化学反应工程课件-8
合集下载
化学反应工程(第三版)陈甘棠主编第八章气液两相反应器PPT课件
（8-14）
定常态操作时，单位界面上反应量等于扩散通量，即
NA(rA )d SA n dtD LA ddA czz0
将A的浓度分布对z求导后代入上式得
式中，
N A( rA )D L LA cA 1 i b D L L D c B c B A AL i kLc A Ai
k LA
DLA L
，称为液膜传质系数。
（8-16）
1 DLBcBL bDLAcAi
，称为瞬间反应的增强系数。物理意义是气
液反应条件下组分A的消失速率与最大物理吸收速率 kLAcAi 之比。 13
式（8-15）中cAi是界面浓度，难以测定，工程设计中通常将 其换算为容易测量的pA来表示的反应速率。因为，
N AkG(A p Ap A)i( rA )kLc A A 1 ib D L L D c c B B A A L i
第八章 气液两相反应器
1
整体概况
概况一
点击此处输入 相关文本内容
01
概况二
点击此处输入 相关文本内容
02
概况三
点击此处输入 相关文本内容
03
2
8.1 概述
气-液相反应是一类重要的非均相反应。主要分为二种类型： （1）化学吸收： 原料气净化、产品提纯、废气处理等。 （2）制取化工产品
a.
b.
c.
（淤浆床）
A ( g b) l) B P(( r A ) k A c B c
定常态条件下，在单位面积的液膜中取一厚度为dz的微元层，对组分
A作物料衡算：
D Ld A dAc z( rA )d z D Ld A d c zAd dAc d z z
整理得
DLAdd2cz2A kcAcB 0
化学反应工程课件-8讲解
15
习题1.1
第一章习题答案
一个75kg的人大约每天消耗6000kJ热量的食物,假设食物 为葡萄糖,其反应方程式为:
C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O -ΔH=2816kJ如果人吸入的空 气中含CO20.04%、O2 20.96%，呼出的气体中CO2含量上 升到4.1%、O2含量降低到16.1%，请问人每千克体重代 谢所消耗的空气的速率。
➢ 循环操作的平推流反应器 ➢ 反应器特性特性分析---推动力
化学反应推动力------体系组成与平衡组成的差 化学反应的化学势
3
复习
返混对反应器体积的影响（反应级数n>0)
xA dxA
0 rA
xA rA
V
v0cA0
xA 0
dxA rA
V
v0cA0
xA rA
返混对反应器体积的影响（反应级数n<0)
该反应为一级不可逆反应,反应速率常数与温度的关系为:
k 1.391014 exp( 37700) RgT
c c α1α 2 bβ1> β2, A、B维持高 水平
α1> α2，β1< β2, A浓度高水平、 B在低浓度水平 1）半间歇反应器， 2）平推流，A可以轴向进料， B侧向连续进料 3）多级串联全混流反应器
8
流动模型与反应选择性
总选择性定量分析最终产品分别：
s
1 xA
• x=0.201 y=103.96 • 反应需O2: 6000/2816/0.201×6=63.6 (mol) • 空气消耗速率: 63.6/0.2096/75=4.05 mol/kg • 4.05×22.4/24/60=0.063 L/min·kg
17
习题1.1
第一章习题答案
一个75kg的人大约每天消耗6000kJ热量的食物,假设食物 为葡萄糖,其反应方程式为:
C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O -ΔH=2816kJ如果人吸入的空 气中含CO20.04%、O2 20.96%，呼出的气体中CO2含量上 升到4.1%、O2含量降低到16.1%，请问人每千克体重代 谢所消耗的空气的速率。
➢ 循环操作的平推流反应器 ➢ 反应器特性特性分析---推动力
化学反应推动力------体系组成与平衡组成的差 化学反应的化学势
3
复习
返混对反应器体积的影响（反应级数n>0)
xA dxA
0 rA
xA rA
V
v0cA0
xA 0
dxA rA
V
v0cA0
xA rA
返混对反应器体积的影响（反应级数n<0)
该反应为一级不可逆反应,反应速率常数与温度的关系为:
k 1.391014 exp( 37700) RgT
c c α1α 2 bβ1> β2, A、B维持高 水平
α1> α2，β1< β2, A浓度高水平、 B在低浓度水平 1）半间歇反应器， 2）平推流，A可以轴向进料， B侧向连续进料 3）多级串联全混流反应器
8
流动模型与反应选择性
总选择性定量分析最终产品分别：
s
1 xA
• x=0.201 y=103.96 • 反应需O2: 6000/2816/0.201×6=63.6 (mol) • 空气消耗速率: 63.6/0.2096/75=4.05 mol/kg • 4.05×22.4/24/60=0.063 L/min·kg
17
化学反应工程全套教学课件
可逆反应 不可逆反应
❖ 按照反应分子数分
单分子反应 双分子反应
多分子反应
❖ 按照反应机理分 单一反应
多重反应
平行反应 同时反应 连串反应 平行连串反应 集总反应
平行反应：一例如：氯苯的再氯化 k1
C6H5Cl + Cl2
k2
对-C6H4Cl2 + HCl 邻-C6H4Cl2 + HCl
❖ 本征动力学：又称化学动力学，是在理想条件下研究化学反 应进行的机理和反应物系组成、温度、压力等参数，不包括 传递过程及反应器结构等参数对反应速率的影响。
❖ 宏观反应动力学与本征动力学的区别：宏观反应动力学除了 研究化学反应本身以外，还要考虑到质量、热量、动量传递 过程对化学反应的交联作用及相互影响，与反应器的结构设 计和操作条件有关。
❖传递工程：涉及到动量传递、热量传递和质量传递。
❖工程控制：反应器的运转正常与否，与自动控制水平 相关。
1.4 化学反应工程学中涉及的定义
❖ 宏观反应过程：在工业规模的化学反应器中，化学反应过程 与质量、热量及动量传递过程同时进行，这种化学反应与物 理变化过程的综合称为宏观反应过程。
❖ 宏观反应动力学：研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应 动力学。
❖ 停留时间分布：在非理想流动中，不同的质点在反应器中的停 留时间不同，形成停留时间分布。
寿命分布：指质点从进入到离开反应
停留时间分布有两种
器时的停留时间分布
年龄分布：指仍然停留在反应器中的
质点的停留时间分布。
寿命和年龄的关系：寿命是反应器出口处质点的年龄。
