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[工学]第五章间歇式操作反应器

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间歇反应器

间歇反应器

加氢结果的检测,可以用与碘值有关的折射指数仪表在线检测,也可以直接用氢气的消耗量流量计进行标定。 棉子油加氢是一个非常复杂的化学反应,这是因为它既受化学过程的约束,又受传质过程的约束 。
的控制
应用动态规划分析方法求出了间歇反应器从初始状态转移到最终状态多阶段决策过程。时间为最优的控制压 力序列。
感谢观看
பைடு நூலகம்
简介
在化工生产过程中,对于大批生产通常采用连续反应器。对于批量生产,特别是不同规格和产值高的产品,往 往采用间歇反应器。间歇反应器具有操作灵活、生产可变、投资低、上马快等特点。因此广泛应用于医药、农药、 染料和各种精细化工工业。由于分子量的分布是聚合物生产中的一个重要质量指标，因此橡胶、塑料生产中的聚 合反应最宜用间歇生产-的方式控制。在反应物和生成物中经常发生粘度的巨大变化(如爆聚现象)，也往往迫使 反应器要停下清理 。
步骤
间歇反应器生产过程包括如下几个步骤： (1)将反应物和催化剂装入反应器，需要控制一定的量来保证反应容器中有足够的反应空间，防止反应器超 压。 (2)加热到操作温度。应采用一个联锁装置，禁止在反应器中的物料达到反应温度条件以前就添加反应物。 (3)终止反应。这通常要几小时。
的时间控制
间歇反应器的产品质量很不稳定,设备生产能力也相差很大,因人而异。这样,间歇反应器的自动控制间题就 显得格外重要,无疑,其发展的重要方向就是应用微型计算机实现最优控制。
间歇反应器
冶炼领域的化学反应装置
01 简介
03 的时间控制 05 的控制
目录
02 步骤 04 过程
间歇反应器是指间歇进行化学反应的装置。在化工生产过程中,对于大批生产通常采用连续反应器。对于批量 生产,特别是不同规格和产值高的产品,往往采用间歇反应器。间歇反应器具有操作灵活、生产可变、投资低、上 马快等特点。因此广泛应用于医药、农药、染料和各种精细化工工业。
间歇操作釜式反应器

间歇操作釜式反应器


06
安全与维护
安全操作规程
01
02
03
04
操作前检查
确保釜式反应器及其附件完好 无损，检查电源、气源等是否
正常。
严格控制工艺参数
如温度、压力、液位等，防止 超温、超压、溢锅等事故发生
。
操作中监护
操作人员应时刻关注釜式反应 器的运行状态，发现异常及时
处理。
操作后清理
对釜式反应器进行彻底清洗， 确保无残留物，保持设备清洁
。
定期维护保养
日常保养
每天对釜式反应器进行外观检查，确 保设备无异常；定期清理设备表面污 垢和残留物。
定期检查
根据设备使用情况，定期对釜式反应 器的关键部件进行检查，如传感器、 密封件、轴承等。
润滑保养
定期对釜式反应器的轴承、链条等运 动部件进行润滑保养，确保设备正常 运行。
维修保养
根据设备磨损情况，对釜式反应器进 行维修保养，更换磨损严重的部件， 确保设备性能稳定。
取样与分析
定期从反应器中取出样品 进行分析，以了解反应进 程和产物性质。
后处理阶段
冷却与出料
清洗与整理
待反应结束后，将反应器冷却至适宜 温度，然后打开反应器将产物取出。
对反应器进行彻底清洗，整理设备并 做好记录，为下一次操作做好准备。
分离与提纯
根据产物的性质和后续应用需求，进 行分离、提纯和精制操作，得到目标 产物。
间歇操作釜式反应器
• 简介 • 类型与结构 • 操作流程 • 影响因素 • 应用领域 • 安全与维护
01
简介
定义与特点
定义
间歇操作釜式反应器是一种在一定条 件下进行化学反应的设备，通常用于 小规模或中等规模的实验室或工业生 产。
制药工程学各章习题

制药工程学各章习题

第一章制药工程设计概述一、名词解释1. 项目建议书2. 可行性研究报告3. 设计任务书4. 两阶段设计5. 试车二、简答题1. 简述工程项目从计划建设到交付生产所经历的基本工作程序。

2. 简述可行性研究的任务和意义。

3. 简述可行性研究的阶段划分及深度。

4. 简述可行性研究的审批程序。

5. 简述设计任务书的审批及变更。

6. 简述设计阶段的划分。

7. 简述初步设计阶段的主要成果。

8. 简述初步设计的深度。

9. 简述初步设计的审批及变更。

10. 简述施工图设计阶段的主要设计文件。

11. 简述施工图设计阶段的深度。

12. 简述制药工程项目试车的总原则。

第二章厂址选择和总平面设计一、名词解释1. 等高线2. 风向频率3. 主导风向4. 风玫瑰图5. 建筑系数6. 厂区利用系数7. 绿地率8. 生产车间9. 辅助车间10. 公用系统10. 地理测量坐标系11. 建筑施工坐标系12. 空气洁净度13. 洁净厂房二、简答题1. 简述厂址选择的基本原则。

