试题环境工程原理反应工程部分

2008年1月9日

1、简要回答以下问题（每小题6分，共24分）

（1）什么是空间时间和空间速度？它们所表达的物理意义各是什么？

（2）什么是膨胀因子？对于膨胀因子为1和0.5的反应体系，反应后系统的物质的量将分别如何变化？

（3）简要说明为什么气－液相反应的宏观速率方程根据本征反应速率的快慢有不同的表达形式。

（4）气－液相瞬间反应的增强系数有何物理意义？

2、利用湿式催化氧化反应（氧化剂为空气）处理以NaCN为主要成分的氰化物废水，所选用的固体催化剂为Ni催化剂（催化剂载体为活性炭）。操作方式是在一定温度下，向含有废水和催化剂的反应器中通入空气，使之发生氧化反应。假设该催化分解反应主要发生在催化剂表面，为非慢速反应且氰化物的主要分解产物为氮气和二氧化碳，反应式为： NaCN + O2 􀃆 N2 + CO2

（1）试分析该反应系统的微观过程。

（2）根据反应器设计的需要，须进行动力学实验获得该反应的本征反应动力学方程。确定实验条件时应特别注意哪些问题？试给出确定关键性实验条件的方法？（本题共16分）

3、利用一潜流湿地（宽W＝100m、长L＝500m、平均深度H＝0.3m）处理苯胺废水，已知苯胺浓度C0＝10mg/L，废水流量qv0＝6m3/h。苯胺流过湿地时，通过分解反应等逐渐被去除。假设苯胺的去除可视为一级反应，反应速率常数为4.8×10-4h-1。废水在流动过程中逐渐蒸发（蒸发速率F＝0.018kg/（h m2），水的密度ρw＝1000kg/m3），但苯胺不蒸发。该湿地可以视为断面为四边形的平推流反应器，而且废水体积不会因为反应本身而发生变化（但废水流量因蒸发而逐渐减少）。试回答以下问题：

（1）给出苯胺去除率的一般表达式（流出湿地的废水流量以qv表示）。

（2）随着废水的流动，其体积流量将如何变化？给出由湿地入口到距入口Z米处时废水体积流量的表达式。

（3）给出该湿地中苯胺的物料衡算式。

（4）求出湿地出口处苯胺的去除率和浓度。

（5）保持废水流量不变，将出口处的处理水回流（回流量qr＝4 m3/h），苯胺的去除率如何变化？

（6）试综合（1）－（5）的结果进行讨论。（本题共30分）

4、某微生物反应的动力学方程为)/(12hLgSSXrX⋅+=，已知X0 = P0 = 0, S0 = 3 g/L, YX/S=0.5，试确定：

（1）在V=2 L的单一CSTR中，分别求 qv=1，2和4 L/h条件下，出口处的S浓度、分解率和微生物细胞生产速率。

（2）在两个串联的CSTR中进行上述反应，每一个CSTR体积均等于1L，加料速率qv=1 L/h，求系统出口处S的浓度、分解率和微生物细胞生产速率。

（3）如果对上述单一CSTR反应器（V＝2 L），采用菌体提浓后再循环的操作方式，已知qv=1 L/h，γ＝0.5, β=2，求最终离开反应系统的Xe和Se各为多少？

（4）试综合（1）－（3）的结果进行讨论。（本题共30分）

1．（1）

① 空间时间指反应器有效体积(V)与物料体积流量(Q)之比值。其物理意义为处理与反应器体积相同的物料所需要的时间。

② 空间速度指单位反应有效体积所能处理的物料的体积流量。空间速度表示单位时间内能处理几倍于反应器体积的物料，反映了一个反应器的强度。

（2）

膨胀因子指每消耗1mol的某反应物所引起的反应体系内总物质的量的变化量。

若某反应物A的膨胀因子为1，则消耗1mol的A，反应体系内总物质的量增加1mol；若某反应物A的膨胀因子为0.5，则消耗1mol的A，反应体系内总物质的量增加0.5mol。

