙醇）产率及ηCOD依然可以保持较高的状态.2.2 MeCSTR的甲烷产率及转换率图6表示不同ERR下的MeCSTR甲烷产量（MPR，mol/d）.由图6可见，当HyCSTR出水直接作为MeCSTR进水时，随OLR的增加，MPR总体呈现上升趋势.在启动初期的MPR波动较大，这是由于系统内微生物菌群结构尚不稳定，部分活性污泥被洗出.当优势菌群形成后，MPR呈规律性变化，最大MPR为0.34mol/d.当HyCSTR出水经乙醇回收后进入MeCSTR时，MPR大幅减低，与ERR成反比.如图所示，对比各OLR下的MPR，系统不经乙醇回收比ERR为50%时分别高20.71%、30.73%及35.46%，平均高约28.96%.且ERR越大，MeCSTR系统对冲击的适应时间越长，这是由于乙醇回收间接降低了进水pH值. 式（5）～式（8）［19］是基质代谢为甲烷的主要机制.从式中可以看出，H2和CO2是生产甲烷的基础，这也是乙醇降解后的主要产物，乙醇的回收减少了MeCSTR进水中乙醇的含量，同时HyCSTR内置的“固—液—气”三相分离装置将产生的氢气从反应系统中分离并收集.这两个过程在很大程度上减少了产甲烷菌的反应基质，而过低的 pH值抑制了产甲烷菌的活性，两个因素共同作用，影响了甲烷的产量.因此，当ERR达到80%时，甲烷产量最高只有0.12mol/d.表1为MeCSTR甲烷转化率及基质降解率［SDRM，kg COD/（m3·d）］，表2为 MeCSTR的VSS/SS及VSS变化.从表1可看出，在不同OLR及ERR条件下，MeCSTR的MY及ηCOD虽有波动，但波动范围较小，总体趋于稳定状态，只在ERR达到80%时出现大幅下降；SDRM总体呈现下降趋势.这说明，虽然乙醇回收过程改变了MeCSTR进水各组分的比例，但菌群结构趋于稳定，在ERR达到80%时前，菌群以产甲烷菌为优势；但随着 ERR的增加，MeCSTR进水COD的降低，菌群可用基质浓度的减少导致VSS绝对值的降低（如表2所示），因此在ηCOD及MY基本不变的情况下，SDRM呈现下降趋势.2.3 2-CSTRs两相厌氧消化系统的能量转化及基质降解图7为2-CSTRs两相厌氧消化系统在不同ERR下的日产能率（εT，kJ/d）.该结果基于系统目标产物的产率（PR，mol/d）以及它们的热值（Q，kJ/mol）.即：式中：QH=286kJ/mol，QEtOH=1366kJ/mol，QM= 890kJ/mol.由图7可知，总体而言，系统的εT随ERR的增加而增加，对比图6，虽然在HyCSTR出水不经乙醇回收时MPR最高，但由于εEtOH远远高于εM，因此系统ERR越高，εT越高；当ERR为80%、OLR 为 24kgCOD/（m3·d）时，系统εT达到最大值844.52kJ/d；与不经乙醇回收相比，在不同OLR下，分别高35.24%、34.95%及 37.65%，平均高约35.95%.但是相比 ERR为 51.12%时只分别高1.23%、2.58%及3.69%，平均高2.50%.对比图6可看出，ERR最高时，系统MPR较低，且波动较大，这是由于MeCSTR内pH值的降低影响了MPR，影响了εT.虽然较高的ERR带来较高的εT，但基于分离乙醇时所消耗的能量，该乙醇回收率不是获得高εT的最佳选择.图8表示系统在不同ERR下的SDR及能量转化率（εY，kJ/kgCOD）.从图8（a）可看出，在不同OLR及ERR下，MeCSTR的MPR虽然有所波动，但2-CSTRs两相厌氧消化系统的SDR总体却随着ERR的增加呈现上升趋势，这可能是基于两个原因：一方面分离的部分乙醇，在一定程度上起到了减少水中基质含量的作用；另一方面由于MeCSTR的进水负荷较低，减小了产甲烷菌的有机负荷，使产甲烷菌能长时间保持较高活性，提高了系统的SDR.但是就εY而言，如前所述，由于乙醇回收减小了产甲烷菌的可利用基质，并间接降低了MeCSTR的pH值，一定程度上抑制了产甲烷菌的活性，使MPR较低，从而导致系统的εY降低.如图8（b）显示，当ERR为50%时，系统的εY最高，在不同OLR下，系统的εY分别 2541.63kJ/kgCOD、 2221.89kJ/kgCOD及2057.52kJ/kgCOD，相比不经乙醇回收的εY分别高出17.00%、16.93%及18.67%，平均约为17.53%. 