2. 简述厂址选择程序。

3. 简述厂址选择报告的主要内容。

4. 简述总平面设计的依据。

5. 简述总平面设计的原则。

6. 简述总平面设计的内容和成果。

7. 简述GMP对厂房洁净等级的要求。

8. 简述洁净厂房总平面设计的目的和意义。

9. 简述洁净厂房总平面设计原则。

第三章工艺流程设计一、名词解释1. 报警装置2. 事故贮槽3. 安全水封4. 爆破片5. 安全阀6. 溢流管7. 阻火器8. 载能介质9. 设备位号10. 仪表位号10. 就地仪表11. 集中仪表二、简答题1. 简述工艺流程设计的作用。

2. 简述工艺流程设计的任务。

3. 简述工艺流程设计的基本程序。

4. 简述连续生产方式、间歇生产方法和联合生产方式的特点。

5. 简述工艺流程设计的成果。

三、设计题1. 离心泵是最常用的液体输送设备，常通过改变出口阀门的开度来调节其输出流量，试确定该方案带控制点的工艺流程图。

《间歇釜式反应器》课件

《间歇釜式反应器》课件


间歇釜式反应器的结构
罐体
由高强度材料制成的容器，抗压能力强。
搅拌系统
通过搅拌使反应物充分混合，加快反应速度。
加热夹套
提供反应所需的温度条件，确保反应进行。
冷却系统
用于控制反应器的温度，防止过热。
间歇釜式反应器的工作原理
1
装填反应物
将反应物加入反应器中，并密封好。
加热反应
2
通过加热夹套提供反应所需的温度。
《间歇釜式反应器》PPT 课件
什么是间歇釜式反应器
间歇反应器与连续反应器的区别
1 时间
间歇反应器在一段时间内完成反应，而连续反应器是持续进行。
2 反应条件
间歇反应器可以容易地进行反应条件的调整，而连续反应器则需要更稳定的操作。
3 产品输出
间歇反应器一次性产出一定量的产品，而连续反应器可以持续输出。
3
搅拌反应物
使用搅拌系统使反应物充分混合。
冷却反应物
4
通过冷却系统控制反应器的温度，使反 应停止。
常见的间歇釜式反应器的应用领域
化工
用于合成化学物质，例如合 成聚合物。
制药
在药品加工
用于食品加工过程中的小批 量反应。
间歇釜式反应器的优缺点
1 优点
灵活性高，能适应不同的反应条件和物料。
2 缺点
生产效率相对较低，需要一定的操作时间。
总结
间歇釜式反应器在化工、制药和食品加工等领域有广泛的应用，其结构简单，工作原理清晰，灵活性高，是一 种重要的反应器类型。
第5章 间歇式反应器05

第5章 间歇式反应器05


• 3. 衡算方程 必须在控制体积内进行。 • 物料衡算： • 积累＝进入－流出＋产生－消耗 • 能量衡算： • 积累＝输入－输出＋产生－消耗
5.2 间歇操作搅拌槽式反应器 （BSTR）
• Batch Stired Tank Reactor • 间歇操作搅拌槽式反应器的操作时间系由反应时间和辅助时间 两部分组成。 • 反应时间 tr，即开始进行反应直到达到所要求的反应程度为止 所需要的时间，常以 tr表示，它的大小与该反应的动力学与所 要求的反应程度有关；可通过动力学模型进行计算。， • 辅助操作时间tb，包括装料、灭菌、卸料、清洗等所需时间之 总和，以tb表示。tb是根据生产经验来确定的。 • 间歇搅拌槽式反应器，有两个主要特性：一是在反应进行过程 中无物料的输人和输出；二是反应器内物料充分混合，浓度、 温度均一，而且反应物系的浓度仅随反应时间而变化。因此可 以对整个反应器做物料平衡。
tr
（5－17）
LVR
tr
dCS (1 L )VRrS dt
L C 1 K m ln S 0 CS 1 L rmax
（5－21）
• 对于内扩散阻力可忽略的M－M方程：
• 积分:
L 1 L

