化学反应工程23流固相非催化反应器.pptx

颗粒取球形外，常见的还有平板形和圆柱形，下面就平板形和圆柱形颗粒当灰层扩散控制时，推导其宏观动力学。通过灰层A的扩散（内扩散过程）：表面反应速率：四、不规则形状颗粒的宏观动力学四、不规则形状颗粒的宏观动力学A通过气膜的扩散（外扩散过程）：各步骤速率：1、平板形颗粒，灰层扩散控制、平板形颗粒，灰层扩散控制符号说明：lC：未反应面距中心线距离；l：灰层距中心线距离，取灰层厚度为dl的微元，对A作物料衡算则：，边界条件：则：故：平板面积为A，扩散和反应主要集中在两面，侧面可忽略。则：又：而：故：则：积分，结果：当，则：又：最后：2、圆柱体颗粒，灰层扩散控制、圆柱体颗粒，灰层扩散控制底半径为R，高为L，扩散、反应主要集中在侧面，上、下底可忽略。则：边界条件：对灰层中的A作物料衡算，在厚度为r高为L的微元处，取厚度为dr、令：，微分方程转化为：解得：则：又：积分：结果：又：则：当时，为不定项，须应用罗必塔法则：故：类型滞流膜扩散控制灰层扩散控制表面化学反应控制颗粒大小不变L：板厚一半颗粒缩小小颗粒斯托克（Stokes）区大颗粒气速不变平板：圆柱体：球形：温度对总体速率的影响通常呈下列图示：由图可见：温度对化学反应速率的影响远远地大于对扩散过程的影响（斜率的大小反映出速率对温度的敏感度），通常在温度较低、转化率较小时，表面反应过程影响显著。五、控制步骤判别五、控制步骤判别通常采用四种方法进行控制步骤的判别：1、用温度、用温度T对总体速率的影响进行判别对总体速率的影响进行判别若气速变化对总体速率有明显影响，即可判别过程为外扩散控制，u对kG的影响比对De的影响要大得多。和和之间的关系进行判别（球形颗粒：之间的关系进行判别（球形颗粒：颗粒大小不变时，由表可知：若过程为滞流膜控制，则：即成直线关系，其它过程控制时，则不符合此规律；即和成直线关系，其它过程控制时，则不符合此规律；2、用气速对总体速率的影响进行判别（、用气速对总体速率的影响进行判别（u和和kG）3、应用、应用时间分率）时间分率）颗粒减小时，由表可知：若过程为表面化学反应控制，则：这是最常用的一种方法，准确。当xB相同时：，若：颗粒大小不变：，若：颗粒大小不变：，若：，表面反应控制。4、用颗粒大小与反应时间的关系来判别、用颗粒大小与反应时间的关系来判别颗粒减小：，则为滞流膜扩散控制；，灰层扩散控制；例例1 等温下，以高气速进行某气固相非催化反应，得到下述实验数据：R/mmt/hxB410.580210.875已知颗粒为球形，且固体产物坚硬如故，试根据颗粒大小不变的缩芯模型，判断反应的控制步骤。解：由于气速高，故外扩散阻力可忽略。假设过程为灰层扩散控制，则：同理：故：又：故假设不正确。假设过程为表面化学扩散控制，则：同理：故：又：故假设正确，过程为表面化学反应控制。例例2 同例1，试计算：对R=1mm的颗粒，求完全反应时间；对R=4mm的颗粒，求xB=0.5的反应时间；对R=3mm的颗粒，求反应时间为1h可达到多少转化率？，过程略。解：因为过程为表面化学反应控制，故：例例3 3 某等温下进行的流固相非催化反应，颗粒为球形，当R=2mm时，达到xB=0.5需5min，当过程分别为外扩散控制、固膜内扩散控制及化学反应控制时，求对R=4mm的颗粒，达到xB=0.98的转化率所需反应时间为多少？，解：外扩散控制时灰层扩散控制，化学反应控制，计算过程略。1、固体颗粒呈平推流流动、固体颗粒呈平推流流动六、流固相非催化反应器计算六、流固相非催化反应器计算考察方法的抉择：但是对于固相，虽是平推流，是否可以取一微元作为控制元呢？作为控制元的要求是其中浓度和温度处处相等。现看该微元，它是由一系列的固体颗粒组成，但各颗粒其半径不同，存在一定的分布，而不同半径的固体颗粒转化率xBi也不相同，即微元不能选为控制元。处理办法是：只能取每一颗粒为考察对象。仅是半径的函数：，记如上图所示，反应器中，存在流固两相反应物料，对于流体相，假设为全混流，即只存在一个浓度；对于固体相，则认为呈平推流型式。对于流体相，由于全混，可将反应器中所有流体相看作一控制元，进行物料衡算。