催化反應(yīng)工程（華東理工大學(xué)） 工業(yè)反應(yīng)過程分析導(dǎo)論0

反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析n1 1 氣液固三相反應(yīng)氣液固三相反應(yīng)n2 2 三相催化反應(yīng)器三相催化反應(yīng)器第七章第七章 氣氣液液固三相反應(yīng)器固三相反應(yīng)器反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析1 1 氣氣液液固三相反應(yīng)固三相反應(yīng)氣氣液液固三相催化反應(yīng)固三相催化反應(yīng),固相為催化劑固相為催化劑.1)1)固定床氣固定床氣液液固反應(yīng)器固反應(yīng)器涓流床反應(yīng)器涓流床反應(yīng)器不同的流向不同的流向a)a)機械攪拌式反應(yīng)器機械攪拌式反應(yīng)器 b)b)鼓泡反應(yīng)器鼓泡反應(yīng)器 c)c)三相流化床反應(yīng)器三相流化床反應(yīng)器d)d)三相攜帶床三相攜帶床 e)e)內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器2)2)懸浮床氣懸浮床氣液液固反應(yīng)器固反應(yīng)器反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析三相床中顆粒催化劑上反應(yīng)過程為三相床中顆粒催化劑上反應(yīng)過程為1)1)氣相反應(yīng)物從氣相主體擴散到氣氣相反應(yīng)物從氣相主體擴散到氣液界面的傳遞過程液界面的傳遞過程;2)2)氣相反應(yīng)物從氣氣相反應(yīng)物從氣液界面擴散到液相主體的傳遞過程液界面擴散到液相主體的傳遞過程;3)3)氣相反應(yīng)物從液相主體擴散到顆粒外表面的傳質(zhì)過程氣相反應(yīng)物從液相主體擴散到顆粒外表面的傳質(zhì)過程;4)4)顆粒催化劑內(nèi)同時進行反應(yīng)和內(nèi)擴散的宏觀反應(yīng)過程顆粒催化劑內(nèi)同時進行反應(yīng)和內(nèi)擴散的宏觀反應(yīng)過程;5)5)產(chǎn)物從催化劑顆粒外表面擴散到液相主體的傳質(zhì)過程產(chǎn)物從催化劑顆粒外表面擴散到液相主體的傳質(zhì)過程;6)6)產(chǎn)物從液相主體擴散到氣產(chǎn)物從液相主體擴散到氣液界面的傳質(zhì)過程液界面的傳質(zhì)過程;7)7)產(chǎn)物從氣產(chǎn)物從氣液界面擴散到氣相主體的傳質(zhì)過程液界面擴散到氣相主體的傳質(zhì)過程;反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析以反應(yīng)物以反應(yīng)物A表示表示二二 宏觀反應(yīng)速率宏觀反應(yīng)速率r rA,gA,g氣膜傳質(zhì)分系數(shù)，氣膜傳質(zhì)分系數(shù)，m/h液膜傳質(zhì)分系數(shù)，液膜傳質(zhì)分系數(shù)，m/h氣液相平衡氣液相平衡液固界面液膜傳質(zhì)分系數(shù)，液固界面液膜傳質(zhì)分系數(shù)，m/h本征反應(yīng)速率常數(shù)本征反應(yīng)速率常數(shù)單位床層內(nèi)氣液相傳質(zhì)面積，單位床層內(nèi)氣液相傳質(zhì)面積，單位床層體積的顆粒外表面積單位床層體積的顆粒外表面積反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析kT以氣相主體濃度表示、按顆粒催化劑以氣相主體濃度表示、按顆粒催化劑外表面積計算的宏觀反應(yīng)速率常數(shù)。外表面積計算的宏觀反應(yīng)速率常數(shù)。反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析1)不存在氣膜傳質(zhì)阻力，不存在氣膜傳質(zhì)阻力，kAg2)不存在液膜傳質(zhì)阻力，不存在液膜傳質(zhì)阻力，kAL反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析3)不存在液固界面處液膜傳質(zhì)阻力，不存在液固界面處液膜傳質(zhì)阻力，kAS4)催化劑效率因子催化劑效率因子 1反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析對流傳質(zhì)對流傳質(zhì)對流給熱對流給熱Sherwood數(shù)數(shù)Nusselt數(shù)數(shù)Reynolds數(shù)數(shù)Prandtl數(shù)數(shù)Schmidt數(shù)數(shù)如：湍流流動，如：湍流流動，Re2100，Sc=0.63000時，實驗獲得的結(jié)果時，實驗獲得的結(jié)果:Sh=0.023Re0.83Sc0.33式中定性尺寸取管徑式中定性尺寸取管徑d圓管內(nèi)對流給熱的關(guān)聯(lián)式圓管內(nèi)對流給熱的關(guān)聯(lián)式Nu=0.023Re0.8Pr0.30.4反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析A組分組分反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析三三 床層宏觀動力學(xué)床層宏觀動力學(xué)但是但是kAL，kAS必須考慮。必須考慮。整個床層的宏觀動力學(xué)。整個床層的宏觀動力學(xué)。