（3）

气液相反应过程是包括传质和反应的多个步骤的综合过程。宏观反应速率控制步骤为传质过程或反应过程，由本征反应速率和传质速率快慢所决定。本征反应速率快慢将导致控制步骤的不同，反应区域与浓度分布亦不同，反应速率方程和传质形式发生改变，从而使宏观速率方程具有不同的表达形式。

（4）

瞬间反应的增强系数：物质A由气相主体扩散到液相主体的过程中，存在瞬间反应情况下的传质速率比单纯的物理扩散增大的倍数。

2．解（1）本反应为非均相液固反应。

① O2溶解于水中，由气相进入液相。

② 反应物的外扩散：液相主体中的O2、CN－扩散，从流体主体穿过边界层向固体催化剂外表面传递。

③ 反应物的内扩散：反应物O2、CN－从催化剂外表面向固体催化剂微孔内部传递。

④ 反应物的吸附：反应物在催化剂表面活性中心上吸附，成为活化分子。

⑤ 表面反应：活化分子在催化剂表面上发生反应，生成吸附态产物。反应必须借助于催化剂表面的活性中心才能发生。

⑥ 产物的脱附：反应产物N2、CO2从固体表面脱附，进入固体催化剂微孔。

⑦ 产物的内扩散：反应产物N2、CO2沿固体催化剂内部微孔从内部传递到外表面。

⑧ 产物的外扩散：反应产物N2、CO2从固体外表面穿过边界层向液相主体传递。

⑨ 反应产物N2、CO2从液相进入气相。

（2）要获得该反应的本征动力学方程，须消除扩散的影响（本反应主要为内扩散和外扩散）

消除外扩散的预备实验方法：

①在一反应器内装入质量为m1的催化剂，此时的填充层高度为h1，在保持相同温度、压力、进口物料组成的条件下，改变进料摩尔流速qnA0，测定相应的反应率xA；

②在同一反应器内装入质量为m2的催化剂，此时的填充层高度为h2，在同样的温度、压力、进口物料组成的条件下测定不同qnA0时的xA；

③将一组实验数据按xA～m/qnA0作图，得两条曲线。在两条曲线重合部分，尽管气体流动的线速度不同（即流体的流动状态不同），但反应速率相同，说明反应没有受到扩散的影响。选取重合部分m/qnA0作为实验条件，便可认为消除了外扩散的影响。

消除外扩散的预备实验方法：

① 在一定温度、压力、进口物料组成、进料速率和催化剂填装量的条件下，测定粒径dp1时反应器出口的反应率xA1；

② 在同样的温度、压力、进口物料组成、进料速率和催化剂填装量的条件下，只改变粒径为dp2，测定反应器出口的转化率xA2；

③ 按照上述方法，测定不同dp时的xA，以xA～dp作图，得一曲线，如图14.1-3。xA不随dp变化而变化的区域，则为无内扩散阻力的粒径条件。

3．解：

（1）V0A0VAAV0A0-qcqcxqc⋅⋅=⋅

（2）流量将逐渐减少

取废水一微元单元，对水进行物料衡算有

VVVw1ZqqqFWρ=+Δ+⋅⋅Δ⋅

变形可得Vw1qFWZρΔ=−⋅⋅Δ⋅

积分可得V(Z)V0w1qqFWZρ=−⋅⋅⋅

即 V(Z)60.0018qZ=−⋅

（3）取废水一微元单元，对苯胺进行物料衡算有

A0A0V0A0, , 0nqcqx=VAAAV,, qcxqdVAAA, nqcxAAAAddnnqqxx++V

nAnAnAAd()dqqqr=++−

（4）根据（3）有 nAnAnAAd()dqqqr=++−

由于，则有 nAAVqcq=⋅

VAVAVAAVAVAddddqcqcqccqcqkcV

变形得 VAAVAddqccqkcV⋅=−⋅−⋅

V0AAAwwV0AAww1()d(d)1()d()dZWqFWZccFZkcWHFqFWZccWkHρρρρ−⋅⋅⋅⋅=−⋅−⋅⋅−⋅⋅⋅−⋅⋅⋅⋅=⋅⋅−⋅⋅