综合以上实验结果，当 ERR为 50%时，2-CSTRs系统可获得最佳运行结果.3.1 本实验2-CSTRs两相厌氧消化系统可承受的最大OLR为24kgCOD/m3·d；当OLR过高时，HyCSTR内因有机酸积累过多导致污泥絮体解体，系统崩溃.3.2 当HyCSTR系统OLR为24kgCOD/m3·d时可得到最大 HPR及 EPR，分别为：HPR为1.12mol/d，约占总产气量的 41.98%；EPR 为0.41mol/d，约占代谢产物总量的45.88%.3.3 MeCSTR系统MPR随ERR的增加而降低，污泥活性趋于稳定，污泥量则有明显下降趋势.3.4 当ERR为80%、系统OLR为24kgCOD/ m3·d时，两相系统的εT最高，达844.52kJ/d，但基于分离乙醇时所消耗的能量，该ERR并不是获得高εT的最佳选择.3.5 两相系统的SDR随ERR的增加而升高，εY则在ERR为50%时最大.3.6 在ERR为50%时，2-CSTRs两相厌氧消化系统可获得最佳运行结果，在OLR为8～24kgCOD/m3·d时，与不经乙醇回收相比，系统εT分别高33.59%、31.55%、32.74%，平均约为32.63%；SDR分别高14.19%、12.51%、11.86%，平均约为12.85%；εY分别高17.00%、16.93%、18.67%，平均约为17.53%.China Environmental Science，2015，35（7）：2027～2032【相关文献】［1］ Rai Pankaj K，Singh S P，etal. Biohydrogen production from cheese whey wastewater in a two-step anaerobic process ［J］. Appl. Biochem. Biotechnol.，2012，167（6）：1540-1549.［2］ Jung K W，Kim D H，etal. Bioreactor design for continuous dark fermentative hydrogen production ［J］. Bioresour. Technol.，2011，102：8612-8620.［3］ Lin C Y，Lay C H，etal. Fermentative hydrogen production from wastewaters： A review and prognosis ［J］. Int. J. Hydrogen. Energy，2012，37：32-42.［4］ Pakarinen O，Kaparaju P，Rintala J. The effect of organic loading rate and retention time on hydrogen production from a methanogenic CSTR ［J］. Bioresour. Technol.，2011，102：3-7.［5］ Hwang M H，Jang N J，etal. Anaerobic biohydrogen production from ethanol fermentation： the role of pH ［J］. Biotechnol.，2004，111：297-309.［6］ Ren N Q，Chua H，Chan S Y，etal. Assessing optimal fermentation type for bio-hydrogen production in continuous acidogenic reactors ［J］. Biores. Technol.，2007，98：74-80.［7］郑国臣，李建政，昌盛，等.ABR发酵系统运行特性及产氢效能研究［J］. 中国环境科学，2013，33（1）：75-81.［8］ Han W，Wang B，Zhou Y，etal. Fermentative hydrogen production from molasses wastewater in a continuous mixed immobilized sludge reactor ［J］. Biores. Technol.，2012，110：219-223.［9］ Luo G，Xie L，Zou Z H，etal. Anaerobic treatment of cassava stillage for hydrogenand methane production in continuously stirred tank reactor （CSTR） under high organic loading rate （OLR）. Int J Hydrogen Energy，2010，35：11733-11737. ［10］ Han W，Liu D N，Shi Y W，etal. Biohydrogen production from food waste hydrolysate using continuous mixed immobilized sludge reactors ［J］. BioresourceTechnology，2015，180：54-58.