X
1 dC CS0 r S
C
S
S
1 C tr L [(CS0 CS ) Km ln S0 1L rmax CS
• 3）大型化生物反应器的开发研究。 生物反应 器正向大型化方向发展。例如：生产抗生素的 发酵罐容积已达400m3，氨基酸的达300m3， 生产单细胞蛋白的气升式发酵罐达2300m3， 处理废水的生化反应器的容积甚至超过 27000m3，国内生物反应器的容积多在200m3 以下。反应器的放大降低了生产成本，但大型 反应器的设计还存在一定的技术问题亟待解决； • 4）特殊要求的新型生物反应器的研制开发。 ）特殊要求的新型生物反应器的研制开发 如基因产品生产、细胞固定化及动植物细胞培 养的工业反应器，固体发酵反应器、边发酵边 分离反应器等的开发研制。 • 5）反应条件的检测与自动控制。
第五章间歇式操作反应器

第五章间歇式操作反应器


XS

cS cs0 cs0
tr
cS0
X S dX S 0 rS
表示反应组分转化至一定程度所需的反应时间，它取
决于反应速率的大小，反应速率越大，反应时间越小
1 均相酶反应过程
如酶反应为单底物无抑制反应，且动力学关系符合M-M方程
rp

k2cE0


cS
cS KM


rP ,m a x
例如对均相酶反应，假定其动力学符合M—M方程，如果不考 虑酶的失活，产物的初始浓度cP0=0：
4.2.3 有效体积的计算
t tr tb
V0

Pr cS0 XS
VR V0 (t r t b )
举例5-2
4.3 反应过程的流体力学
4.3.1 反应介质的流变特性
一．牛顿型流体
表观黏度
在克服各阻力进行氧传递时，要损失推动力。氧传递过程 的总推动力是气相与细胞内氧分压之差。达到稳态时，各 步单位面积上氧的传递速率相等
nO2

推动力 阻力

Δp1 R1

Δp2 R2

Δps Rs
传递系数 推动力
K1Δp1 K2 Δp2 Ks Δps
四．氧传递速率方程
②确定最佳的操作条件与控制方式，如温度、压力、PH、通气 量、物料流量等工艺参数；
③计算所需的反应器体积，设计各种结构参数等。
反应器设计的核心内容是确定反应器有效体积
反应器设计基本方程包括反应动力学方程、物料衡
算式、能量衡算式和各种传递过程参数的计算式。
VREACTOR

生产任务 推动力 /阻力
反应器操作与控制基础知识—反应器的操作方式

反应器操作与控制基础知识—反应器的操作方式

的特点
①是一非定态过程，反应器内物系组 成随时间而改变
②适合于小批量、多品种的产品生产
③不易实现自动化控制，劳动力多
④设备简单
⑤设备利用率低
二、操作方式的特点—— 2.连续操作的特点
二、操作方式的特点——2.连续操作的特点
连续操作的一般流程
01
连续进料
02
03
连续反应
连续出料
温度等的控制
二、操作方式的特点——2.连续操作的特点
连连续式式 操操作作方方 式式
的的特特 点点
①多属于定态操作，反应器内各种物系参数 不随时间而变，但随位置而变
②适合于大规模生产
③便于实现自动化控制，品质量均一
④设备结构复杂
⑤设备利用率高
二、操作方式的特点——3.半连续（半间歇）操作的特点
原料与产物只要其中的一种为连续输入或输出而其余则为分 批加入或卸出的操作均属半连续操作，相应的反应器称为半连续反 应器或半间歇反应器。
《化学反应器操作与控制》
非理想流动
非理想流动模型
理想流动模型
理想置换模型
(a) 间接换热式
二、操作方式的特点——1.间歇操作的特点
二、操作方式的特点——1.间歇操作的特点
间歇操作的一般流程
01
02
03
04
05
06
准备
投料
升温
反应
出料
清洗
关键步骤
二、操作方式的特点——1.间歇操作的特点
间歇式 操作方式
半连续操作具有连续操作和间歇操作的某些特征： 有连续流动的物料，也有分批加入或卸出的物料，因此半连
续反应器的反应物系组成必然既随时间而改变，也随反应器内的位 置而改变。
化工第五章化学反应

