武理工水污染控制原理研究生教案.docx

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1、水污染控制原理研究生教案第一章化学动力学（-）教学设计LI本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面有关化学动力学及反应机制的基本概念氧化和结晶动力学实例1.2 本章节重点本章节重点：掌握基元反应、反应动力学、反应级数本章节难点：半衰期的理解与应用、反应机制理解与应用1.3 本章节教学内容本章教学内容如下1 .化学动力学1.1 反应速率与反应级数1.2 简单的基元反应1.3 较复杂的反应1.4 速率常数k与温度的关系1.5 非基元反应的动力学模型1.6 水处理中有关的动力学问题1.7 本章节教学方法1 .情景导入从1929年发现震惊世界的第一个比较完整的“北京人”头盖骨图片入手，引入动力学、

2、半衰期概念。2 .双案例关联动力学在基础研究方面的应用（案例一）动力学在工程设计方面的应用（案例二）1.5本章节教学互动与考核在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，要求并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分，结合最后的理论课闭卷考试完成对课程教学的考核。(二)教

3、学内容1 .化学动力学概念化学动力学概念、与热力学的关联和应用2 .化学动力学具体内容(1)比较化学反应的快慢及相关因素的影响；(2)揭示化学反应路径，即反应物按何种途径转化为最终产物；(3)分析物质结构与反应性能之间的相互关系。1-1反应速率与反应级数1 .反应速率反应速率表示为(1-1)式中的IiA可以和V组合成A的浓度，因此得rAdA= dcdt dt(1-2)式中A及CA均代表A的浓度，M的单位为mohm3sL当式中A代表反应物时，由于其浓度是随时间降低的，反应速率以应为负值，反之，当A代表产物时，口则为正值，如图1-1所示。图1-1反应物及产物的历时曲线2 .化学剂量方程xAyB-*

4、uP+vQ3 ,化学计量方程与其中所包含的全部物种的反应速率间的数量关系4 反应级数如果通过试验数据的数学处理，得出产物P的反应速率可以表示为“叨=等=3点atat(1-4)那末，产物P的反应称为：反应物A的a级反应；反应物B的b级反应；总称为（a+b）级反应。K称为反应的速率常数（rateconstant）,其单位为（浓度）-+h时间。最后还要指出下列各点：（1）无论是反应物的速率方程，或者是产物的速率方程，都是以反应物的浓度来表示的;（2）速率方程中CA及CB的指数a、b和化学计量方程中A及B的系数x、y一般并不相等，它们也不一定是整数；（3）当速率方程不能表示为式（1-8）形式时，则不存

5、在反应级数的提法。5 .基元反应构成化学计量方程的反应序列中的反应称为基元反应（elementaryreaction）。绝大多数的基元反应，其反应级数与化学计量系数完全相等。构成一个化学计量方程的反应序列称为原来反应的机理。1-2简单的基元反应1 .单一组分的零级反应由零级反应的定义得：上式可以按时间从0Jt进行积分得dc=Lkdt(1-5)最后得CA的表达式为CA=CA)-kt零级反应速率和反应物的浓度无关。生物化学反应中，底物（受生化催化剂前作用的化合物称为底物）浓度很高时的酶促反应都属于零级反应。2 .单一组分的一级反应dcA.一=fccAdtA由上式可以得出CA=C4已邛（一6）(1-

6、6)一级反应的速率，有时也用半衰期（halflife）这一概念来描述。半衰期指物质由其初始浓度C41分解成L氢所需要的时间，以力2表示。由式（1-21）得In2 0.693，/2(1-7)放射性元素的衰变属于一级反应，因此常用半衰期来表示它们的衰变速率。3 两种反应物的二级反应如果已知下列两种反应物的反应是一个二级反应，A及B的初始浓度分别为CA）及C4，则产物P的浓度CP的表达式可以分别按CA）Wc%及CA=C综两种情形推导如下。（I）当WC综时，由二级反应的定义得与=SCB=XCb-X)（2）当初始浓度c%=C为时，反应速率式简化成以5c%代入式（1-15）可得出当两种反应物初始浓度相等时