❖ 返混：不同停留时间的质点或粒子的混合称为返混，又称为 逆向混合。是不同年龄质点的混合，逆向是时间的概念上的 逆向，不同于一般的搅拌混合。
化学反应工程 第八章
第八章流-固相非催化反应概述流–固相非催化反应简称流–固相反应,是一类重要的化学反应,这类反应中有流体–气体或液体,有固体,可表示为:A(流体)+B(固体)→C(流体)+D(固体) 这是一个普遍式,实际反应按A、B、C、D物相组合方式具有多种类型，但其中的固体不是催化剂，而是反应物或者产物。
本章主要内容如下：1．流–固相反应的分类及特点；2．收缩未反应芯模型及总体速率；3．流–固相反应器及计算。
第一节流–固相非催化反应的分类及特点8-1 流–固相非催化反应的分类流–固相反应可以分为气-固相反应和液–固相反应两大类。
一、气–固相非催化反应气–固相反应可以分成五类。
1．A（固）→B（固）+C（气）固体分解反应，是工业上制备金属氧化物的主要反应。
CaCO3（S）= CaO（S）+CO2（g）2NaHCO3（S）= Na2CO3（S）+H2O（g）+CO2（g）2．A（固）+B（气）→C（固）金属的氧化、低价氧化物的氧化以及特殊固相产品的制备。
4Fe（S）+O2（g）= 2Fe2O3（S）CaC2（S）+N2（g）= CaCN2（S）+ C（S）电石石灰氮3．A（固）+B（气）→C（气）固体气化反应，在化工生产中广泛应用，例如煤的燃烧和气化反应。
C（S）+ O2（g）= CO2（g）C（S）+ H2O（g）= CO（g）+ H2（g）2C（S）+ O2（g）= 2CO（g）4．A（固）+B（气）→C（固）+D（气）这类反应在气–固相反应中最为普遍，广泛的涉及各个工业领域。
在冶金工业中，金属硫化物有矿石的氧化焙烧反应：4FeS2（S）+11O2（g）=2Fe2O3（S）+8SO2（g）2ZnS（S）+3O2（g）=2ZnO（S）+2SO2（g）氧化锌脱硫反应：ZnO（S）+H2S（g）=ZnS（S）+H2O（g）5．A（气）+B（气）=C（固）+D（气）这类反应是制备超细材料的一种重要方法，例如：TiCl4（g）+O2（g）= TiO2（S）+2Cl2（g）TiCl4（g）+CH4（g）= TiC（S）+4HCl（g）TiC为高温陶瓷粉末。
化学反应工程英文课件Chapter 8
化学反应工程
Chapter 8 Potpourri of Multiple Reactions
Chapter 7 considered reactions in parallel. These
are reactions where the product does not react further. This chapter considers all sorts of reactions where the product formed may react further. Here are some examples:
化学反应工程
In the al‟ternative (二中择一的) way (shown in Fig. 8.2) of treating A, a small fraction of the beaker‟s contents is continuously removed, ir„radiated, and returned to the beaker. Although the total absorption rate is the same in the two cases, the intensity of radiation received by the removed fluid is greater, and it could well be, if the flow rate is not too high, that the fluid being irradiated reacts e‟ssentially to completion. In this case, then, A is removed and S is returned to the beaker. So, as time passes the concentration of A slowly decreases in the beaker, S rises, while R is absent (缺 席的). This progressive change is shown in Fig.8.2.
Chapter 8 Potpourri of Multiple Reactions
Chapter 7 considered reactions in parallel. These
are reactions where the product does not react further. This chapter considers all sorts of reactions where the product formed may react further. Here are some examples:
化学反应工程
In the al‟ternative (二中择一的) way (shown in Fig. 8.2) of treating A, a small fraction of the beaker‟s contents is continuously removed, ir„radiated, and returned to the beaker. Although the total absorption rate is the same in the two cases, the intensity of radiation received by the removed fluid is greater, and it could well be, if the flow rate is not too high, that the fluid being irradiated reacts e‟ssentially to completion. In this case, then, A is removed and S is returned to the beaker. So, as time passes the concentration of A slowly decreases in the beaker, S rises, while R is absent (缺 席的). This progressive change is shown in Fig.8.2.
