化学反应工程第七章流固相非催化反应

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1、第七章流-固相非催化反应第一节流固相非催化反应的分类及特点第二节流固相非催化反应模型第三节粒径不变时缩芯模型的总体速率及控制第四节颗粒缩小时缩芯模型的总体速率第五节流—固相非催化反应器及其计算目录流–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。概述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）

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概述第一节　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1.气－固相非催化反应固＋液→固＋气固＋液→固＋液+气2.液－固相非催化反应固＋液→液固＋液→固固＋液→固＋液2.液－固相非催化反应流–固相反应具有以下特点。1．反应类型多流–固相反应按照反应物和产物的物相分类，反应类型多。对于不同类型的反应，工艺流程、操作条件以及反应器型式各不相同。2．固相

3、物料复杂固相物料种类繁多，性质各不相同。例如固相物料有天然矿物，颗粒大小不一，几何形状各不相同。不同性质的颗粒在反应器中的流动状况不同，其动力学行为也不同，直接影响到反应器型式的选择和设计。二、流–固相非催化反应的特点3．反应器型式多流–固相反应的反应装备有间歇反应器和连续反应器。在连续反应器中，有固定床、移动床、流化床和气流床反应器。4．固体颗粒的转化率高用气体或者用液体对固相进行化学加工，都要求固相物料的转化率较高。5．气–固相反应的反应温度高大多数气–固相反应属于高温焙烧和高温锻烧反应，反应温度较高，一般在500℃以上。二、流–固相非催化反

4、应的特点流–固相非催化反应工程是化学反应工程的一个组成部分，研究方法采用数学模拟方法和工业试验相结合。研究流–固相反应的反应过程模型及其总体速率。“冷模”实验研究方法：在大型实验装置中模拟物料在工业反应器中的流动状况，研究流–固两相的流动性质，采用数学方法归纳成数学模型，数学模型的应用严格限制在实验范围内。进行工业试验，即“热态”试验，对反应动力学和“冷模”试验结果进行检验和修正。三、流–固相非催化反应的研究方法概述在流–固相反应中，包含有传递过程和化学反应过程，为了研究反应过程的总体速率，需要选择合适的反应模型。根据固相颗粒的结构性质，建立了不

5、同的反应模型。第二节流–固相非催化反应模型shrinkingcoremodel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。一、收缩未反应芯模型反应过程中颗粒大小不变。颗粒周围有滞流边界层，反应开始时在颗粒表面进行反应，生成固体产物或者固相中有隋性物残留，形成“产物层”外壳和未反应芯。浓度分布见图7-2。1.颗粒大小不变CASCAgCAC气相主体气膜固体产物层反应界面收缩未反应芯反应步骤如下：1）A从流体主体通过边界层扩散到达颗粒外表面―外扩散；CAf→CAS；2）从由颗粒外表面通过“产物层”外壳扩散到达未反应芯表面—内扩散，

6、CAS→CAC；3）A和B在未反应芯表面上进行化学反应，未反应芯收缩；4）流体产物F通过内扩散到达颗粒外表面―内扩散；CFC→CFS；5）F通过外扩散到达流体主体―外扩散，CFS→CFg。以上5步是串联进行的。1.颗粒大小不变注：若无流体产物，仅有固相应物时：仅有1、2、3）应用范围1）固体颗粒孔隙率为0，反应只能在表面进行；2）当固体颗粒孔隙率不太大时，化学反应速率>>扩散速率，反应在表面进行。1.颗粒大小不变反应过程中颗粒不断收缩，最后消失。反应开始时在颗粒表面进行反应，反应过程中没有新的固体产物，或者新的固体产物和隋性物料剥落，没有形成“产

7、物层”外壳，未反应芯一直暴露在流体中，周围有边界层。浓度分布及反应步骤如下。反应步骤1）A从流体主体通过边界层扩散到达未反应芯表面―外扩散，CAf→CAC；2）A和B在未反应芯表面进行化学反应；3）流体产物F通过外扩散进入流体主体，CFC→CFf。2.颗粒不断收缩应用范围反应过程中没有形成“产物层”外壳，其余同颗粒大小不变时的应用范围相同。当颗粒的孔隙率较大时，流体可以扩散到颗粒中心，在整个颗粒上起反应。这种模型称为整体反应模型。整体反应模型的浓度分布见图7-3。CAF―流体主体浓度；CAS―颗粒表面浓度；CAC―颗粒中心浓度；CBO―B的初始浓

8、度；CBC―颗粒中心浓度；CB―反应区浓度；CBS―颗粒外表面浓度。整体反应模型的反应步骤分二个阶段。二、整体反应模型1）A从流体主体扩