7、，其二级反应的半衰期为1/2=，上式说明这种二级反应的半衰期与反应物的初始浓度成反比。一4 .两种反应物的伪一级反应当上述二级反应A+BP中的某一级反应物，例如B的浓度很高，以致可以视为在反应过程中浓度不变时，因此可得de=SQ=k,c（1-8）上式中CB可视为常数，所以ZQ用另一常数/代替，因而变成A的一级反应的速率方程。这样所得到的一级反应，称为伪一级反应；/称为伪速率常数（PSeUdO-rateconstant）。5 .三级和更高级的反应三级的基元反应包括下列三种情况：（1）当参加反应的是三种不同的物质时，反应式可写成A+B+ClP这样就得到速率方程为dcA-=acbcc（2）当反应物只

8、有两种时，反应式可写成2A+B-P相应的速率方程为（3）当反应物只有一种时，反应式可写成3A-P,相应的速率方程为三级以上的反应研究很少。6.求反应的级数推理得出基元反应的反应物A的反应级数n与半衰期S2的关系如下:/2OC）_式中，Ca,为A在t=0时的浓度。利用上式可得出求反应级数的图解法，如图1-2所示。图1-2求基元反应的级数1-3较复杂的反应本节讨论由几个简单的基元反应所组合成一种反应，包括平行反应、可逆反应、串联反应和准稳态反应四种情况。1 .平行反应当反应物A可反应产生B,同时也可反应产生C,其速率常数分别为片及0时，这样的反应称为平行反应或竞争反应。平行反应可表示为ABA-Cc

9、a（1-8）以式（1-20）代入式（1-18）得r”ay,-(k+k2)ti+2_k2c-(i+2)/)2 .可逆反应在可逆反应中，如果A及B的初始浓度分别为C%及Cfifl,在时刻t的A及B浓CA及CB的表达式可推导如下：X=l-e)CA3 .串联反应反应物A产生产物B,产物B又作为反应物产生产物C,这种反应称为串联反应，串联反应可表示为-lB-C这一反应中，速率常数匕e如果A的初始浓度为CA),则在时刻t的浓度5、CB及Ce间存在下列关系：Ca=CaC*(1-9)以式(1-26)代入式(1-23)得4 .准稳态反应在催化反应的过程中，先产生由反应物A与催化剂C结合成的中间复体AC,复体再经

10、分解形成产物B,这种反应可以作为串联反应来研究。表示如下：&.A+CAC-C+B+(x)k2式中(X)代表反应所产生的其它不需要成分，一般不写出来。在生物化学中，常用S及E分别代表底物及酶，上面反映相应地表示为h.S+EES-E+Ph分为一级反应及二级反映两种情况来讨论。（1）一级反应(1-12)这种把复体浓度以C视作恒定的反应称为准稳态反应，（2）二级反应(1-13)(1-14)鼠+k3CACCCAC1-4速率常数k与温度的关系反应速率常数k与温度的关系可用Arrhenius方程来表示:dink_EadF1-5非基元反应的动力学模型在反应模型的基元反应中，往往要出现自由基与活化复体这些中间物

11、。活化复体都用星号来表示，为了把模型的基元反应组合成由实验所得的速率公式，往往要进行假定以简化求解过程。通常是以下列两个假设中选用一个：（1）速率决定步骤的假定即在所有基元反应中存在一个速率比前面或后面的其它反应都很慢的步骤。由于整个反应过程的速率受这个最慢反应的控制，因此这一步骤称为速率决定步骤。（2）稳态假设即在整个反应过程中，虽然连续发生的基元反应步骤速率是相匹配的，但其中出现的中间物种的浓度变化速率却很小，可视为零。上述两个假定并互不相容，因为在出现一步速率决定步躲之后，后面的基元反应必然要出现稳态现象。1-6水处理中有关的动力学问题L铁和镒的氧化去除水中Fe?+和Mn2+的方法是靠把