化简可得：wAAV0w()d1FWkHccqFWZρ ρ⋅−⋅⋅=−⋅⋅⋅

积分可得：AZA0wAV0w0w()1lnlnZZccZFWkHcqFWWFρρρ ==⋅⋅−=−⋅⋅⋅

V0wwAA0V01lnlnlnqFWZkHFccFqρρ−⋅⋅⋅⋅⋅−=+

wAA0V0w1kHFFFWZccqρρ⋅⋅−⎛⎞⋅⋅=⋅−⎜⎟⋅⎝⎠

解得cA=3.2mg/L

由于qV=6-0.9= 5.1m3/h

所以有

VAAV0A05.13.21172.7%610qcxqc⋅⋅=−=−=⋅⋅

（5）对回流系统进行等效，可得

Vcqqn，，，AVAA0V0A0''cqqn'A1A1xqnAeA2A2'xxqn=MVcqqn，，，M

'V0A0rAnA1AA1AV0V0r610460.4'qcqcqcccqqq⋅+⋅⋅+⋅====+++

'3V0V0r10m/hqqq=+=

所以有

1101000kHFFFWZZcccqρρ−⋅⋅−×⋅⋅−⎛⎞⋅⋅⋅⋅⎛⎞=⋅−=+⋅⋅−⎜⎟⎜⎟⋅⋅⎝⎠⎝⎠

解得cA=3.9mg/L

VAAV0A05.13.91166.7%610qcxqc⋅⋅=−=−=⋅⋅

（6）

由（4）可知：平推流反应器流量减少，停留时间变大，转换率xA上升。

由（5）可知：增加回流会使得平推流反应器的入口浓度降低且停留时间变小，导致转化率xA下降。

4、解：（1）μmax=2h-1，Ks=1g/L

-1max00231.5h13csSDKSμ×===++

qV=1L/h-1V10.5h2qDV===

smax10.50.33g/L20.5KDSDμ⋅⋅===−−

00.33(1)100%(1)100%88.9%3SS−×=−×=

/0X()0.5(30.33)1.33g/LXSYSS=−=×−=

0.51.330.67g/(Lh)DX=×=⋅

-1V21h2qDV=== KD⋅⋅

smax111g/L21

01(1)100%(1)100%66.7%3SS−×=−×=

/0()0.5(31)1g/LXSXYSS=−=×−= 生产速率为

111g/(Lh)DX=×=⋅ ③当qV=4L2

-1Vc4S=3g/L；分解率为q=1L/

（2）当V

11KD⋅⋅

max

s1

1/0()0.5(31)1g/LXSXYSS=−=×−=

V1V2X()qXqXrV⋅=⋅+−

V1V222()qXqXXVμ⋅=⋅+−⋅

221(1)XXDμ=−

max222sSKSμμ=+ s2D +

m221220.5(1)1.50.5SS⋅−=− （2）

20SS−+=

21/12()1XSXXYSS=+−=+

2261

所以XXY=+

00.17(1)100%(1)100%94.3%3SS−×=−×=

21/12()1.50.50.1721.4g/LXSSS−=−⋅= （3

20.51.40.71g/(Lh)DX=⋅=⋅总

1(1)10.5(21)0.5ωγβ=−−=−⋅−= KDS =

10.50.50.25hDμω−==⋅=

max10.250.14g/L20.25s

X/S00.5()(30.14)2.86mg/L0.5YXSSω=−=⋅−=

基质分解率为 00.14(1)100%(1)100%95.2%3SS−×=−×=

对分离器中的细胞进行物料衡算，有

VV(1)qSqSqγγ+⋅=⋅⋅+⋅ e

e0.14g/LSS== 化简可得：2

（4）

VV(1)qXqXqγγβ+⋅=⋅⋅⋅+⋅

e0.5.861.43mg/LXXω==⋅= ② 由（2） 流

③ 由

应器内细菌的浓度和基质的利用率。