由于固体为平推流，各固体颗粒具有相同的停留时间，故总转化率反应器计算可分为设计型和操作型两类：设计型主要是针对一定的工艺要求计算出相应大小的反应器；操作型则是针对一定体积的反应器计算出口处物料的转化率。本节主要讲解操作型问题的计算，即求解式中：v(Ri)半径为Ri颗粒的体积流量，v为总体积流量，设固体颗粒在反应过程中大小不变，故v不变，但质量却可以发生变化，若固体物料密度不变，则v和质量流量一致。由于反应时间可能大于一部分颗粒的完全反应时间，这部分的小颗粒例例4：某气固相非催化反应，固体物料置于移动炉箅上，与错流过的气体反应物作用。已知加料组成（体积分率）为：半径为50m的颗粒占20%，100m的颗粒占30%，150m的颗粒占30%，200m的颗粒占20%，四种粒度的完全反应时间（min）分别为：5、10、15及20，计算停留时间为8min及16min所达到的转化率。解：故过程为化学反应控制：，t=8min，t=16min，各颗粒在反应器内的停留时间不同，停留时间分布密度函数为：故：出口处转化率为：因为固体相相互之间无物质传递，属宏观流体，可以写成上式的叠加形式，对式进行讨论，xB遵循不同规律，即：为半径为R的颗粒完全反应时间，则式可变化为：2、固体颗粒呈全混流流动、固体颗粒呈全混流流动设气体为全混流，即只有一个浓度，下面分别按均匀颗粒和不均匀颗粒进行讨论：均匀颗粒均匀颗粒滞流膜外扩散控制滞流膜外扩散控制，将作幂级数展开：则上式可写成：当较小时，上式收敛较快，只须取2-3项即可保证足够的精度。下面继续讨论一些特殊的情况：直接积分有困难，可得近似解为：化学反应控制化学反应控制，即：化简：当较小时，可用下式简单计算：固体产物（灰层）扩散控制固体产物（灰层）扩散控制例例5：在流化床中进行磁硫铁矿焙烧，颗粒的完全反应时间与颗粒大小的关系为 ，反应过程中颗粒大小不变，且坚硬如故，加料为均匀颗粒，完全反应时间，平均停留时间解：由于是流化床，滞流膜外扩散阻力可忽略，但灰层扩散控制 ，表面化学反应控制为阻力同时存在，实际转化率处于两种极限状态下计算值之间；又流化床中颗粒应处于全混状态。为60min，求转化率。，所以在该流化床中，反应过程中两种灰层扩散控制灰层扩散控制：，取前四项，则：表面反应控制表面反应控制：因此，磁硫铁矿转化率在：之间。在全混流反应器中进行不均匀颗粒的流固相非催化反应，又分为两种情况：一是出口不带走固体颗粒；另一种是带走。对于不均匀颗粒，气体可能会带走细小颗粒，从而改变了反应器出口处的颗粒粒径分布，进而影响到反应平均转化率。本节主要讨论第一种情况，即气流不带走固体颗粒。实际上是关于反应时间t和粒径R的两次加和（两次积分）：指出口物料中粒径由占总流量的分率；：指同一粒径为Ri的颗粒停留时间为的质量占总质量分率。不均匀颗粒不均匀颗粒出口处区间中颗粒体积流量上式又可写成下列形式：例例6：在流化床中进行某硫铁矿的焙烧试验，已知加料组成为：半径为50m的颗粒占30%，100m的颗粒占40%，200m的颗粒占30%，反应器高1.2m，直径0.1m，床内物料质量流量为1.0kg/min，床内含有固相总质量为10kg，流化气体为空气，在操作条件下三种粒度颗粒的完全反应时间为5min、10min、20min，反应过程中颗粒的大小与密度不变，气相组成也为定值。此外，设定了旋风分离器，使出口气体的固体颗粒返回床层，求反应器出口转化率。解：流化床可以看成全混釜，又：过程为表面化学反应控制，即：对的均匀颗粒：对的均匀颗粒：对的均匀颗粒：例例7：如图所示，流化床中，固体B按以下方程和A进行反应：反应过程固相颗粒可按缩芯模型处理，过程为化学反应控制，颗粒完全反应时间为1 h，床层的处理能力为1t/h的固体，转化率为90%，A等mol进入，进料浓度为CA0，求反应器总重量，假设气体为全混流，注意床中气体的浓度不等于CA0。解：流化床可以看成为全混釜，由于是化学反应控制，故：简单式为：令：，则：则：试差：y=0.435注：上式中，而题目所给的完全反应时间则是按CA0计算的。反应器中，气体的浓度CAg不等于CA0。又：（A和B等mol进入）这时的完全反应时间：，则：现对气相主体中的A作衡算：故：