12、它们氧化成产生沉淀物。2臭氧的分解臭氧在水中的分解速率可表示为一缘上皿一1加3晶体成长动力学在无副成作用的情况下晶种在亚稳态过饱和溶液中的成长速率可表示为第二章反应器(-)教学设计Ll本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面反应器概念、分类与设计反应器设计参数及影响因素物料衡算方程与FiCk第一扩散定律1.2 本章节重点本章节重点：掌握物料恒算方法、FiCk第一扩散定律、气液扩散、多空丸模型、活塞流与CSTR反应器反应过程分析、对比、阶式CSTR过程分析、有关的停留时间函数、实验确定停留时间函数、液龄分布函数混合与动力学过程、分散模型与反应器本章节难点：多空丸模型、停留时间函数与反应器、液

13、龄分布函数混合与动力学过程、分散模型与反应器1.3 本章节教学内容本章教学内容如下2.反应器物料衡算方程与Fick第一扩散定律2.1 物料衡算方程2.2 浓度与扩散速率2.3 FiCk第一扩散定律多相反应与均相反应2.4 氧气在水膜内的扩散和反应2.5 多孔丸模型连续均相反应器2.6 活塞流反应器2.7 连续搅拌反应器2.8 阶式CSTR停留时间函数、混合与反应2.9 停留时间函数2.10 实验方法2.11 E(t)函数的组合2.12 液龄分布函数的统计参数2.13 E(t)混合与反应动力学分散模型2.14 无量纲化2.15 分散模型反应器的容积2.16 反应器的设计2.17 各种反应器容积的

14、比较1.4本章节教学方法1 .情景导入从靶向抗癌药物、光催化实验室过程过渡到工业设计生产过程入手。2 .双案例关联反应器在基础研究方面的应用（案例三）反应器在工程设计方面的应用（案例四）3 .5本章节教学互动与考核在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，要求并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互

15、动情况作为课程成绩考核的一个部分，结合最后的理论课闭卷考试完成对课程教学的考核。（二）教学内容1 .反应器概念反应器概念、反应器理论原理与工程应用2 .反应器具体内容反应器概念、分类与设计反应器设计相关参数确定及影响因素反应器设计中设计的相关比较与讨论第二章反应器2-1物料衡算方程物料衡算方程的分析QPn+Vfa=QPa+V誓（2-1）=Qpa,-Qp注意：(1) V有时看成反应器总体，有时为微区；(2) 公式的前提条件是：在V中，P-q及也都可看作是均匀分布的。at2-2浓度与扩散1 .通量的定义通量=扩散速率X浓度2 .质量浓度、质量分数(massfraction)及物质的量浓度、摩尔分数

16、(molefraction)的关系以A、B二元体系为例来说明。3 .混合物的局部平均速率Iz及局部摩尔平均速率的定义2-3FiCk第一扩散定律1.Fick第一扩散定律分子扩散：物质通过它们的分子活动而相互渗透的现象。分子扩散的四种推动力：浓度梯度(常扩散)、压力梯度(压力扩散)、作用力差(强制扩散)、温度梯度(温度扩散)。一般的扩散指的是常扩散FiCk第一扩散定律的基本公式Ja=-cDb(2-2)OZcaJA=-Dab(2-3)OZ实用形式:Na(2-4)1 -xz2 .扩散系数劣58称为二元混合物的互扩散系数，表示成分A在B中的扩散。2-4氧气在水膜内的扩散和反应1 .多相反应模型多相反应是

17、假定氧气在通过水膜的扩散过程中不发生反应，反应只发生在生物膜的表面，即氧气到达水膜底后才发生反应，反应速率为：dk%B(2-5)实际过程ZO水眼ISyMTf至画诘以图21氧气在水膜内的扩散浓度在Z方向上的变化关系为：2 .均相模型均相反应假定在整个水膜内部发生稳态反应，反应速率表示为ro=Nc(2-7)浓度在Z方向上的变化关系为：Qcosh%J若Z=S,则有：空=.1(2-9)7cos11/%图2-2均相反应模型3 .讨论在M%a与&%a等值的情况下，两种模型中%的值可以说是比较接近的；这说明均相与多相只是一种分析方法的不同选择，而不必作为一种必须严格加以区分的概念。2-5多空丸模型L多空丸数

