化学反应工程_第七章_流固相非催化反应.ppt

流固相非催化反应固相颗粒内部条件随时间变化复杂 ，呈非定态： （1）颗粒体积的变化情况 （2）反应区域的变化情况 （3）粒子大小的均匀情况 （4）流－固相之间的流动情况 第一节　流－固相非催化反应的分类及特点 一、流－固相非催化反应的分类 分两类：气－固相和液－固相非催化反应。 1. 气－固相非催化反应 固→固＋气　 固＋气→固 固＋气→气 固＋气→固＋气 气＋气→固＋气 固＋液→固＋气 固＋液→固＋液+ 气 固＋液→液 固＋液→固 固＋液→固＋液 shrinking core model 两种情况： 1. 反应过程中颗粒大小不变； 2. 反应过程中颗粒不断缩小。 第一阶段：未形成固体产物层，反应区为整个颗粒； 第二阶段：形成固体产物层，且不断扩展；与此同时，反应区则不断缩小。 有限厚度模型 第三节　粒径不变时的缩芯模型的总体速率 1. 外扩散速率、内扩散速率与表面反应速率 首先建立产物层内反应物A的浓度分布 代入内扩散速率方程 然后三式联立消元 3. 未反应芯半径与反应时间的关系 4. 固相反应的B的转化率xB与RC的关系 5. xB与反应时间的关系 5. xB与反应时间的关系 5. xB与反应时间的关系 二、流体滞流膜控制 三、固体产物层内扩散控制 四、化学反应控制 三、宏观反应过程与控制阶段的判别 （1）用温度对总体速率的影响进行判别。 　提高温度则总体速率改变显著→反应控制 （2）用气速对总体速率的影响进行判别。 　提高气速则总体速率改变显著→外扩散控制 （3）用反应时间分率t/tf与转化率xB的关系及与未反应芯半径Rc的关系判别 　如果上述关系呈直线→外扩散、反应控制 （4）用颗粒大小与反应时间的关系来判别。 　提高温度则总体速率改变显著→反应控制 　提高气速则总体速率改变显著→外扩散控制 　如果上述关系呈直线→外扩散、反应控制 （4）用颗粒大小与反应时间的关系来判别 设达到某转化率xB所需的反应时间为t，则t与颗粒的大小有关。 石油化工生产中使用的固体催化剂不可避免会积炭，使催化剂失去流活性。积炭失活的固体催化剂一般在流化床再生器中用空气和积炭进行燃烧反应，使催化剂再生。 2．第二阶段 1）A作外扩散，CAf→CAS； 2）A从颗粒外表面扩散通过“产物层”外壳到达反应区边界Rm； 3）A进入反应区进行扩散―反应， “产物层”不断增厚，反应区逐渐 收缩，直至反应结束。 颗粒的孔隙率较大，流体可以扩散到颗粒中心，在整个颗粒上起反应。 缩芯模型的反应区是颗粒表面，而整体反应模型的反应区是整个颗粒，缩芯模型和整体反应模型表示了两种极端的反应行为，其他模型的行为都介于二者之间。 3. 应用范围 有限厚度区模型的浓度分布见图7-4。图中RS、RD、RC分别是颗粒半径、“产物层”半径和未反应半径。固相反应物B在未反应区的浓度为CBO，在“产物层”半径RD处为0。RD和RC之间为反应区，厚度为Z。 反应步骤： 1）A作外扩散，CAf → CAS； 2）A在“产物层”作内扩散，CAS→CAm； 3）A在反应区内进行扩散―反应； 4）“产物层”外壳不断增厚，反应区不断收缩，直至反应完毕。 三、有限厚度反应区模型 一、反应总体速率 总体反应速率的定义为：单位时间内每个颗粒上流体反应物A物质的量的减少量（单位时间内每个颗粒上固体反应物B物质的量的减少量）。 1．球形颗粒； 2．颗粒内温度均匀，等温反应； 3．本征动力学为一级不可逆反应； 4．反应过程为拟稳定过程。 基本条件 实际情况：当颗粒粒径不变时，A要通过“产物层”外壳才能到达未反应芯表面，A在作内扩散的同时，由于化学反应未反应芯表面在收缩，因此扩散边界是移动的，是不稳定过程。 未反应芯表面的收缩速率＜＜A的内扩散速率，可以认为A在作内扩散时，未反应芯表面是近似不动的，作为稳定过程处理。这样，反应过程为拟稳定过程。 CAS CAg CAC =外扩散速率=内扩散速率=化学反应速率  CAS CAg CAC 1. 外扩散速率、内扩散速率与表面反应速率 2. 总体速率的一般计算式 2. 总体速率的一般计算式 2. 总体速率的一般计算式 分离变量，并积分上式 当颗粒完全反应时：RC=0，xB=1 转化率与反应时间成正比 达到某转化率所需时间与RS 成正比 “匀速反应” 达到某转化率所需时间与RS2成正比 反应时间与（RS-RC)(即产物层厚度）成正比 达到某转化率所需时间与RS成正比 “匀速推进” 第四节 颗粒缩小时缩芯模型的总体速率 （1）用温度对总体速率的影响进行判