《化学反应工程》课件
《化学反应工程》PPT课 件
欢迎来到本次《化学反应工程》PPT课件！在本课件中，我们将探索化学反 应工程的定义、重要性、应用领域、基本步骤和关键要素。
课程介绍
在这个章节中，我们将简要介绍《化学反应工程》课程的目标和内容。
化学反应工程的定义
1 探索化学变化
了解化学反应工程是研究和优化化学反应的过程。
2 最大化产出
学习如何设计反应条件以获得最高产出率。
3 确保安全
了解如何在反应过程中确保操作员和环境的安全。
化学反应工程的重要性
产品开发
化学反应工程为新产品开发提 供支持。
过程优化
优化反应工程可提高生产效率 并降低成本。
环境保护
合理设计反应过程有助于减少 环境污染。
化学反应工程的应用领域
1
医药行业
化学反应工程在药物合成和制造中起着
能源领域
2
重要作用。
反应工程可应用于石油炼制和可再生能
源生产。
3
化工行业
化学反应工程可促进化学品的生产和工 艺改进。
化学反应工程的基本步骤
反应评估
评估反应的适用性和可能的反应机制。
实验验证
通过实验室测试验证反应方案。
方案设计
制定合适的反应方案和条件。
工业应用
将优化后的反应方案应用于工业生产。
化学反应工程的关键要素
反应器设计
合理设计反应器以实现高效的反 应。
催化剂选择
选择适当的催化剂以促进反应速 率。
过程制
实时监测和调控反应过程以确保 稳定性。
结论和总结
通过本课程，您将掌握化学反应工程的核心知识，并能在实际应用中应用所 学。
欢迎来到本次《化学反应工程》PPT课件！在本课件中，我们将探索化学反 应工程的定义、重要性、应用领域、基本步骤和关键要素。
课程介绍
在这个章节中，我们将简要介绍《化学反应工程》课程的目标和内容。
化学反应工程的定义
1 探索化学变化
了解化学反应工程是研究和优化化学反应的过程。
2 最大化产出
学习如何设计反应条件以获得最高产出率。
3 确保安全
了解如何在反应过程中确保操作员和环境的安全。
化学反应工程的重要性
产品开发
化学反应工程为新产品开发提 供支持。
过程优化
优化反应工程可提高生产效率 并降低成本。
环境保护
合理设计反应过程有助于减少 环境污染。
化学反应工程的应用领域
1
医药行业
化学反应工程在药物合成和制造中起着
能源领域
2
重要作用。
反应工程可应用于石油炼制和可再生能
源生产。
3
化工行业
化学反应工程可促进化学品的生产和工 艺改进。
化学反应工程的基本步骤
反应评估
评估反应的适用性和可能的反应机制。
实验验证
通过实验室测试验证反应方案。
方案设计
制定合适的反应方案和条件。
工业应用
将优化后的反应方案应用于工业生产。
化学反应工程的关键要素
反应器设计
合理设计反应器以实现高效的反 应。
催化剂选择
选择适当的催化剂以促进反应速 率。
过程制
实时监测和调控反应过程以确保 稳定性。
结论和总结
通过本课程，您将掌握化学反应工程的核心知识，并能在实际应用中应用所 学。
《化学反应工程》课件
部分模化法
将反应器的一部分进行放大或缩小， 以研究其放大效应或缩小效应。
相似放大法
通过相似理论来预测大试实验结果， 需要保证相似条件得到满足。
04
流动与混合
流动模型与流型
1 2
层流模型
适用于低雷诺数的流体，流速较低，流体呈层状 流动。
湍流模型
适用于高雷诺数的流体，流速较高，流体呈湍流 状态。
3
过渡流模型
化学反应影响流动特性
化学反应释放的热量和产生的压力变化会影响流体的流动状 态。
流动与混合实验技术
实验设备
包括管式反应器、搅拌釜式反应器、喷射式反应器等。
实验方法
通过测量流体的流速、压力、温度等参数，分析流动与混合对化学反应的影响 。
05
传递过程与反应器的热力学基础
传递过程基础
传递过程定义
物质和能量的传递是自然界和工程领域中普遍存在的现象，传递 过程是研究物质和能量传递规律的科学。
通过调节进料浓度来控制反应物浓度，保证反应的稳定性和效率。
催化剂选择与优化
选择合适的催化剂并优化其用量，提高反应效率和选择性。
反应器放大与缩小
经验放大法
根据小试实验数据和经验公式，通过 比例放大来预测大试实验结果。
数学模拟放大法
通过建立数学模型来模拟反应过程， 并利用计算机技术进行放大和缩小实 验。
管式反应器
适用于连续操作和大量生产，传热效果好， 适用于高粘度液体和悬浮液。
流化床反应器
适用于固体颗粒的反应，传热效果好，适用 于大规模生产。
反应器设计基础
反应动力学
研究反应速率和反应机理，为反应器设计提 供基础数据。
热力学
研究反应过程中的能量变化和物质平衡，为 反应器设计提供热力学依据。
化学反应工程课件-PPT
k/
k
K
1/ p
E
E
1
H
r
ln
k
ln
k
1
ln
K
p
d ln k dT
d ln k dT
1
d ln K p dT
1
H r 1R4T 2
E
E
1
H r
对于吸热反应，ΔHr>0 对于放热反应，ΔHr<0
EE
EE
●反应 速率与 温度的 关系
r k f (X A) k g(X A)
r
dk
dk
( T ) xA f ( X A ) dT g( X A ) dT
kcA0 (1 X A ) (cB0
B A
cA0 X A )
(2.48)
XA——t
● 变
AA BB PP
ci
ni V
XA
容
过 程
* rA kcAcB
1 V
dnA dt
kcA cB
30
AA BB PP
组分
A B
反应前(XA=0)
nA0
1 j A1 2 j A2 ij Ai 0 rj
1M A1 2M A2 iM Ai 0 rM
M
i ij r j (*) j 1
rj
？
i
●忽略次要反应，确定独立反应数M；
●测M个组分的 i
●对每个组分按（*）式,建立M个线 性方程；
●求解代数方程组，得 rj.