18、学模型a.球的半径为Z,球的单位体积所含的表面积、即比表面为，单位为cm2cm3;b.边界条件为：当Z=O时反应物的浓度C=0；Z=Z时C=CZ,(c在多空丸内，浓度C不是连续的。所以用某一点附近的无限小体积内的浓度平均值来代表这一点的浓度)c.球内反应速率F=Td.有效扩散系数为O。面积4弋田海积(b)微兀像克剖面图23多空丸模型依据模型得到C的表达式(2-10)2.有效系数E的概念MdM,(2-11)2-6活塞流反应器1 .活塞流反应器示意图uqjaQJ容积=Az/反应速率=八图2-4活塞流反应器2 .反应器内浓度及出口浓度c=cio(-k(2-11)co=ciexp(-)(2-12)3,

19、适用条件在垂直于液体的流动方向上可能有混合现象，而在液体流动的方向上完全不存在混合现象。2-7连续搅拌反应器(CSTR)1 .连续搅拌反应器的特点(1)进口反应器的流量皆为Q；2 2)A的出口浓度也必然是以。2. CSTR的一般方程式。%+用。9+噂3. 一级反应解.Tj皿-(映+喇在稳态时简化为4. 平行反应解的稳态解(1) CSTR的平行反应ABABrA=-(1+k2)c(2)稳态解(2-15)a1+(2)C=(2-16)Ii1(+%2)=Ok丛_(2-17)c1+(12)5.串联反应的稳态解A-B-2CC=一(2-31)A11。.以_以R(2-18)+心(1+1X1+2)。“他气/北Cc

20、=FOT)2-8阶式CSTR1.一级反应的情况下C=(2-20)”(1+)4-1)(2-2,)_V=Q.1(2-22)k结论：当阶式CSTR的个数n8,共总容积为V，总停留时Iy，反应为一级时，其作用和容积、停留时间与之相等的活塞流反应器完全等价。2 .二级反应的情况下(2-22)_-l+(l-4,.l)2Cn=213 .阶式CSTR的图解法(2-23)图27阶式CSTR的图解法2-9停留时间函数1 .基本概念死角、短路流、沟流、进口、出口。2 .液龄分布函数E(G的定义，从分布函数的定义得IEal)吹=1(2-24)3 .累积液龄分布函数F(t)=E(t)dt(2-25)4 .内龄分布函数I

21、(t)dt=1(2-26)5 .平均停留时间t=tE(t)dt(2-27)Jo2-10实验方法1.脉冲信号在瞬时内向容积为V流量为Q的反应器进水中注入mg示踪剂所构成的输入信号称为脉冲信号。E(r)=p(r)=C(Z)(2-28)mC()J=1(2-29)F(t)=2/p(t)dt=CQ)di(2-30)阶式CSTR的E(f)及FQ)曲线也可用脉冲信号的概念求出：-=。/1 J exp(- r,)F(r) = 1 - exp(- nt / ,) 1 + +f1 +- z 2!, J(-2.阶梯信号PiP*PG -PO p-O0/O(2-45)Z XM-I-y iRJ 0(a)图2-8阶梯信号(

22、1)以CSTR为例按第一种阶梯信号进行推到可得：F(r)=l-ezzv(2-32)E()=l=e-v(2-33)dtV(2)以CSTR为例按第二种阶梯信号进行推到可得到：石=旦夕e-。”=戛心丫(2-34)Yp,VF()=zE(t)dt=1-e-Q”(2-35)2-11Ea)函数的组合两个CSTR串联的形式E1+2(r)=jE1(r-)E2(r)Jr(2-36)对于n个反应器组合成的阶式反应器的液龄分布函数为E阶=EE2-En(2-37)对n个串联的阶式反应器同样可得：A(0E1()E2EttQ)=po(t)(2-38)2-12液龄分布函数的统计参数停留时间的展形(spread)用标准差囚或方