化工第五章化学反应


2.按操作方法分类：
可分为间歇、半间歇、连续式三种。
操作特点：原料一次加入，经过一定时间后，反应产物一次卸出。 间歇反应器 生产特征：反应程度和反应物的性质均随时间而变化。 操作特点：一种原料一次加入，另外的反应物以一定的 速度连续地加入，反应后将产物全部卸出。 生产特征：反应程度和反应物的性质均随时间而变化。
反应器选型、 设计和优化
数学 模型
流动 模型
对实际过程 的简化
反应器中的 流动状况影 响反应结果
建立模型的 基本方法
理想 模型
非理想 模型
理想气体 状态方程
二、化学反应器的分类：
1.按反应器的结构型式分类： 这种分类的实质是按传递特性分类，反映出不 同的反应器中最基本的传递过程的差别。按 反应器的结构特征，常见的工业反应器可分 为釜式、管式、塔式。固定床式、流化床式 和移动床式。 书141页图
rA=k
cA x A k
xA kcA0( 1 x A ) cA0 cA 1 xA
反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积
VR=qv (τ+τ′)
实际操作时间=反应时间(τ) + 辅助时间 (τ’)
上式称为反应器的设计方程，代入动力学方程积分就可算出 t。 若动力学方程复杂，可采用数值积分或图解积分。
原料 产物
物理处理
化学处理
物理处理
循环
第一节
一、化学反应工程学：
概述
1.化学反应工程发展概况： 远在古代，人们就开始利用化学反应，如陶器的制作、 酒与醋的酿造、金属的冶炼以及炼丹、造纸等等，然而， 这些生产过程直到上世纪五十年代还未形成一门独立的学 科，其原因是由于人类还没有能够从种类繁多、看起来似 乎毫不相干而又变化多端的反应过程中，认清它们的共同 规律。 科学技术的发展，特别是二战后石油化工的发展，对化 学反应器的设计产生了迫切要求，而化学动力学研究的进 展和化工单元操作方面的理论和实践经验的日趋成熟，才 使这类问题的系统解决有了可能。
5.2 化学反应器的控制

5.2 化学反应器的控制


第五章
精馏塔控制系统
（2）反应器进料的比值控制系统。反应器进料的比值 控制系统与一般的比值控制系统完全相同。但是，在控制 物料B的流量时，工艺上提出了以下限制条件： ① 反应器温度低于结霜温度时，不能进料； ② 若测量出的比值过大，不能进料； ③ 物料A的流量达到低限以下时，不能进料； ④ 反应器液位达到低限以下时，不能进料； ⑤ 反应器温度过高时，不能进料。 显然，应用选择性控制系统可以实现这五个工艺约束 条件，具体实施方案有多种。但是，它们的动作原理均鉴 于当工况达到上述安全软限时，由选择性控制器取代正常 工况下的比值控制器 F f C 的输出，从而切断B的进料。在 此不作详细介绍。
第五章
精馏塔控制系统
（3）反应器冷却剂量或加热剂量的控制。当反应物的 流量稳定后，由反应物带入反应器的热量就基本恒定，如 果能够控制放热反应器的冷却剂量或吸热反应器的加热剂 量，就能够使反应过程的热量平衡，使副反应减少，及时 地移热或加热，有利于反应向正方向进行。因此，可采用 对冷却剂量或加热剂量进行定值控制或将反应物流量作为 前馈信号组成的前馈-反馈控制系统。 （4）化学反应器的质量指标是最主要的控制目标。因 此，对反应器的控制，主要被控变量是反应的转化率或反 应生成物的浓度等直接质量指标，当直接质量指标较难获 得时，可采用间接质量指标。例如，将温度或带压力补偿 的温度等作为间接质量指标，操纵变量可以采用进料量、 冷却剂量或加热剂量，也可以采用进料温度等进行外围控 制。
化学反应在化学反应器中进行，化学反应器是化工生产 中的重要设备之一。化学反应器的类型很多，按照反应器进、 出物料的状况，可分为间歇式与连续式两类。间歇式反应器 通常应用于生产批量小、反应时间长或反应的全过程对反应 温度有严格程序控制要求的场合。间歇式反应器的控制大多 应用时间程序控制方式，即设定值按照一个预先规定的时间 程序而变化，因此属典型的随动控制系统。目前，用于基本 化工产品生产的相当数量的大型反应器均采用连续的形式， 这样可以连同前后工序一起连续而平稳地生产。对于连续式 反应器，为了保持反应的正常进行，希望控制反应器内的若 干关键工艺参数（如温度、成分、压力等）稳定。因此，通 常采用定值控制系统。 由于化学反应过程伴有化学和物理现象，涉及能量、物 料平衡及物料动量、热量和物质传递等过程，因此化学反应 器的操作一般比较复杂。反应器的自动控制直接关系到产品 的质量、产量和安全生产。
第五章 间歇式操作反应器

第五章 间歇式操作反应器


对底物，有
进入体 离开体 体系内 体系内 体系内累积 底物质量 系的底 系的底 生成的 消耗的 物质量 物质量 底物量 底物量
对细胞，有
体系内累 进入体系 离开体系 体系内生 积细胞质量 细胞质量 细胞质量 长细胞质量
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2013-8-21
第5章 生化反应器设计与分析>>5.1生化反应器设计概论
NS——底物的质量，g或mol VR——BSTR的有效体积， VR=常数
2013-8-21
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第5章 >> >>5.2间歇操作搅拌槽式反应器（BSTR）
一、BSTR的反应时间
对上式积分， B.C. t=0，CS=CS0 ， t=tr，CS=CS ， 反应时间为: C dC S tr C rS
重要概念：
Batch operation
Continuous Packed bed
返混——将不同停留时间的物料之间的混合 全混流——完全返混 活塞流——（完全无返混）在反应器内反应液象活塞样流动。
活塞流反应器内的物料停留时间一致。
理想流动模型（全混、活塞流）与非理想流动模型——
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Input components /unit volume
=
Output components /unit volume
+
converted components /unit volume
酶反应器的认知与操作—酶反应器概述