［11］ Ozlem S K，Delia T S. Effects of nitrobenzene concentration and hydraulic retention time on the treatment of nitrobenzene in sequential anaerobic baffled reactor （ABR）/continuously stirred tank reactor （CSTR） system ［J］. Biores. Technol.，2009，100：2162-2170.［12］李建政，苏晓煜，昌盛，etal. ABR pH对发酵系统的产甲烷活性抑制及产氢强化［J］.哈尔滨工业大学学报，2012，44（4）：63-66. ［13］李永峰，韩伟，徐菁利，等.利用OLR和pH调控快速建立生物制氢反应器［J］. 太阳能学报，2009，30（5）：708-712.［14］袁瑛，韩伟，周雅珍，等. CSTR厌氧发酵产氢系统中载体强化的研究［J］. 化工进展，2010，29：215-217.［15］ Jung K W，Kim D H，Shin H S. Continuous fermentative hydrogen productionfrom coffee drinks manufacturing wastewater by applying UASB reactor ［J］. Int. J. Hydrogen Energy，2010，35：70-78.［16］魏勃，刘文辉，袁林江.产氢产甲烷两相厌氧发酵的研究进展［J］. 工业水处理，2014，34（8）：10-13.［17］国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法［M］. 4版.北京：中国环境科学出版社，2002.［18］ Kim S H，Han S K，Shin H S. Optimization of continuous hydrogen fermentationof food wastes as a function of solids retention time independent of hydraulic retention time ［J］. Process Biochem，2008，43：3-8.［19］任南琪，马放.污染控制微生物学原理与应用［M］. 北京：化学工业出版社环境科学与工程出版中心，2003.［20］ Lay J J. Modeling and optimization of anaerobic digested sludge converting starch to hydrogen ［J］. Biotechnol.，Bioeng.，2000，68：69-78. ［21］ Yu H，Zhu Z，Hu W，Zhang H. Hydrogen production from rice winery wastewater in an upflow anaerobic reactor using mixed anaerobic cultures ［J］. Int. J. Hydrogen Energy，2012，27：59-65. ［22］吕凡，蔡涛，朱敏，等.蔬菜类废物两相厌氧消化水解酸化相颗粒降解规律［J］. 中国环境科学，2014，34（10）：2610-2616.［23］王博，王淑莹，袁悦，等.典型酸碱条件下 NO2-对剩余污泥水解产酸的影响［J］. 中国环境科学，2014，34（9）：2252-2258.资源生态修复资源化研究.发表论文3篇.。
AspenPlus应用基础-反应器-2
1、模型设定 (Specifications) 模型设定 2、反应器构型 (Configuration) 、 3、化学反应 (Reactions) 、 4、压力 (Pressure) 、
RPlug — 模型设定(1) 模型设定(1)
设定反应器类型，共有五种类型： 设定反应器类型，共有五种类型： 1、指定温度的反应器 (Reactor with specified temperature)，有三种方式设定操作温度： ，有三种方式设定操作温度： 1) 进料温度下的恒温 (Constant at inlet temperature) 2) 指定反应器温度 (Constant at specified reactor temperature) 3) 温度剖形 (Temperature Profile)，指定沿反应器长 ， 度的温度分布