23、差j来表征，苏为对平均停留时间，的二阶矩，产-2a,2=(t-t)Etdt(2-39)由n个反应器组成的阶式反应器，其平均停留时间与方差分别为E阶=El+E2+E3+-En(2-40)苏二端+竭+端+叱(2-41)当用无量纲时间e=来表示液龄分布函数时，EQ)与E(O)间的关系为EIES)=LE(2-42)t上述统计参数的无量纲形式分别为：从供=Eg)d9(2-43)=KeEg)d。(2-44),严-2j=j(-)E)d(2-45)对具体的曲线以用离散形式的公式计算较为方便，因此得下列关系:(2-46)(2-47)(2-48)(2-49)相应的离散形式为a(ol,?Pr(O2-13七、混合与反

24、应动力学1 .流体的分离度在一级反应的情况，宏观流体与微观流体的解才是一致的，上函数才与反应结果有关，在非一级反应的情况下，两者的解完全不同。一般说来：反应级数1时，完全分离(宏观混合)的反应产率最大；反应级数=1时，反应速率受分离度的影响；反应级数1时，完全微观混合的反应产率最大。2 .混合的迟早度混合迟早度的概念。以表示反应级数，则得当VI时,印吃当=1时，同=%当e时，讣Re当Vl时，早混合的反应效果最好；当=1时，混合迟早度对反应效果无影响;当1时，迟混合的反应效果最好。3 ,分离度的综合评定David与Villermaux提出用三个特征时间来描述反应器的混合分离度状态。一个特征时间是

25、平均停留时间。，另外两个特征时间定义如下：112。(2-50)(2-51)(2-52)按照三个特征时间大小关系的九种组合，可以得出如下表2-1所示的各种混合状态表2-1反应器混合状态C,0ImIrIm。微观混合部分分离完全分离t,n部分分离完全分离完全分离葭完全分离完全分离完全分离2-14无量纲化无量纲化的运算是为了工程中的微分方程求解的一种手段。把原来微分方程中有量纲的量或微分运算转换为无量纲的量或微分运算，可以由原来方程按下面关系直接得出：（原方程）有量纲的量=无量纲方程有量纲的特征量X无量纲量（原方程）有量纲的微分运算=（无量纲方程）有量纲量特征量的相应次方X无量纲的微分运算微分方程式的

26、无量纲化可以起三方面的作用：第一，可以使微分方程的解简化；第二，可以求出由该微分方程所描述的过程的相似准数；第三，可使几个难以分别测量的参数组合成一个较易测量的参数2-15分散模型无量纲数2称为分散系数，是反应器纵向分散程度的一个量度。UL当3。时，分散可忽略，得到了理想的活塞反应器；UL当时，分散很大，反应器内不存在浓度梯度，得到CSTR。UL当分散数不大时，在反应器进口处听输入的脉冲信号因分散作用所引起的信号曲线展形不大。式（2-75）的解为：Co=1exp-（2-53）2y（DUL）L4。/UZJ利用式（2-53）的正态误差曲线关系，可得到无量纲的方差计算公式:#=瑞54）当分散数g越大

27、时，分曲线的偏斜度越大。这些偏斜度大的曲线，其平均停留时间和方差要用下列公式计算：=-=(2-55)=22 ULUL)-e-UL,D)(2.56)对于开口的反应器来说,-1exP2y(DUL)(IS4。(Z)/UL)(2-57)-t D= = 1 + 2(2-58)ULj=4= 2 2 ULULJ(2-59)2-16反应器的设计1.间歇反应器孙&=CA四(2.60)2 .活塞流反应器。:7法（26）3 .CSTR(2-62)2-17各种反应器的比较1,间歇反应器与活塞反应器的比较两种反应器的G、匕及相等时，可得及=1+E(2-63)VP2 .CSTR与活塞流反应器的比较当CSTR与活塞流反应器