22
例：乙苯催化脱氢反应可以用下列方程式表示
不受其他反应的反应组分浓度的影响。
特殊 情况
●多相催化反应； ●变容气相反应.
化学反应工程 课件
t/hr
cA
cA0-cA
ln
cA cA0
0
0.2332
0
0
1
0.2168 0.01636
0.07298
2
0.2059 0.02732
0.1245
3
0.1966 0.03662
0.1707
4
0.1879 0.04525
0.2160
• 式中： cA，cB：A，B组分的浓度 mol.m-
3
• kc为以浓度表示的反应速率常数，随反应 级数的不同有不同的因次。kc是温度的函 数，在一般工业精度上，符合阿累尼乌 斯关系。
36
阿累尼乌斯关系
E
kc kc0e RT
• kc0 ：指前因子，又称频率因子，与温度 无关，具有和反应速率常数相同的因次。
• 因此，该量ξ可以作为化学反应进行程度 的度量。
• ξ恒为正值，具有广度性质，因次为[mol]。 • 反应进行到某时刻，体系中各组分的摩
尔数与反应程度的关系为：
nI nI0I
25
转化率
• 目前普遍使用着眼组分A的转化率来描述 一个化学反应进行的程度。
• 定义 xA转 A组 化分 了 A组 的 的 分 起 量 n始 A0nA 量 n0A
交换，全部反应热效应使物料升温或降 温。 • 3． 非等温、非绝热反应器，与外界有热 量交换，但不等温。
10
重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
11
搅拌釜式反应器
12
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
13
乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
14
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
化学反应工程-25-第八章-流化床反应器ppt课件
二、气泡的速度和大小 1、气泡的速度计算 单个气泡的平均上升速度可取：
u 0 . 711 gd br b
2 ① u u u 0 . 711 gd b 0 mf b 1
1 2
在实际床层中，气泡成群上升，其上升速度有不同的计算公式：
cm gd ② u b s
⑴气泡云与气泡的体积比 C 3 3 3 3 R R C b u 2 u 3 u V R b r f f C 4 C 1 1 C 3 V R u u u u 3 b b r f b r f b R b 4 ⑵气泡晕与气泡的体积比 V V C w Vb 显然： C w
⑶气泡所占床层的体积分率
b
一般认为：大于u0的气体均形成气泡，总的气体流量等于气泡及乳 相中气体流量之和。
u u u 1 0 b b mf b b
L L u u f mf 0 mf 则： b L u u 1 f b mf
四、气泡中的粒子含量 定义： b
有研究者认为：当 u br u t 时，粒子就被气泡带上，并可能从其底部
进入气泡，而使气泡破裂。故当 ubr ut 时为稳定气泡，反之则不稳定。
最大气泡直径应在 u br u t 之时，计算如下：
u 1 t d bmax .711 0 g
但实验表明，气泡的破裂常是由于粒子从气泡顶部侵入所致，故本式 的立论值得商榷。 另一计算式子为：d 0 . 652 A u b max tu 0
u mf u 当 u 时，uf为乳相中的真实气速，气泡内外由于 br f mf
气体环流而形成的气泡云变得明显起来，其相对厚度对圆柱形床，可按 下式计算： 3
《化学反应工程》PPT课件
种各样的化学反应，通常为了便于研究和应用， 将化学反应进行分类。下表中给出了常见的化学 反应分类、方法和种类，一些可能同时属于两个 或者更多的反应种类。
•
• 例如：
为一气固催化反应
a
7
• 三、反应过程的举例
• 一般来说反应过程包括: 物理现象--传递现象(热量
•
、动量和质量传递过程)
化学现象--化学反应
化学反应工程
教 师：朱 岩 武汉理工大学化工学院
a
1
第一章 绪 论
a
2
• 无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源 加工等工业过程，均采用化学方法将原料加工成 为有用的产品。生产过程包括如下三个组成部分：
•
• 第①和③两部分属于单元操作的研究范围； 而②部分是化学反应工程的研究对象，是生产过 程的核心。
a
10
时间 20世纪30年代 （萌芽阶段） 20世纪40年代 （系统化） 20世纪50年代 （学科确立）
20世纪60年代 (学科发展状大)
20世纪80年代到 90年代中期 (学科交叉和新技术运用)
标志性成果
对扩散、流体流动和传热对反应过程影响的 深刻认识
《化学过程原理》和《化学动力学中的扩散 与传热》出现，对学科形成奠定了基础
(c) 机械搅拌浆态床反应器 (f) 固定床鼓泡床反应器 (i) 喷雾塔式反应器 (l) 气液搅拌釜式反应器14
第三节 反应器的操作方式
间歇操作:一次性投料，卸料。反应物系参数(浓度 或组成等)随时间变化。 连续操作:原料不断加入,产物不断引出,反应器内 物系参数均不随时间变化。 半连续(或半间歇)兼有以上两种过程的特点，情况 比较复杂。
r=f（T、 、P）（对于一定的反应物系而言--
•
• 例如：
为一气固催化反应
a
7
• 三、反应过程的举例