反应速率方程式如右： 反应速率方程式如右： 式中： 式中：
− rA = kC AC B
kmol / m 3 ⋅ s
m 3 / kmol ⋅ s
1.15 × 108 1 1 k = 0.08186 exp − − R T 700
压降可忽略。 反应器长5米、内径0.5米，压降可忽略。加料为丁 二烯和乙烯的等摩尔常压混合物， 二烯和乙烯的等摩尔常压混合物，温度为440°C。如 ° 果反应在绝热条件下进行， 果反应在绝热条件下进行 ， 要求丁二烯的转化率达 到12%，试求环己烯的产量 。
RCSTR— RCSTR—全混釜反应器
性质：釜内达到理想混合。可模拟单、 两、三相的体系，并可处理固体。 可同时处理动力学控制和平衡控 制两类反应。 用途：已知化学反应式、动力学方程和 平衡关系，计算所需的反应器体 积和反应时间，以及反应器热负 荷。
理想混合连续搅拌釜式反应器(CSTR)
理想混合状态
物料在反应器内达到完全混合，不存在浓度和温度 的梯度分布。
反应器内各点的物料性质（如浓度、温度等）完全 相同，且随时间保持不变。
在理想混合状态下，反应器的性能达到最优，反应 效率和产物质量得到保证。
03
CSTR反应器的数学模型
物料平衡方程
进入反应器的物料流量与离开 反应器的物料流量相等，即输 入等于输出。
用于连续加入反应物和排出产物，实现连续化生产 。
工作流程
01
02
03
04
物料进入
反应物通过进料口连续加入反 应器内。
充分混合
在搅拌装置的作用下，物料在 反应器内充分混合，达到浓度 和温度的均匀分布。
反应进行
在适宜的反应条件下，物料在 反应器内进行化学反应。
产物排出
反应完成后，产物通过出料口 连续排出反应器。
100%
平均停留时间
表示物料在反应器内的平均停留 时间，影响反应器的生产能力和 产品质量。
80%
停留时间分布曲线
通过实验测定，可直观反映反应 器内物料的停留时间分布情况。
转化率与选择性
转化率
表示原料在反应器内转化为产 品的程度，是衡量反应器性能 的重要指标。
选择性
表示在给定转化率下，生成目 标产物的能力，反映反应器的 选择性能。
THANK YOU
感谢聆听
缺点与挑战
能耗较高
连续搅拌过程需要消耗大量能量，导致CSTR反应器的能耗相对较 高。
设备复杂度高
CSTR反应器结构复杂，涉及搅拌、传热、传质等多个过程，设备 设计、制造和维护难度较大。
放大效应
在将实验室规模的CSTR反应器放大至工业生产规模时，可能会遇到 放大效应问题，影响反应器的性能和产物质量。
CSTR反应器
◆CSTR体系性质均一，不 随时间而变，可就整个反 应器进行物料衡算，而且 单位时间可以任取。 ◆连续操作的物料累积量 为零。
CSTR反应器
CSTR优缺点分析
CSTR优点：
*实现了连续反应，可 实现自动化操作； *节约了加料和进料的 时间；
Hale Waihona Puke CSTR缺点：*反应物一直处于低浓 度，反应速率较低； *操作条件比较苛刻， 要保证操作时温度压力 等参数恒定不变。
*也可实现固固反应；
*可实现反应物的充分 接触。
CSTR优缺点分析
CSTR反应器的放大
根据空时定义：
VR/Vso
要使得空时不发生变化，在反应器体积VR应与 进料流量Vso成正比。
CSTR反应器放大的原则
*保证放大前后反应器内浓度分布相同； *保证反映的温度放大前后不变。
CSTR反应器的放大
2014年3月cstr反应器的特点浅析右下图为cstr进出料模型cstr反应器满足进料等于出料进料浓度为c1出料浓度为c2进料瞬间浓度变为c2釜内返混无穷大
CSTR反应器的特点浅析
报告人：陈佳达 导师：曹发海
2014年3月
右下图为CSTR进出料模型
满足进料等于出料，进料浓 度为C1，出料浓度为C2，进 料瞬间，浓度变为C2，釜内 返混无穷大。
谢谢！
报告人：陈佳达 导师：曹发海 2014年3月
水质工程学计算题题型及相关计算公式
《水质工程学》计算题题型、相关计算公式及习题一、化学反应动力学 1、反应器水力停留时间计算完全混合间歇式反应器CMB)ln(10iC C k t =完全混合连续式反应器 CSTRnt T kt C C t Q V C C k t nn i⨯=+=⨯=-=)11()1(100活塞流式反应器（推流式反应器） PF)ln(10iC C k t =【题型举例】1、已知化学反应符合一级反应动力学，要求经过反应后某污染物质浓度下降90%，反应速率k =0.45min -1，若采用理想CSTR 型反应器，需要多少反应时间？若采用PF 反应器需要多少反应时间？2、已知化学反应符合一级反应动力学，要求经过反应后某污染物质浓度下降99%，反应速率k =0.45min -1，若采用恒流搅拌串联型反应器，已知串联级数是3级，求污水在该串联型反应器系统中的水力停留时间。
