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1、污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器 设计 昆明理工昆明理工 环境工程系 田森林 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 本章内容本章内容 物料平衡概述物料平衡概述 1 化学反应动力学化学反应动力学 2 反应器类型反应器类型 3 反应器尺寸计算反应器尺寸计算 4 反应器组合反应器组合 5 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 概概 述述 土壤和地下水修复采用的修复技术和工艺，涉及物理类、化学类、生物类和热处理类 处理系统通常包括一系列操作单元和过程，每一个处理系统和过程都包括一个或者多个反应器 反应器设计通常包括选择合适的反应器
2、类型、反应器大小，并且确定最佳的反应器数量和它们的最佳组合 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 5.1 物料平衡概述物料平衡概述 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 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 5.1 物料平衡概述物料平衡概述 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
3、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 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 5.1 物料平衡概述物料平衡概述 物料平衡分析中的假设与简化 无化学反应：如果系统中没有化学反应的发生（如一个混合过程，没有物质的增加或者减少，则物料平衡方程可以变为 物质积累速率=物质进入速率-物质流出速率 序批式反应器：序批式反应器没有物质的输入和输出，因此物料平衡方程可以简化为 物质积累速率=物质产生或破坏的速率 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 5.1 物料平衡概述物料平衡概述 物料平衡分析中的假设与简化
4、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 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 5.1 物料平衡概述物料平衡概述 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 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 5.2 化学动力学化学动力学 5.2.1 速率方程 反应
5、速率方程 = = 式中， n 是反应级数，k是反应速率常数，A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。 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 5.2 化学动力学化学动力学 5.2.1 速率方程 关于反应速率常数的单位 反应速率常数与反应级数有关，dCA/dt 是浓度/时间， C 是浓度， k 的单位应该是1/(时间浓度n-1)或（时间- 1浓度1-n） 如果一个反应的反应速率是0.25d-1，这个反应是一级反应 零级反应和
6、二级反应对应k值的单位分别为浓度/时间和浓度时间-1 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 5.2 化学动力学化学动力学 5.2.1 速率方程 对于一级反应 根据公式= = ，物质A 的浓度随时间而变化，这个公式可以在时间0t积分 ln = 戜 = 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 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 【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
7、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 dt= 1 2 = 1+ 2 = 5.2 化学动力学化学动力学 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 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
8、 2550 3000= 5 求得：k=0.0325d-1 （2）浓度降低到100 mg/kg需要的时间t为 100 3000= 0.0325 t=105 d 5.2 化学动力学化学动力学 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 【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。
9、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） 5.2 化学动力学化学动力学 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 5.2 化学动力学化学动力学 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 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 【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
10、。计算 确定：速率常数；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=2 =.693 得到 1/2= 180 =0.693 从而，k=3.8510-3d-1 （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 10= 3.8513 从而，t=598d 5.2 化学动力学化学动力学 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 【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。 5.2
11、 化学动力学化学动力学 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 5.3 反应器反应器类型类型 固相反应器液气固相反应器液固相反应器气液相反应器气非均相反应器固相反应器液相反应器气相反应器均相反应器、按物料相态分1污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 5.3 反应器反应器类型类型 其它形式器）搅拌反应器（釜式反应管式反应器反应器）流化床反应器（沸腾床固定床反应器、按设备结构形式分3半连续式反应器连续式反应器间歇式反应器、按操作方式分2污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 5.3 反应器反应器类型类型 其它形式器）搅拌反应器（釜
12、式反应管式反应器反应器）流化床反应器（沸腾床固定床反应器、按设备结构形式分3半连续式反应器连续式反应器间歇式反应器、按操作方式分2污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 5.3 反应器反应器类型类型 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 5.3 反应器反应器类型类型 完全混合间歇式反应器 （ CMB 型） 完全混合连续式反应器 （ CSTR 型）或连续流 搅拌式反应器(CFSTR) 推流式反应器（ PF 型） 或活塞流反应器(PFR) 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 5.3 反应器类型反应器类型 反应器通常按照它们的流
13、动类型和混合条件进行分类，反应器可以是序批式或连续式的 对于序批式反应器来说，反应物进入反应器后，物质充分混合，然后混合好的物质排出反应器 序批式反应器被看作为非稳定态的，因为反应器内的物质浓度随时间而变化 序批式反应器的建造成本通常比连续式反应器的低，但是需要非常大的人工维护和操作成本，所以通常序批式反应器被限制在小规模装置，或者在原材料比较贵的情况下使用 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 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
14、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 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 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 污染土壤修复技术污染土壤修复技术 第5章 土壤修复反应器设计 5.3 反应器类型反应器类型 活塞流反应器理想的几何形状是长的管道或水槽状，反应器内的流体为连续流，流体颗粒依次通过反应器 反应物从反应器的上游端口进入，从下游流出 理想状态下，不在流动方向上的流体成分之间不发生诱导混合，先进入的流体颗粒将先流出