酶反应器的认知与操作—酶反应器概述


（（2）底物的物理性态 反应器的底物存在的物态, 不外乎三种；溶 液态、不溶的悬浊液态或乳浊液态、胶体态； 在物性上主要是考虑粘稠度不同, 会影响反 成器的效率。可溶性底物, 显然可以选择任 何类型的反应器；底物颗粒较粗的悬浊性底 物, 或是胶态站稠的底物, 因为底物液容易 使床层堵塞, 则不适于选用填充床反应器, 一般选用CSTR, FBR或是循环流反应器 (RCR)为宜、
表9.3-1工业上常用的三类酶反应器选择因素比较
酶反应器的特点
（1）酶反应器的特点
酶反应器是酶（生物催化剂）催化反应装 置, 酶不仅有高效专一的特性, 还有反应 条件温和、容易受各种不利因素影响造成 催化活性下降等特性, 这是在酶反应器设 计和操作时都必须重视的。具体地说, 酶 反应器与一般化学反应器相比, 有以下特 点；
（1）酶反应器对材质的要求一般不高 酶反应器一船都在常压或保持适当的正压 下运转，不需要特别耐压的构件；在接近 中性或pH大于4.小于10的条件下操作，不 需要特别耐酸碱腐蚀的材料；在较低的温 度（很少超过90℃）下反应、不需要特别 耐高温的材料。
（3）酶促反应动力学 从酶促反应速度来看, 一般的说, 搅拌型 反 应器的反应速度随搅拌速度加快而增大； 流 加型反应器的反应速度, 随流速加大而增 大 。从三种典型反应器的操作方程比较可知, 当 [S]》Km时, 三者趋同；割[S]《Km, 时, 为 了达到相同的转化率, 若选用CSTR就必 须增加用酶量, 或是在用酶量相同的条件下, 就要加大反应器的体积,
整个反应结束后一次收取产物。
（2）按反应器几何构型和结构特征 罐式反应器: 主要特征是，外形为圆柱体， 高度和直径之比（简称高径比，常用 H／D 表示）大约在l～3。 管式反应器: 与罐式相比，相对细长，长和 直径比（L／D）大于30。 塔式反应器: 外形不限于圆柱形，竖立高和 直径之比大于10。 膜式反应器: 主要特点是，反应器内部 有 各种不同类型的薄板或滤膜构成的膜件。

3.2间歇反应器


t 0, Cs Cs0 , CX CX 0
1 Cs Cs0 (C X C X 0 ) Yx
s
2015/11/21
假设细胞生长符合Monod方程
1 C X C X 0 max C X C s 0 YX dCX s rX 1 dt C X C X 0 K s C s0 YX
2015/11/21
3.2.3 变温操作
单位时间内 单位时间反应 单位时间系 环境传入系统的热量 的放热量 统积累的热量
Ⅰ Ⅰ=
UA(Tm T )
Ⅱ
Ⅲ
Ⅱ= (H r )rAV Ⅲ=
2015/11/21
dC v TV dt
d (Cv TV ) UA(Tm T ) (H r )rAV dt U :总传热系数； A：传热面积； Tm：冷却(加热）介质温度； H r：反应热； Cv：反应流体的定容比热 ；
2015/11/21
解：
1 rmax t C s 0 x s K m ln 1 xs rmax k2 C E 0 1 1 1mol / ( l min) 1 t 2 xs 2 ln 1 xs
xS t 0.5 2.39 0.6 3.03 0.7 3.81 0.8 4.82 0.9 6.41
2015/11/21
2015/11/21
(2)以经费最低为目标生产
T C at a0t0 a p v CR M R
aP 固定消费
a反应时的操作费用
元 时
T C 单位产量总费用
a0 非操作时的操作费用
2015/11/21
d T C 若使T C最小，使 0 dt