• 一般来说反应过程包括: 物理现象--传递现象(热量
•
、动量和质量传递过程)
化学现象--化学反应
化学反应工程
教 师：朱 岩 武汉理工大学化工学院
a
1
第一章 绪 论
a
2
• 无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源 加工等工业过程，均采用化学方法将原料加工成 为有用的产品。生产过程包括如下三个组成部分：
•
• 第①和③两部分属于单元操作的研究范围； 而②部分是化学反应工程的研究对象，是生产过 程的核心。
a
10
时间 20世纪30年代 （萌芽阶段） 20世纪40年代 （系统化） 20世纪50年代 （学科确立）
20世纪60年代 (学科发展状大)
20世纪80年代到 90年代中期 (学科交叉和新技术运用)
标志性成果
对扩散、流体流动和传热对反应过程影响的 深刻认识
《化学过程原理》和《化学动力学中的扩散 与传热》出现，对学科形成奠定了基础
(c) 机械搅拌浆态床反应器 (f) 固定床鼓泡床反应器 (i) 喷雾塔式反应器 (l) 气液搅拌釜式反应器14
第三节 反应器的操作方式
间歇操作:一次性投料，卸料。反应物系参数(浓度 或组成等)随时间变化。 连续操作:原料不断加入,产物不断引出,反应器内 物系参数均不随时间变化。 半连续(或半间歇)兼有以上两种过程的特点，情况 比较复杂。
r=f（T、 、P）（对于一定的反应物系而言--
化学反应工程第八章流化床反应器课件
气泡上升到床层表面时的破裂将部分颗粒弹出床面。在 密相床上面形成一个含有少量颗粒的自由空域 （freeboard）。
一部分在自由空域内的颗粒在重力作用下返回密相床， 而另一部分较细小的颗粒就被气流带走，只有通过旋风 分离器的作用才能被捕集下来，经过料腿而返回密相床 内。
(3) 节涌流化床
对于高径比较大的流化床，直径较小， 当表观气速大到一定程度时，会由于气 泡直径长大到接近床层直径而产生气栓 （slug）。气栓像活塞一样向上升，而气 栓上面颗粒层中的颗粒纷纷下落，气栓 达到床层表面时即破裂。床层压降出现
A类颗粒称为细颗粒，一般粒度较小（30 ~ 100μm）并且颗
粒密度较小（ρp<1400 kg/m3）。 ➢ A类颗粒形成鼓泡床后，密相中空隙率明显大于临界流
化空隙率εmf ； ➢ 密相中气、固返混较严重，气泡相与密相之间气体交换
速度较高； ➢ 随着颗粒平均粒度降低，气泡尺寸随之减小； ➢ 催化裂化催化剂是典型的A类颗粒。
➢ 对于较小和较轻的A类颗粒，当表观气速ug刚超过临界 流化速度的一段操作范围内，多余的气体仍进入颗粒群 使之均匀膨胀而形成散式流态化，但进一步提高表观气 速将生成气泡而形成聚式流态化，这种情况下产生气泡 的相应表观气速称为起始鼓泡速度或最小鼓泡速度umb。
2. 聚式流态化与散式流态化
决定散式或聚式流态化的主要因素是固体与流体之 间的密度差，其次是颗粒尺寸。 当用水流化密度很大的铅颗粒，液-固流化床中也有大液 泡形成聚式流化行为。 当用1.5～2.0MPa压力下密度增大的空气流化260μm的砂 子，出现了散式流态化现象。 处于散式流态化的液-固流化床为均匀的理想流态化状态。
我国于1956年开始将流态化技术应用于工业装置，南京化学 工业公司自立更生建立了硫铁矿流化床焙烧装置，取代多层 硫铁矿机械焙烧炉，并迅速广泛推广，促进了硫酸工业发展。
一部分在自由空域内的颗粒在重力作用下返回密相床， 而另一部分较细小的颗粒就被气流带走，只有通过旋风 分离器的作用才能被捕集下来，经过料腿而返回密相床 内。
(3) 节涌流化床
对于高径比较大的流化床，直径较小， 当表观气速大到一定程度时，会由于气 泡直径长大到接近床层直径而产生气栓 （slug）。气栓像活塞一样向上升，而气 栓上面颗粒层中的颗粒纷纷下落，气栓 达到床层表面时即破裂。床层压降出现
A类颗粒称为细颗粒，一般粒度较小（30 ~ 100μm）并且颗
粒密度较小（ρp<1400 kg/m3）。 ➢ A类颗粒形成鼓泡床后，密相中空隙率明显大于临界流
化空隙率εmf ； ➢ 密相中气、固返混较严重，气泡相与密相之间气体交换
速度较高； ➢ 随着颗粒平均粒度降低，气泡尺寸随之减小； ➢ 催化裂化催化剂是典型的A类颗粒。
➢ 对于较小和较轻的A类颗粒，当表观气速ug刚超过临界 流化速度的一段操作范围内，多余的气体仍进入颗粒群 使之均匀膨胀而形成散式流态化，但进一步提高表观气 速将生成气泡而形成聚式流态化，这种情况下产生气泡 的相应表观气速称为起始鼓泡速度或最小鼓泡速度umb。
2. 聚式流态化与散式流态化
决定散式或聚式流态化的主要因素是固体与流体之 间的密度差，其次是颗粒尺寸。 当用水流化密度很大的铅颗粒，液-固流化床中也有大液 泡形成聚式流化行为。 当用1.5～2.0MPa压力下密度增大的空气流化260μm的砂 子，出现了散式流态化现象。 处于散式流态化的液-固流化床为均匀的理想流态化状态。
我国于1956年开始将流态化技术应用于工业装置，南京化学 工业公司自立更生建立了硫铁矿流化床焙烧装置，取代多层 硫铁矿机械焙烧炉，并迅速广泛推广，促进了硫酸工业发展。
化学反应工程-第8章
• H/D 值太小时，分布器结构及气泡进入时状态对过程 影响较大。气泡离开床层时液体夹带量较多。 • H/D比值过大，由于气泡的汇合作用，在小直径塔中 有可能形成节涌状态。
溶质渗透理论的结果是
表面更新理论