3、已知进入反应器的废水量为Q=4000m 3/d ，进水浓度为C 0=100mg/L ，要求经处理后的出水浓度C e ≤20mg/L 。
假定反应器中的反应为一级反应，反应速率常数K=0.8d-1。
试比较下列四种系统所需的反应器总容积。
（1）单级完全混合反应器（CSTR ）（2）两级串联完全混合反应器（CSTR ）（3）四级串联完全混合反应器（CSTR ） （4）推流式反应器（PF ） 4、（1）设物料i 分别通过CSTR 型和PF 型反应器进行反应，进水和出水中I 浓度之比为C 0/C e =10，且属于一级反应，k=2h -1。
水流在CSTR 型和PF 型反应器内各需多少停留时间？（注：C 0—进水中i 初始浓度；C e —出水中i 浓度） （2）若采用4只CSTR 型反应器串联，其余条件同上。
求串联后水流总停留时间为多少？5、液体中物料i 浓度为200mg/L ，经过2个串联的CSTR 型反应器后，i 的浓度降至20mg/L 。
液体流量为5000m 3/h ；反应级数为1；速率常数为0.8h -1。
第六讲 理想反应器2
CA
CA0
图3-4-1 分批式反应器与全混流反应器性能对比
对于分批式完全混合反应器，由图3-4-1中曲 线 AB 下面阴影部分的面积可求出完成额定转化 率所需反应时间t：
CA 0
dCA t CA (rA )
对于全混流反应器，由矩形CA0DBCA所围的 面积可求得所需的空时τ：
了浓度CA---整个反应过程都是在CA浓度下进行。
化学反应在不同反应器中的有效性可
以有各种各样的表述方法，但针对不同操
作模式，以完成相同产物转化量 xA 所需反
应时间 t 为考察指标，通过它们的大小来评
价反应器性能优劣，是较为适当的。
显然，如果反应级数大于零*，则对于分批
式操作，反应过程如图 3-4-1 所示的 AB 弧线，
2 1 - xA
3 (1 - xA)2
2[(1 x A ) 0.5 (1 x A )] xA
应用该表所列的公式，可计算在各个n值下η随
xA的变化，结果如图3-4-2所示。
n = -1
1.0 0.8 0.6 0.4
n=0
0.5
2 3 1
0.2
0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
V(-rA )(-Hr ) - UA(T - Tm ) T0 T 0CP
0.75 (18 0.4) 20921 209.2 5.0 (35.41 25) 35.41 3 1050 2.929
= 24.35℃ 即原料液起始温度T0应设定为24.35℃。
V CA0 x A xA 0 kCA k(1 x A )
可得：
0 x A 10.783 0.70 V 27.349m3 k(1 x A ) 0.92 (1 0.70)
连续操作釜式反应器(CSTR)的计算
VR CA0 CA CA0 xAf
V0 (rA ) f (rA ) f
第六章 离婚制度
二、离婚制度的历史沿革
(一)外国离婚制度的历史沿革
1.禁止离婚主义 2.许可离婚主义
(1)专权离婚主义 (2)限制离婚主义 (3)自由离婚主义
பைடு நூலகம்
第一,有责离婚主义 第二,无责离婚主义
二、离婚制度的历史沿革
(二)我国离婚制度的历史沿革
1.我国古代的离婚制度
(1)七出 (2)和离 (3)义绝 (4)诉离
2.我国近代的离婚制度
(1)两愿离婚 (2)判决离婚
3.我国现代的离婚制度
第二节
协议离婚
一、协议离婚的概述
(一)协议离婚又称为登记离婚或自愿离婚,是指夫妻双 方在协商一致的基础上,按照行政程序解除婚姻关系的 离婚方式。
反应器内，物 料的浓度和温度处 处相等，且等于反 应器流出物料的浓 度和温度。
CA CA,in
time
CA, out
0
CA CA,O
t tresidence time
position
CA, out
0
t
x
一、单个连续操作釜式反应器的计算（1－ CSTR）
基础设计式
取整个反应器为衡算对象
0
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
CA0 xA kCA0 (1 xA)
xA k(1 xA)
CA0 xA kCA02 (1 xA)2
xA kCA0 (1
xA ) 2
二、多个串联连续操作釜式反应器 （N－CSTR）
为什么要采用N－CSTR代替1－CSTR？ 由于1－CSTR存在严重的返混，降低了反应
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1
1
1 xA1 3 1 xA2 2 1 xA1 2