间歇式反应器自控设计说明书

住型号：STG944（量程0-140）-316L不锈钢、硅油DC200、1/4“NPT内螺纹
0～0.4Mpa
1
温度变送器
STT2SM-0-TNS-00-C
主型号：STT2SM-现场安装316不锈钢表壳、1/2“NPT电气接口、数显表头-汉语说明书
0～200℃
1
双金属温度计
WSSF-481
表盘直径：φ100mm；外壳材质：304ss；精度：±1.0%；防护等级：IP65；表玻璃材质：仪表玻璃；保护管材质：304SS；保护管尺寸：φ8mm；可动外螺纹连接；连接尺寸：M27×2M；带不锈钢位号牌；
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。
2、串级控制系统的设计
第二周
进行仪表选型及调节阀计算；绘制单回路图。绘制仪表接线端子图；供电系统图，填写自控设备相应表格。
2010.11.5～2010.11.14
第三周
完成并提交课程设计说明书及相关电子文档。课程设计答辩。
2010.11.15～2010.11.19
五、指导教师评语及学生成绩
指导教师评语:
年月日
成绩
指导教师(签字):
主要技术性能：
防爆标志：Ex（ia）ⅡC
传输精度：±0.2%×F.S
危险区允许输入信号：直流电流：0-10mA、4-20mA
2、熟练掌握工业过程控制系统的常规设计过程，培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力；

固体废物处理与资源化利用 课后作业答案第五章

1.好氧堆肥化的基本原理、好氧堆肥化的微生物生化过程分别是什么？如何评价堆肥的腐熟程度？（1）基本原理：好氧堆肥是利用好氧微生物代谢使生物质废物降解稳定，不再易腐发臭，成为相容于植物生长的土壤调理剂的过程。

（2）过程：潜伏阶段：部分微生物产生适应酶，其细胞物质开始增加，但微生物总数尚未增加；而另一些微生物因不适应新环境而死亡。

此阶段微生物会大量分泌水解酶，部分固体废物会被水解成可溶性物质。

升温阶段：已适应特定环境的微生物，利用物料中的易降解有机物，旺盛繁殖，在转换和利用生化能的过程中，多余的生化能以热能的形式释放，使堆置环境温度不断上升。

高温阶段：当堆层温度升高到45℃以上，嗜温性微生物受到抑制甚至死亡，嗜热性微生物逐渐替代了嗜温性微生物的活动，无聊中残留的和新形成的可溶性有机物急需分解转化，复杂的有机化合物也开始被剧烈分解。

微生物对易降解有机物的高速降解，必然使其代谢逐步受到有机物可利用性的限制，代谢和生长速率下降，因代谢而产生的热量减少。

当产生的热量低于散失的热量时，堆层温度开始下降。

降温阶段：当堆体温度下降到45℃以下时，嗜温性微生物又重新占据优势。

嗜温性微生物对剩下的较难降解的有机物做进一步分解，并逐渐形成腐殖质。

腐熟阶段：经过以上四个阶段，物料中剩下的是难降解有机物。

此阶段为嗜温性的，细菌和放线菌数目有所下降，真菌会大量繁殖，难降解有机物会被缓慢分解，腐殖质不断增多、聚合度和芳构化程度不断提高。

（3）评价方式：腐熟程度的评价指标有物理学指标、化学指标和生物学指标。

物理学指标包括表观指标和堆层温度。

化学指标包括易降解有机物和难降解有机物、有机物含量、氮试验法、碳氮比和腐殖类物质的变化。

生物指标包括植物分析法、好氧速率法、厌氧产气法和综合评定法。

2.何谓厌氧消化？简述厌氧消化的生物化学过程。

厌氧消化工艺有哪些类型？试比较它们的优缺点。

固体废物厌氧消化反应器搅拌的主要作用是什么？（1）厌氧消化是有机物在厌氧条件下通过微生物的代谢活动而被稳定，同时伴有甲烷和二氧化碳等气体产生的过程。

1-5-1间歇操作釜式反应器

1 n
kA单位： kp单位：kmol/m3.h.Pan 一般说来，可以用任一与浓度相当的参数来表达反应 的速率，但动力学方程式中各参数的因次单位必须一致。
kmol m3 h n kmol 3 m

⑴反应分子数与反应级数
基本概念 a.单一反应与复杂反应
单一反应：指只用一个化学反应式和一个动力学方程 式便能代表的反应。
二、均相反应动力学基础
宏观反应速率：受到传递影响化学反应过程的速率。 本征反应速率：消除传递影响后化学反应所能达到的 最大速率。
宏观动力学与本征动力学的区别在于：除了研究 化学反应本身以外，还要考虑到质量、热量、动量 传递过程对化学反应的作用及相互影响，这显然与 反应器的结构设计和操作条件有关。
（一）化学反应速率及反应动力学方程
则称为非基元反应。
•c.单分子、双分子、三分子反应
• 单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言 的。参加反应的分子数是一个，称之为单分子反应；反应 是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。 •d.反应级数
• 反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由 实验确定的常数。可以是分数，也可以是负数。
⑵用浓度表示
•因为
nA V c A
•所以
1 d (V c A ) dcA c A dV rA V d d V d
等容过程：液相或反应前后无物质的量的变化的气 相反应。 V为定值 ∴ni/V=Ci 得到
dC A (rA ) d
•
•
对于多组分单一反应系统，各个组分的反应速率受 化学计量关系的约束，存在一定比例关系。例如

