XA?YX/S,A(S0?B的细胞浓度XB=0 稳态时，反应器基质浓度
KS,AD1?0.4)?0.4?(50?)?18.4mg/L
?max,A?D0.5?0.4S?基质转化率
KS,AD?max,A?D?1?0.4?4mg/L
0.5?0.4S0?S50?4??92% S050（3）培养液供应量为0.06m3/h 稀释率
D?qV/V?0.06/0.5?0.12h?1??X
?B??A
稳态时，A被洗脱，只存在B
XA=0
XB?YX/S,B(S0?基质转化率为
KS,BD?max,B?D)?0.3?(50?0.2?0.12)?14.96mg/L
0.3?0.12S0?S50?0.133??99.7% S050（4）要使连续培养器内的混合菌共存，条件非常苛刻，即稀释率等于不同菌的比生长速率，否则将会有洗脱现象发生。
影响转化率的重要参数：KS，?max 操作条件：D
3.5 利用间歇反应器进行一级不可逆液相反应A → B的动力学实验，实验结果表明，在30oC时，A的转化率达到80％的反应时间为3小时，试回答以下问题。（共25分）
（1）在同样的温度条件下，利用完全混合流反应器进行A → B反应时，要使A的去除率达到80％，反应物料需在反应器中平均停留多少时间？
（2）将A的浓度为300mol/m3的液体以0.50m3/h的速度送入一完全混合流反应器（温度条件不变），试求反应器有效体积为2m3时的A的转化率。在同样的条件下，若将5个体积均为0.4m3的完全混合流反应器串连使用，A的转化率将达到多少？
（3）在同样的条件下，将A的浓度为300mol/m3的液体以0.50m3/h的速度送入一平推流反应器，试求反应器有效体积为2m3时的A的转化率。
（4）根据以上计算结果，讨论反应器操作方式对转化率的影响。 解：对于一级不可逆液相反应在间歇反应器中有
A?B，?rA?kcA
kt?ln(cA0/cA)k?3?ln[cA0/(1?0.80)cA] k?ln5?0.536h?13（1）一级反应，在完全混合流反应器中有
cA?cA0/(1?k?)(1?0.80)cA0?cA0/(1?0.536?)
??7.46h（2）在完全混合流反应器中
空间时间
??V2??4h qV0.5反应器出口A浓度 转化率xA＝1-cA/cA0=68.2%
cA?cA0/(1?k?)?300/(1?0.536?4)?95.4mol/m3
若改为5个全混流反应器串联
单个反应器空间时间
?'?V'0.4??0.8h qV0.5第5个反应器出口A浓度
cA'?cA0/(1?k?')5?300/(1?0.536?0.8)5?50.4mol/m3
反应器出口转化率
xA?1?cA'/cA0?83.2%
（3）在平推流反应器中
停留时间
??V2??4h qV0.5出口浓度 转化率
cA?cA0?e?k??300?e?0.536?4?35.2mol/L
xA?1?cA/cA0?88.3%
（4）对于一级反应
①间歇反应器的反应时间t与平推流反应器的时间?相等时，转化率相同 ②?相同时，全混流反应器的转化率小于平推流反应器 ③总?相同时，多级串联CSTR转化率大于CSTR。
3.6 某地下水净化工程计划利用硝酸根离子的氢气催化还原反应去除地下水中的硝酸根（将氢气送入污染地下水中，并选择金属铜为固体催化剂（内部无微孔）。假设该反应主要发生在催化剂的外表面，为非慢速反应且硝酸根的主要还原产物为氮气（实事上，根据反应条件的不同，氨有时会成为主要还原产物）,反应式为： NO3- + H2 ? N2 + H2O
（1）试分析该反应系统的微观过程。
（2）假如让你设计该反应系统，你会选用哪种形式的固相催化反应器？为什么？该类反应器有什么缺点？
（3）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？（共20分）
解：（1）本反应为非均相气液固三相反应。 ① H2溶解于地下水，由气相进入液相。
② 液相主体中的H2、NO3扩散，从流体主体穿过边界层向固体催化剂表面传递。 ③ 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。 ④
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。
⑤ ⑥ ⑦
产物的脱附：反应产物N2从固体表面脱附。
产物的扩散：反应产物N2从固体外表面穿过边界层向流体主体传递。 反应产物N2从液相进入气相。
（2）选择流化床反应器。原因如下： ①
反应为液-固反应，流化床反应器主要用于液-固催化反应，而固定床催化反应器则用于气－固催
化反应
② ③ ④
热能效率高，而且床内温度易于维持均匀； 传质效率高； 反应器的结构简单。
流化床反应的缺点为： ① ② ③ ④
能量消耗大；
颗粒间的磨损和带出造成催化剂的损耗；
气固反应的流动状态不均匀，有时会降低气固接触面积；
颗粒的流动基本上是全混流，同时造成流体的返混，影响反应速率。
（3）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，如图。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。
3.7污染物A的分解反应A?P可视为一级反应（恒容），反应的活化能为84kJ/mol。在150oC条件，利用平推流反应器进行分解反应，A的去除率达到一定要求时需要的反应器体积为Vp。
（1）在相同的反应温度下，设改用全混流反应器时达到同样的去除率需要的反应器体积为Vm，则Vm与Vp的比值Vm/Vp存在何种定量关系。
（2）根据Vm/Vp值的大小，比较平推流反应器和全混流反应器的反应效率并说明造成这种现象的主要原因是什么？
（3）设A的去除率目标为60％，若将平推流反应器改为全混流操作，要达到同样的去除率反应温度应如何变化？
（4）在上一问中，若将反应器改为两个体积相等的全混流反应器(总有效体积不变)，进行串联操作，若要达到60％的去除率，反应温度应如何变化？（共20分） 解：（1）对于一级反应，平推流反应器有
?ln(1?xA)=k?P
全混流反应器有
cA?cA01+k?m
对上述两式变形可得
?P=?ln(1?xA)和?m?(1k1cA0?1)
kcA所以
1cA0(?1)Vm?mkcAxA??? VP?P?1ln(1?x)(xA?1)ln(1?xA)Ak（2）Vm/Vp>1
平推流反应器的反应效率高于相同体积的全混流反应器。原因为全混流反应器具有混匀作用，物料进入反应器后被稀释，浓度降低，反应效率降低，故Vm>Vp。
（3）根据平推流反应器设计方程可得
?ln(1?0.6)?kP?
根据全混流反应器设计方程有
0.4?11+km?
所以
kP?ln0.4/???0.61 km(1?1)/?0.4由lnk?lnk0?EaRT有
kP84?10311ln?(?) km8.32Tm150?273.15计算可得
Tm=432K，tm=158.9℃
升高8.9℃ （4）由（3）可得
?ln(1?0.6)?kP? 10.4? 2（1+km?2）由2级全混流反应器可得