解上式得： xA1=0.702
VR1
v0 x A1 kCA0 (1 xA1 )2
2.77m3
VR2
v0 x A2 x A1 kCA0 (1 xA2 )2
3.88m3
VRT 6.65m3
得到N-1个方程，从中即可求出使τ最小的条件 （总空时最小时，串连反应器的总体积也必然是最小的）
如：对xA1求偏导
x A1
C
A0
1 rA1
x
A1
1 rA1
x A1
C
A0
1 rA2
x A1
xA2
x A ,i x A,i1 rAi
N
C A,N 1 C A,N rAN
C A0
x A,N x A,N 1 rAN
注：分配各 釜出口转化 率，实际上 是在确定各 釜空时，也 即在确定各 釜的体积， 使总反应体 积最小。
串联后的总空时：
即对于一级不可逆反应的多釜串联反应器总体积最小的条件是： VR,i=VR,i+1
例题11 在两级串联全混流反应器中进行液相反应A+BR，反应物
料按等摩尔比配成，反应速率 rA kCACB kCA2 ，
速率常数k=9.92m3.kmol-1.s-1，加料速率为0.278m3.s-1,反应物浓 度为0.08kmol.m3，反应维持在25℃恒温下进行，A的转化率为 87.5%，
试求：
（1）两个全混流反应器的体积相同；
（2）两个全混釜的总反应体积最小；
这两种情况下的反应器体积各为多少？
解：
（1）两个CSTR串联，且V1=V2，则：
v0C A0 xA1 xA0
kCA20 (1 x A1 ) 2
v0C A0 x A2 x A1 kCA20 (1 x A2 ) 2
xA1
1
rA2
0
1 rA1
1 rA2
1 rA1
x A1
x A1
该项等于 多少？请
思考
对于任意xAi顶均可得到类似结果：
1 rA,i
x A,i
x A,i
1 x A,i1
1 rA,i1
x A,i x A,i1 x A,i1 x A,i (1 xA,i ) (1 xA,i1 )
也即:
v0 x A,i x A,i1 x A,i1 x A,i v0 k (1 xA,i ) (1 xA,i1 ) k
上式表明：当第i釜与第i+1釜反应器体积相等时，总反应器体积最小。
CA0
1 (1
x
A,i
)
x A,i
x A,i
1 x A,i1
1
kCA0 (1 xA,i1 )
1
kCA0 (1 xA,i )
整理上式
1
1
x A,i1 x A,i
(1 x A,i ) 2 x A,i x A,i1 (1 x A,i1 )(1 x A,i )
N
i
i 1
C A0 xA1 C A0 xA2 xA1 C A0 xA,i xA,i1 C A0 xA,N xA,N 1
rA1
rA2
rAi
rAN
上式各釜出口转化率求偏导并令其等于0
§3.6 全混流反应器最佳反应体积
§3.7 全混流反应器的热衡算与热稳定性
(1)全混流反应器的热衡算方程（操作方程） (2)全混流反应器操作的热稳定性分析 (3)全混流反应器热稳定性判据
§3.6 全混流反应器最佳反应体积（解释一下为何存在这么个问题）
处理物料量v0、进料组成及最终转化率xAf是在设计反应器 前确定了的。当级数限定后，则总希望合理分配xAi，使 所需的反应体积最小。 对于由N釜串联的全混流反应器系统，各釜空时分别为：
1 rA,i
i 1,2,3, N
上式即为满足总容积最小的条件，实质上就是如何分配xAi 使总空时最小，进而使总反应体积最小的偏微分方程。
有一个特例，见下页
对于一级不可逆反应：
rA kCA0 (1 xA )
1
1
rA kCA0 (1 xA )
k
（2）两个CSTR反应器体积最小： 根据反应体积最小的条件，即：
1 rA,i
x A,i
x A,i
1 x A,i1
1 rA,i1
1 rA,i
i 1,2,3, N
对于第一釜，上式左边有：
1 rA1
x A1
1
C A0 C A1 rA1
C A0 x A1 rA1
2
C A1 C A 2 rA2
C A0
x A 2 x A1 rA2
i
C A,i1 C A i rAi
C A0
Return
§3.7 全混流反应器的热量衡算与热稳定性
(1)全混流反应器的热衡算方程（操作方程）
x A1
1
kCA20 1
x A1 2
2
kCA20 1
x A1 3
2
kCA20 1 xA1 3
1 x A1 x A0
k CA2 0
1
1
x
A2
2
1
k CA2 0
1
x
A1
2
即 : 2xA1 xA0
将xA0=0，xA2=0.875代入上式
xA1 1 0.875 2 1 xA1 2 0.875 xA1
xA A0 x A1 x A0 kCA20 (1 x A1 ) 2
3.36m3
故反应总体积为：VR=2VR1=6.72m3。