其动力学方程一般都可表示成：
ri ki cA cB

4 间歇釜式反应器(BR)


è计算方法
1 、 已知V0与 ，根据已有的设备容积V ，求算需用设备个数n 按设计任务每天需要操作的总次数为： 每个设备每天能操作的批数为：
则需用设备个数为：
n ’需取整数n ， n ＞ n ’ 。 因此实际设备总能力比设计要求
提高了，其提高的程度称为设备能力的后备系数 ， 以。表示 ，则：
2 、 已知每小时处理物料体积V0与操作周期 的总容积为：
¢ 热量衡算式
（1）依 据： 能量守衡定律。 （2） 基 准： 取温度 、浓度等参数保持不变的单元体积和单元时间作为 空间基准和时间基准。 （3） 衡算式
在单元时间Δτ 、单元体积ΔV内（以放热反应为例）：
[积累的热量]= [原料带入的热量]+[反应产生的热量]- [出料带走的热量][传给环境或热载体的热量]
间τ和辅助时间τ‘ (即装料 、缷料 、检、温度 、反应速度相同 ， 随时间而
变 ，生产周期存在反应时间（生产时间） τ和非生产时间τ
‘
。
➢ 其结构简单 、操作方便 、灵活性大 、应用广泛 。但是 设备生产效率低 、不易保持每批质量稳定 、高转化率下体 积较大 。一般用于液—液相 、气—液相等系统 ， 如染料、 医药 、农药等小批量多品种的行业。
如果改变反应过程的条件或改变反应器结构 ， 以改进反应器的设计， 或者进一步确定反应器的最优结构 、操作条件 ，经验计算法是不适用的 ， 这时应该用数学模型法计算 。根据小型实验建立的数学模型（ 一般需经 中试验证） ，结合一定的求解条件——边界条件和初始条件 ， 预计大型 设备的行为 ， 实现工程计算。
è反应器计算的内容和基本方程式
¢反应器计算的基本内容
➢ 选择合适的反应器型式 根据反应系统动力学特性 ， 如反应过程的浓度效应 、温度效