28、的、匕及相等时,YP(-)m(-力(2-64)在一级反应的条件下，CSTR的容积总是大于活塞流反应器的容积。当反应级数iWI时，同样可推导出匕二0T)vp (1-怖-(1- 尸(2-65)3 .阶式CSTR与活塞流反应器的比较在一级反应的条件下，当串联的个CSTR与活塞流反应器的转化率相等时个CSTR的容积V阶与活寒流反应器容积匕,之比为:n1(2-66)V阶=vPM(I-)第三章活性炭吸附（-）教学设计Ll本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面吸附现象及吸附等温线静态吸附与动态吸附吸附柱设计及原理1.2 本章节重点本章节重点：活性炭的制备、结构及性能、吸附等温线及意义、吸附公式的应用、

29、吸附柱的设计本章节难点：静态吸附与动态吸附传质差异、逆流吸附、有效容量、总吸附能力、有效容积及饱和百分数计算1.3 本章节教学内容本章教学内容如下3.活性炭吸附3-1活性炭的性能3-2吸附等温线3-3Langmuir公式的推导3-4吸附公式的应用3-5吸附柱的设计1.4 本章节教学方法1 .情景导入从吸附仿真（动态）过程入手。2 .双案例关联静态吸附在基础研究方面的应用（案例五）动态吸附在工程设计方面的应用（案例六1、2）3 .5本章节教学互动与考核在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的吸附剂及设备的相

30、关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解吸附剂基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，要求并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分，结合最后的理论课闭卷考试完成对课程教学的考核。（二）教学内容1 .活性炭制备、再生、结构与性能2 ,吸附等温线与应用3 .动静态吸附、吸附柱的设计第三章活性炭吸附3-1活性炭的性能L活性炭的来源CxHyOzH2O+Cm2 .活性炭的制作活性炭的制作分碳化600C以下，活化在800-9O（TC时，一般用蒸汽或二氧化碳

31、为氧化剂；当氧化温度在600以下时，一般用空气做氧化剂。碳化及活化后的晶体片状结构示意见图3-1o3 .活性炭的影响因素活性炭对于某一种物质的吸附能力与活性炭的原材料性质、碳化及活化的整个过程、吸附的环境因素以及再生操作过程都有密切的关系。4 .具体的吸附作用活性炭的吸附性能是由它的表面基团类型、比表面积和孔径的分布几个因素决定的。3-2吸附等温线L如何画出等温线开始(b)达到平衡图3-2吸附试验图3-3活性炭的吸附过程2,吸附等温线的类型常见的吸附等温线有三种类型，每种类型对应于一种吸附公式，如图34所Zjo(1)第一种类型的等温线，没有极限值，但”机却有一极限值o,这种类型的吸附试验资料可

32、用LangmUir公式处理。(2)第二类型的等温线，有一个极限值2，称为饱和浓度，但必根却没有极限值。这种类型的等温线可用BranaUer和Emmett及TelIer(简称BET)公式处理。(3)第三类型的等温线，4和x/m都没有极限值，可用FreUndIiCh公式处So4,处理吸附等温线的公式(1) LangmUir公式为:X=b(xMP,mT+bpff式中，b为常数，以浓度”表示，其它符号同前(2) BET公式为：X=B(XlnPem(A-q)U+(8-1)2Px式中，B为常量(3) FreUndlieh公式为：式中包括K1及n两个常量。Langmuir和BET公式都是理论公式，Freun