丹克沃茨提出的表面更新理论引入了相际接触表面更新的概念。 假定旋涡的年龄分布函数为一指数分布，并规定分布函数的特征参数为在界 面上旋涡微元的更新频率s，为一常数，则可求得通过液膜的平均传质速率NA 为：
从表面更新理论得到的结果，也是
8.2 伴有不可逆和可逆反应的传质
落在图中对角线附近，这相当于拟一 级反应的情况。
•
c ．在一定β∞值时，增加γ，则β也增 加，最后β值趋近于β∞ 。
④ 一级或拟一级不可逆快速反应
边界条件为
解得
于是有
由图图8－6可见：
对于快速反应，质及反应速率。情况（c ) （d ) : 容积反应速率
容积传质速率
⑤ 慢速反应
（情况图８－４（g )）
• 基本理论：双膜理论 • 与物理吸收的差别在于在液相主体和液膜中存在化学反应，反应速率的快慢直 接影响了吸收的速率。 • 反应历程亦为连串过程，反应速率决定了控制步骤的所在。
反应过程根据不同的传质速率和化学反应速率，可有8种不同情况 ：
情况（a ) ：与传质速率相比较，反应是瞬间完成的。在液体微元中，只能含有 A 或B ，两者不能并存，反应只能发生在含A 的液相和含B 的液相间的一个界 面上。A 和B 扩散至此界面的速率就决定了过程的总速率。р A 和cB的变化将导 致反应面位置的移动。
的增大，导致η下降显得缓慢。 对快反应，为了提高内部利用率，应使
下降。
8.2.3 反应速率的实验测定
化学反应工程课件
The object of the course
▪ 课程目标：反应器分析与设计并重，结 合实际、结合工艺。
▪ 授课方法：讲课与讨论相结合。 ▪ 考试方式：考试与/或作业结合平时成绩
化学反应工程 (Chemical Reaction Engineering)
▪ 主要参考书 ▪ 《化学反应工程》，陈甘棠 主编，化学工业出版社 ▪ 《化学反应工程》，朱炳辰 主编，化学工业出版社
化学与化工是自然科学技术发展的基 础学科之一
化学是研究物质的组成、结构、性质及其变化规律和变化过程中能 量关系的学科
化工是运用化学原理和机械原理，将物质的组成、结构、性质变成目 标产品的过程工程学科
▪ 化学 (Chemistry)
▪ 无机化学 ▪ 分析化学
▪ 物理化学 ▪ 高分子化学与物理
▪ 化学工程与工艺 (Chemical Engineering and Technology)
特征：反应器高度为直径的数倍以至十几倍。 内部常设置能增加两相接触的构件，如填料，筛板等。 适用于两种流体相反应的过程。如气液反应、液液反应。
1.4 工业反应器的分类
第一章 绪 论
1.4.4 固定床反应器
▪ 特征：反应器内填充有固定不动的固体颗粒。 可以是催化剂，也可以是固体反应物。 适用于气固催化反应，固相加工反应，应用非常广泛。
第一章 绪 论
1.1 化学反应工程学的学科历史
第一章 绪 论
30年代，石油化学工业刚刚兴起。提出了“单
元操作”和“单元过程”等概念。
单元操作——流体输送，蒸馏，干燥等专管物
理工序。
单元过程——磺化，水解，加氢等专管化学反
应工序。
1937年，丹克莱尔较系统的阐述了“扩散，流
化学反应工程PPT演示课件
方程。
非均相模型（考虑流体和粒子表面间 1.按动力学 的拟温均度相和模浓型度（差忽）略流体和粒子表面间
的温度和浓度差，假设流体与粒子为 浑然一体的均相）
2.床层温度二 一维 维模 模型 型（ （轴 平向 推和 流径 模向 型） 和轴向扩散模型）
3.按流体流动非 理理 想想 流流 动动 模模 型型
26
• 解：①求颗粒的平均直径。
dS
1 xi
0.60 0.25 0.15 1 3.96mm 3.96103 m 3.40 4.60 6.90
di
• ②计算修正雷诺数。
Re m
g
dSG
1 B
3.96 103 6.2
2.3105 1 0.44
dV
19
•（2）外表面积当量直径： (非球形颗粒折合 成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS
4π
d 2
2
SS π
1
2
da
• （3）比表面积当量直径： (非球形颗粒 折合成相同比表面积的球形颗粒应当具 有的直径）
球形比表面积：
SV
SS VS
－P f
L de
um2 2 B 2
＝f
L
2 3
.
(1
B
B
)
.d
S
um2 2 B2
＝3 f 4
L dS
1B
3 B
u m2
f L dS
1B
3 B
u
非均相模型（考虑流体和粒子表面间 1.按动力学 的拟温均度相和模浓型度（差忽）略流体和粒子表面间
的温度和浓度差，假设流体与粒子为 浑然一体的均相）
2.床层温度二 一维 维模 模型 型（ （轴 平向 推和 流径 模向 型） 和轴向扩散模型）
3.按流体流动非 理理 想想 流流 动动 模模 型型
26
• 解：①求颗粒的平均直径。
dS
1 xi
0.60 0.25 0.15 1 3.96mm 3.96103 m 3.40 4.60 6.90
di
• ②计算修正雷诺数。
Re m
g
dSG
1 B
3.96 103 6.2
2.3105 1 0.44
dV
19
•（2）外表面积当量直径： (非球形颗粒折合 成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS
4π
d 2
2
SS π
1
2
da
• （3）比表面积当量直径： (非球形颗粒 折合成相同比表面积的球形颗粒应当具 有的直径）
球形比表面积：
SV
SS VS
－P f
L de
um2 2 B 2
＝f
L
2 3
.