第五章+反应器及其放大


多釜串联反应器的相似条件应当是每一釜的停
留时间分布相同、温度相同和反应转化率相同，
而且反应速率不受搅拌速率的影响。
对于非均相系统，放大判据为相界面积相同，
但要测定实际系统的相界面积很困难，一般用
单位容积输入功率相等取代。
第四节
其它反应器型式
一、循环（回路）式反应器
根据物料返回量的大小，介于平推流反应器和 连续操作搅拌釜之间。
C A 2C A C A Ez u (rA ) 2 t l l
三、放大应注意的问题
在保持放大前后两系统几何相似的同时，应 保持两系统内物料流动的停留时间分布函数 相等。
为保持放大前后反应器内物料的停留时间分 布相同，无论物料呈层流流动还是湍流流动， 应保持两系统流动的雷诺数相等。 对于气相反应，当反应器管长远大于管径， 而产生的压强变化又影响反应器内的总压时， 必须考虑压强的变化值相等。
装置。
床式：用于多相催化或非催化反应，可分为固定
床、 流化床、移动床等。
3、按反应相态分类
均相反应器、非均相反应器
第二节
一、反应时间
物料衡算方程 热量衡算方程
间歇操作搅拌釜
t nA0
xA
0
dx A (rA )V
dxA dT UA (T Tm ) dt dt CV V
如果过程仅由化学反应控制，反应主要在液相中进行，
虽然要求有较大的相界面积，但液相体积是主要条件， 一般选用半间歇式鼓泡反应器或连续式鼓泡反应器。
3） 气、液、固三相系统
由于存在两种相界面，而固、液界面的传质阻 力通常都大于气、液界面的传质阻力，对反应 过程起决定作用的是固、液间的传质。为了加 快反应速率，缩小反应器体积，多采用气体和
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的 底物在BSTR 底物在BSTR 反应消耗速率 内积累的速率
Batch operation
dNS VR rS dt
dNS dCS 或 r 1 S VR dt dt 式中
NS——底物的质量，g或mol VR——BSTR的有效体积， VR=常数
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第5章 >> >>5.2间歇操作搅拌槽式反应器（BSTR）
一、BSTR的反应时间
对上式积分， B.C. t=0，CS=CS0 ， t=tr，CS=CS ， 反应时间为: C dC S tr C rS
生化工程电子教案
化学与生命科学学院
第5章
间歇式操作反应器
生化反应器设计概论 间歇式操作反应器的设计（BSTR） 反应过程的流体力学 氧的传递特性 机械搅拌反应器的结构与计算 反应过程的传热特性
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.1 生化反应器的分类
（ 生化反应器可从不同角度分类）
2、按操作方式分类 ■间歇反应器(分批操作反应器)：底物一次加入反应器，在反应过
程中无底物和产物的输入和输出，底物和产物的浓度随反应时间变化。
1、生化反应器？——利用生物催化剂进行生化反应的设备。
回顾一下：生化反应器中可进行的反应类型？ 再想想：反应器可采取的操作方式？
2、研究反应器的目的？
◆研究生化反应器的基本反应规律
◆研究生化反应器的基本传递规律 ◆研究生化反应器的设计内容及方法
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
=
Output cells /unit volume
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+
Grown cells /unit volume
+
Died cells /unit volume
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+
Accumulated cells /unit volume
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
2、Energy balance (Heat balance ) In a definite time: Input heat /unit time
=
Output heat /unit time
+
Reaction heat /unit time
+
Accumulated heat /unit time
成的改变，工艺参数调整是常有的事。现代化大型化工厂 工艺参数的调整，是通过计算机集散控制完成的。计算机 收到参数变化的信息，并根据已输入的数学模型和程序， 计算出结果，送给相应的执行机构，完成参数的调整。
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
■连续反应器：底物等连续输入反应器 产物连续从反应器输出，反
应器的任何部位的各组分均不随反应时间变化（稳定态）。
■半间歇反应器：半连续反应器 在一次反应的过程中，底 物分次补入的操作。
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.1 生化反应器的分类
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
1、物料衡算式
体系内累 进入体系 离开体系 体系内消 积组分量 的组分量 耗组分量 组分量
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第5章 >> >>5.2间歇式操作反应器设计（BSTR）
一、BSTR的反应时间（操作时间=反应时间tr+辅助时间tb）
BSTR特征： 在反应的过程中，无物料的输入和输出； 物料的各组分的浓度在反应体系内是均一的； 物料的各组分的浓度仅随反应时间变化。 BSTR的底物的物料衡算式为:
第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.2 生化反应器的基本设计方程 反应器计算的基本方程包括：
描述浓度变化的物料衡算式；
描述温度变化的能量衡算式；
描述压力变化的动量衡算式；
描述反应速率变化的动力学方程式。
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
2、能量衡算式
单位时间 单位时间 单位时间 单位时间 输入体系 输出体系 内的反应 体系内积 的热量 的热量 热 累的热量
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重要概念：
Batch operation
Continuous Packed bed
返混——将不同停留时间的物料之间的混合 全混流——完全返混 活塞流——（完全无返混）在反应器内反应液象活塞样流动。
活塞流反应器内的物料停留时间一致。
理想流动模型（全混、活塞流）与非理想流动模型——
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
反应器计算的基本内容 确定最佳操作条件与控制方式 操作条件，如反应器的进口物料配比、流量、温度、压 力和最终转化率等工艺条件，直接影响反应器的反应结果，
也影响反应器的生产能力。对正在运行的装置，因原料组
对底物，有
进入体 离开体 体系内 体系内 体系内累积 底物质量 系的底 系的底 生成的 消耗的 物质量 物质量 底物量 底物量
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
对产物，有
体系内累 进入体系 离开体系 体系内生 积产物质量 产物质量 产物质量 成产物质量
若酶促反应符合M-M反应，
CS CS 0 (1 X S )
CS dCS dCS CS 0 t R CS 0 V CS 0 r rmax max CS S K m CS CS

XS
0
Km 1 dX S CS 0 X S 1
5.1.1 生化反应器的分类
（ 生化反应器可从不同角度分类）
1、按催化剂类型分类
■酶反应器 ■细胞生化反应器 上述两类反应有什么区别？ ◆酶反应器相对比较简单，酶促反应与一般的化学催化反应相同，在反
应的过程中酶本身无变化；
◆细胞生化反应器相对比较复杂，因涉及到避免外界各种杂菌污染、有
适应细胞生长繁殖以及维持其活性的要求。
（ 生化反应器可从不同角度分类）
2、按反应器结构分类
有釜式、管式、塔式、膜式等反应器
3、按反应体系的相态分类
均相反应器、非均相反应器
4、根据催化剂在反应器的分布方式分类
生物团块(包括细胞、絮状物、菌丝体)反应器；生物膜反应器
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.1 生化反应器的分类
间歇全混型反应器 全混型反应器
5、按流动方式分类 活塞流反应器 连续全混型反应器
这是两类典型的理想反应器
间歇全混型反应器（batch stirred-tank reactor， BSTR） 连续全混型反应器（continuous stirred-tank reactor，CSTR ） 活塞流反应器（plug flow reactor，PFR）
3、 Momentum balance It is usually negligible for bioreactors because of operation conducted under constant pressure.
In conclusion, each balance in the same model as follows: Input = output + consumption +accumulation
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
1、Mass balance（Accumulatn is 0 under steady state) Calculation of Mass balance for substrates and products
Input components /unit volume
S S0