33、dlich公式则属于经验公式。Langmuir公式是根据吸附的物质只有一层分子厚的假设推导出来的。由于吸附剂的表面积是一定的，Langmuir公式中必然要出现一个吸附量的限值来，使这个公式可以整理I型吸附数据。BEF公式则从可以吸附多层物质的假定推导出来的，故吸附量没有极限值，平均浓度则以被吸附物质的饱和浓度为极限。这就符合了II型吸附数据的规律。FreUndIiCh公式则能适应介乎上述两者间的吸附情况。3-3Langmuir公式的推导自学3-4吸附公式的应用1 .求吸附公式中的常数数据分析。2 .逆流吸附CSTR、顺、逆流吸附概念3-5吸附柱的设计活性炭吸附柱设计不外下列三种类型：重力固定床

34、、压力固定床以及硫化床,如图3-5所示。(a)重力固定床(b)压力胃定床(C)流化床图3-7吸附柱的类型1 求活性炭的容量传质系数JPe=mkafp-pe2.303pe可以绘成如图38所示的直线，由直线的斜率可求出2.303Aka值来。2 .吸附柱的泄漏和衰耗过程允许的最高出水浓度/则称为吸附柱的泄漏浓度，所生产的总水量为匕，它相应的运行时间务称为吸附周期。当出水完全达到Pi的时间较长时，这时通过吸附柱的总水量为匕。出水浓度达到4时称为泄漏，这时吸附柱所吸附有机物的总量称为吸附柱的有效容量，它代表了吸附柱的可能处理合格水的能力。出水浓度达到心时称为耗竭，这时吸附柱所吸附有机物质了代表了吸附柱所

35、具有的总吸附能力。产水累计量产图3-9吸附柱的泄漏和耗竭曲线由图3-9可以看出，面积。匕2则代表了吸附柱的总吸附能力。匕M匕匕所代表的是有机物的能力。在吸附柱的运行过程中，有一个的吸附厚度从吸附开始逐渐从柱顶向下运动，在泄漏时间八达到柱底，并在耗竭时间4完全消失掉。这个厚度称为吸附带。吸附带代表了原水中有机物浓度从px被去除到ph所必须通过的最小吸附柱厚度。OVVt e)泄漏与耗竭轴战I I新蚱活性炭切完全饱和活性爱图饱和分数为/的柱高d超展*(b的定义九“产水累计量q”运行时间图3-10泄漏耗竭曲线的物理涵义(b)吸附等温线及操作线由上面讨论，可知吸附带的总吸附能力为面积匕匕以所代表的有机物

36、，但当吸附带到达柱底后，它只具有面积匕匕匕所代表的吸附能力。因此，可定义吸附带的分数容量/为面积用Rvr=(73)厘米吸附柱的全部吸附能力,=面积.%一雁米吸附柱的全部吸附能力吸附柱的饱和百分数=J逆XIoO%L3 .吸附柱的设计建立吸附过程曲线与容量传质系数的关系主要是找出这一曲线的s形末端与容量传质系数间的关系。这一关系可以通过分析从吸附带厚度到达柱底(此时吸附柱到达吸附周期%)起到它的吸附能力完全耗竭止(即到达耗竭时间rr)的吸附能力消失过程。吸附能力的消失也就是吸附带的消失。参看图3-11。(a)柱底吸附带中的x/m分布曲线图3-11/及b已知后，就可以由式两个式子计算吸附柱的有效容积

37、及饱和百分数。第四章传质及曝气（-）教学设计Ll本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面气-液传质模型、数学模型来描述传质过程（Whitman、Higbie、DanCkWertS理论）曝气设备的传质分析吹脱塔原理与设计1.2 本章节重点本章节重点：双膜理论、曝气设备充氧能力、气泡传质、机械曝气、鼓风曝气、水膜的传质、氨吹脱本章节难点：双模理论理解、气泡与水膜的传质过程与应用1.3 本章节教学内容本章教学内容如下4.传质及曝气4-1亨利定律4-2气一液传质模型4-3相似现象与相似准数4-4曝气设备的充氧能力4-5气泡的传质性能4-6鼓风曝气4-7机械曝气4-8水膜的传质性能4-9吹脱塔1.4