(1
B
B
)
.d
S
um2 2 B2
＝3 f 4
L dS
1B
3 B
u m2
f L dS
1B
3 B
u
化学反应工程第八章 气液固三相反应及反应器ppt资料
床层宏观反应动力学
15
第十五页，编辑于星期五：十四点 二分。
涓流床三相反应器
1、气、液并流向下通过固定床的流 体力学 (1)气，液稳定流动区——当气速较低 时，液体在颗粒表面形成滞流液膜， 气相为连续相， “涓流状”。气速增 加称为“喷射流”；
(2)过渡流动区——继续提高气体流速，床 层上部是喷射流，下部出现脉冲现象。
缺点——大型涓流床反应器低液速操作的液流径向分布不均匀， 局部过热，催化剂迅速失活。催化剂颗粒不能太小，而大颗粒催 化剂存在明显的内扩散影响；轴向温升，可能飞温。
6
第六页，编辑于星期五：十四点 二分。
悬浮床气—液—固反应器
①机械搅拌悬浮式； ②淤浆床鼓泡反应器，以气体鼓泡搅拌； ③不带搅拌的气、液两相流体并流向上，而颗粒不带出床外 的三相流化床反应器； ④三相携带床反应器，不带搅拌的气、液两相流体并流向上， 而颗粒随液体带出床外的三相输送床反应器；
(3)二个反应相，第三个是惰性相：液相为惰性相的气—固催化 反应，液相作为传热介质，如一氧化碳催化加氢生成烃类、醇类、 醛类、酮类和酸类的混合物；气体为惰性相的液—固反应，气体 起搅拌作用，例如硫酸分解硫铁矿槽式反应釜内用空气搅拌。
2
第二页，编辑于星期五：十四点 二分。
第三页，编辑于星期五：十四点 二分。
安静鼓泡区、湍流鼓泡区、栓塞流区。 上述流区间的过渡条件与液体特性、气体分布器的设计、 颗粒特性及床层尺寸等因素有关。
例如，对于高粘性的流体在很低的表观气速下可形成栓塞流。气
体分布器如采用微孔平均直径低于150um的素烧陶瓷板，当表 观气速达0.05一0.08m/s时，仍为安静鼓泡区，当多孔板孔径超 过1mm时，气泡分散区仅存在于很低的表观气速。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
37700 37700 4.18 ) 1.39 1014 exp( ) 0.00126 RgT RT
rA kC A 0.0063( mol /( m 3 s )) rp 0.5kC A 0.00314(mol /(m3 s))
• 知识点: 反应速率: • Arrhenius law:
22
习题课
习题2.4
工业上以氮氧化物生产硝酸,氮氧化物由氨和空气 气相氧化得到 4NH3+5O2→4NO+6H2O 如果进气中含氨15%,进气状态为8.2atm,227℃.试求: (1)进气总浓度和氨浓度; (2)恒压间歇反应器中,分别写出反应转化率对pi,Ci, 和体积V的函数; (3)恒容间歇反应器中,分别写出反应转化率对pi,Ci, 和总压P的函数;
21
习题课
什么是基元反应？
反应物分子在碰撞中一步直接转化为生成物分子的反应.
通常对基元反应而言,可以说:单分子反应、双分子 反应、三分子反应 Guldberg and Waage[J. Prckt. Chem. 19, 71(1879)]指 出：化学反应的速率与反应物的有效质量成正比 只有基元反应在反应物浓度不太大的情况下才符 合质量作用定律 不正确。
• K0=1641236.4 (1/h)
知识点:活化能、指前因子、Arrhenius方程
α1 , α2 均大于 0，D和U相对选择系数 s DU sDU
α1> α2 浓度增加, sDU增大，平推流或间歇反应器 α1< α2 全混流反应器
6
流动模型与反应选择性
根据瞬时选择性定义， rD 1 s α2 α1 rA 1 (kU / k D )c A
两组分参与的平行反应 ：
k1 A B D (目的产物） k2 A B U (副产物） 速率方程为： α1 β1 rD k1c A cB α2 β2 rU k 2 c A cB
8
流动模型与反应选择性
总选择性定量分析最终 产品分别： 1 s xA
xA
s DU 1 sdxA dxA x A 0 1 sDU 0
xA
平行反应中，若反应中的浓度级数不同，可通过控
制反应的浓度来改变反应物的分布。
反应物浓度高有利于级数高的反应，浓度低有利于级
数低的低的反应
9
习题课
习题2.5
NO和O2氧化为NO2的反应是一个三级反 应,2NO+O2=2NO2,在30℃及1kg/cm2下测得其反应速率 常数为kc=2.65×104 L2/(mol2· s).如果将速率方程表示 为分压的函数:rA=kppNO2pO2,请问反应速率常数的kp值和 单位是什么?