38、本章节教学方法1 .情景导入以鱼塘增氧机、曝气管入手、吹脱塔的图片入手，引入传质、曝气、吹脱塔概念。2 .双案例关联传质在基础研究方面的应用（案例七）传质在工程设计方面的应用（案例八）1.5本章节教学互动与考核在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作

39、为课程成绩考核的一个部分，主要问题有：传质的类型、鱼塘增氧原理、曝气充氧原理、高氨氮废水处理、抽风机尾气处理、吹脱设计相关问题、填料与传质等。结合最后的理论课闭卷考试完成对课程教学的考核。（二）教学内容1 .传质及曝气原理传质概念、气液传质模型、相似准数、机械曝气、鼓风曝气与吹脱2 .传质及曝气与应用（1）机械曝气与鼓风曝气的原理与设计（2）氨氮吹脱原理与吹脱塔设计；4.1 亨利定律水溶液的亨利定律对水溶液亨利定律为：CA=HAPA式中：HA为亨利常数的另一形式，单位为molLPa,亨利常数KA与温度间的关系：IgkA=T+KRF4.2 气一液传质模型用数学模型来描述传质过程，常用有：（1）1

40、926年由Whitman提出的双膜理论，（2）1935年由Higbie提出的浅渗理论，（3）1951年由Danckwerts提出的表面更换理论。1 .双膜理论双膜模型三个假定：A.在气一水交界面的两边各有一层不动的膜；B.氧的传递过程是稳定的，即通过气膜通量与通过水膜的通量是相等的；C.在交界面上，气与水立即达到平衡状态。图4-1传质的膜小意图4-2双膜理论KL为总传质系数1_Hk|+勺K= k、H1=1除网(4-1)式中，IZKl代表总阻力，HZkg及出分别代表气膜及水膜的阻力，即总阻力为两者之和，这是双膜理论的基本点。Kl=(4-2)n水膜的阻力控制了整个传递过程，氧气在水中的传递即属于这

41、种情形。2 .浅渗理论基本点是在气液相重复短暂的接触中不能达到稳态。3 .表面更换理论面积微元在相应的接触时间内所传递的质量总和作为传质量。通量按这个概念来计算。4.3相似现象与相似准数1 .相似现象(4-3)雷诺数He=出(4-4)弗劳德数Fr二二g/相似理论三条定理：相似的现象，其相似准数的数值相等。(b)在相似现象的相似准数K”K2,K3,，Kn间可以得出一函数关系：f(K1,K2,K3.,Kn)=O(4-5)(C)两现象的单值量(即构成现象的决定量，如流体运动中的长度、速度、g及U等)一样，由这些单值量组成的准数数值相等时，则两现象相似。一般常把相似准数表达为下列函数形式：K=cK；K

42、；K：(4-6)式中，c、a、b等均为常数，常指只略受系统的几何形状的影响，c受几何形状的影响则很大，它实际上是一个形状系数。2 .颗粒物或气泡在流体中的沉降或浮升速度颗粒在流体中所受的重力耳=jMlp3(p-p1)g(4-7)6V2Tid2颗粒下沉时水的阻力B=4乃38)yrodvn?V,2d：7d；PP=工叫(Pp-CdP-(4-9)6at624一般终速度指加速度为O时的VP可得=4A，gdp(4-10)3C/)P雷诺数为Re=匕=空(4-11)CD值可划分为层流、过渡及紊流三个区。层流区的CD与雷诺数之间呈直线关系变化：Cd=-(4-12)ReStokes公式：vp=-_gdp2(4-13)(适用于Re0.2)1QC过渡区(0.2Re500）Cd=0.44为常数(4-16)(4-17)相应的沉降速度为VP=I.74JP一;“43 .Crashof数l3ppg（Cao-ca）项称为传质的CraShOf数，反映由于浓度差产生自然对流的相似准数.常用Cr代表。（CAIA）代表一个浓度差Aca,实际也反映了水的密度差/7,传质的CraShOf数可写成Gr=(4-18)4 ,扩散过程的相似包括两个相似准数，一个是控制主体扩散过程的Schm