26
习题课
• 恒容反应: P=P0(1+0.0375x) • 恒压反应: P=P0 V V0 (1 0.0375 x) • 膨胀率:当反应物A全部反应后,系统体积的变化率:
VxA1 VxA0 A VxA0
nt 0 A A nA 0
• 以膨胀率表征变容程度时,不但要考虑反应的计量关系,还 要考虑系统内是否含有惰性气体,而以膨胀因子表达时,与 惰性物料是否存在无关 . 25
C NO
PNO RT
CO 2
PO2 RT
rA kcCNO 2CO 2
2 P kc NO PO2 2 kc P P 3 NO O2 RT RT RT
• 反应速率常数的kp值:
kP
RT
kc
3
1.66 10
12
mol 3 3 m s Pa
15
第一章习题答案 习题1.1
一个75kg的人大约每天消耗6000kJ热量的食物,假设食物 为葡萄糖,其反应方程式为: C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O -ΔH=2816kJ如果人吸入的空 气中含CO20.04%、O2 20.96%，呼出的气体中CO2含量上 升到4.1%、O2含量降低到16.1%，请问人每千克体重代 谢所消耗的空气的速率。
16
答案
• C6H12O6+6O2+inert=6CO2+6H2O+inert • mol 20.96 79 0.04 0 79 t=0
• mol
20.96(1-x) 79 0.04+20.96x 20.96x 79 t=t
• 则反应后总摩尔数为y,则有 • 20.96 (1-x)/y=16.1% • (0.04+20.96x)/y=4.1% • x=0.201 y=103.96 • 反应需O2: 6000/2816/0.201×6=63.6 (mol) • 空气消耗速率: 63.6/0.2096/75=4.05 mol/kg • 4.05×22.4/24/60=0.063 L/min· kg
24
习题课
nt=n0+δAnA0x
nA0 (1 x) nA0 (1 x) 0.15(1 x) p A Py A p P P nt n0 A nA0 x 1 0.0375 x
CA
n (1 x) p n (1 x) P pA P 0.15(1 x) y A A0 A0 C RT RT nt RT n0 A n A0 x RT 1 0.0375 x
17
答案
• 如果该题目改为:人对反应的水份不产生影响.且 不给出CO2的出口浓度,则:
20.96(1 x) 100% 16.1% 20.96(1 x) 79 0.04 20.96 x 20.96 x
• 重要知识点:
关键组分的转化率
xA
n A,0 n A n A,0
• 知识点:化学反应速率常数
27
习题课
习题2.6
有一反应,已知下列速率常数:
58.1 0.117 77.9 0.296
温度/℃ k/(1/h)
• 求该反应的活化能和指前因子
28
习题课
k2 ln k1 E 45321.5( J / mol ) 1 1 RT1 RT2
循环操作的平推流反应器 反应器特性特性分析---推动力
化学反应推动力------体系组成与平衡组成的差 化学反应的化学势
3
复习
返混对反应器体积的影响（反应级数n>0)
xA
0
dxA rA
xA rA
V v0c A0
xA
0
返混对反应器体积的影响（反应级数n<0)
dxA rA
V v0c A0
23
习题课
进气总浓度:
P C 197.26(mol / m 3 ) RT
• 氨浓度: CA=15%C=29.59 (mol/m3)
• 4NH3 + 5O2 + inert → 4NO + 6H2O + inert • nA0 nB0 ni0 nP0 nS0 ni0 t=0 • nA nB ni0 nP nS ni0 t=t • nA=nA0(1-x) nB=nB0-(b/a)nA0x • nP=nP0+(p/a)nA0x ns=ns0+(s/a)nA0x • 膨胀因子: 当每消耗(或生成) ( p s ) ( a b) 1mol反应物A(或产物P)时,整 A a 个物系总摩尔数的变化值.
7
流动模型与反应选择性
sDU rD k D α1α 2 b1b 2 cA cB rU kU
若α1> α2，β1> β2, A、B维持高 水平 α1> α2，β1< β2, A浓度高水平、 B在低浓度水平 1）半间歇反应器， 2）平推流，A可以轴向进料， B侧向连续进料 3）多级串联全混流反应器
19
答案
C2 H 5ONO NO 0.5CH 3CHO 0.5C2 H 5OH • t (1-x) x 0.5x 0.5x
• 反应总压力: P=1+x=1.8 (at)
(1 x) PA P 0.2(at ) 1 x
k 1.39 1014 exp(
PA CA 4.98(mol / m3 ) RT
k1τc A0 cB (1 k1τ )(1 k 2 τ ) 最大需要的反应停留时 间 τ opt ，直接令 dcB / dτ 0, τ opt (k1k 2 ) 1/ 2
14
流动模型与反应选择性
反应速率常数的相对大小对反应的选择性起决定性的作用。 同样转化率下，平推流反应器对于目标产物的选择性高。 k1/k2较大时，反应转化率可适当高些；k1/k2较小时，尽 量降低反应器内的反应转化率
流动模型与反应选择性
串联反应 (重点）
A B(目的产物） C
k1 k2
反应时间对串联反应选 择性有重要影响，返混 影响选择性
平推流反应器
dFA = rA dV dFB = rB dV dFC = rc dV 过程恒容， Fi = v0 ci , dV = v0 dτ - dcA / dτ = k1c A dcB / dτ = k1c A - k 2 cB dcc / dτ = k 2 cB
10
流动模型与反应选择性
反应物 A的浓度变化： c A c A0 exp(k1τ ) 产物 B的生成浓度为一阶微分 方程： dcB / dτ k 2 cB c A0 exp(k1τ ) 初始条件： τ 0，c B 0 k1 cB c A 0 (e k1τ e k2 τ ) k 2 k1 目的产物的出口浓度最 大需要的反应时间 τ opt ，直接令 dcB / dτ 0, τ opt cB ,opt