一般情況下一般情況下 kAg，1 1反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析2 三相催化反應(yīng)器三相催化反應(yīng)器一一涓流床三相反應(yīng)器涓流床三相反應(yīng)器二二機械攪拌鼓泡三相反應(yīng)器機械攪拌鼓泡三相反應(yīng)器三三淤漿床鼓泡反應(yīng)器淤漿床鼓泡反應(yīng)器四四三相流化床反應(yīng)器三相流化床反應(yīng)器反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析一一 涓流床三相反應(yīng)器涓流床三相反應(yīng)器氣、液并流向下通過固定床的流體力學(xué)氣、液并流向下通過固定床的流體力學(xué)反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析(一一)流體狀態(tài)流體狀態(tài)與流速有關(guān)與流速有關(guān) 在一定在一定UOGUOG下，下，小小大，氣相連續(xù)大，氣相連續(xù)分散分散反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析 內(nèi)持液量內(nèi)持液量顆?？紫秲?nèi)的持液量，顆?？紫秲?nèi)的持液量，孔隙率孔隙率，內(nèi)持液量，內(nèi)持液量 靜持液量靜持液量液體不流動時，潤濕顆粒間的持液量，液體不流動時，潤濕顆粒間的持液量，比表面積比表面積，粗糙度，粗糙度，持液量，持液量 動持液量動持液量氣、液穩(wěn)定流動后，同時關(guān)閉氣、液進氣、液穩(wěn)定流動后，同時關(guān)閉氣、液進 口閥，在出口處收集到的床層流出的液體量?？陂y，在出口處收集到的床層流出的液體量。(二二)持液量持液量反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析(三三)液體分布液體分布 塔內(nèi)徑塔內(nèi)徑D Dt t，顆粒直徑顆粒直徑dpdp，Dt/dpDt/dp1818，分布良好分布良好(四四)壓降壓降(五五)潤濕率潤濕率 內(nèi)部潤濕，或孔隙充滿內(nèi)部潤濕，或孔隙充滿 外部潤濕，顆粒與液體，外部潤濕，顆粒與液體，有效接觸的外表面積，有效接觸的外表面積，動持液量動持液量，外部潤濕率，外部潤濕率反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析傳遞過程傳遞過程涓流狀態(tài)下涓流狀態(tài)下(一一)氣液界面氣膜傳質(zhì)分系數(shù)氣液界面氣膜傳質(zhì)分系數(shù)k kG G(二二)氣液界面液膜傳質(zhì)分系數(shù)氣液界面液膜傳質(zhì)分系數(shù)k kL L(三三)液固界面、液固相間傳質(zhì)系數(shù)液固界面、液固相間傳質(zhì)系數(shù)涓流床中的傳熱涓流床中的傳熱反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析二二 機械攪拌鼓泡三相反應(yīng)器機械攪拌鼓泡三相反應(yīng)器一般用于實驗室研究一般用于實驗室研究 氣液接觸氣液接觸 催化劑顆粒懸浮催化劑顆粒懸浮 最小轉(zhuǎn)速最小轉(zhuǎn)速 最大氣速液泛最大氣速液泛反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析三三 淤漿床鼓泡反應(yīng)器淤漿床鼓泡反應(yīng)器沒有攪拌，液體不連續(xù)流入或流出反應(yīng)器沒有攪拌，液體不連續(xù)流入或流出反應(yīng)器優(yōu)點：優(yōu)點：1 細顆粒催化劑細顆粒催化劑 2 液體持液量大，液體全混液體持液量大，液體全混 3 溫度易于控制溫度易于控制要求：要求：1 惰性液體的要求惰性液體的要求 2 催化劑耐磨損催化劑耐磨損 3 氣相存在范混，但模擬計算時假設(shè)活塞流。氣相存在范混，但模擬計算時假設(shè)活塞流。反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析(一一)顆粒完全懸浮臨界氣速顆粒完全懸浮臨界氣速u uc c1 1u uc cuut t,u ut t 固體顆粒沉降速度固體顆粒沉降速度2 2u uc cCsCs3 3顆粒特性顆粒特性4 4液體特性液體特性5 5床層直徑床層直徑6 6分布器，有無導(dǎo)流筒分布器，有無導(dǎo)流筒反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析(二二)氣含率氣含率g 冷態(tài)下測定的多冷態(tài)下測定的多 中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所 g =f(Fr,Ga)P:0.1010.785MPa T:150210 根據(jù)根據(jù)反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析四四 三相流化床反應(yīng)器三相流化床反應(yīng)器流體連續(xù)地流出、流體連續(xù)地流出、流入反應(yīng)器流入反應(yīng)器氣體、液體自下而上氣體、液體自下而上通過反應(yīng)器通過反應(yīng)器反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析(一一)流型流型 安靜鼓泡區(qū)，安靜鼓泡區(qū)，湍流鼓泡區(qū)，湍流鼓泡區(qū)，活塞流區(qū)，活塞流區(qū)，過渡區(qū)過渡區(qū)反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析(二二)液體臨界流速液體臨界流速 液固系統(tǒng)的臨界流速氣液固系統(tǒng)的臨界流速液固系統(tǒng)的臨界流速氣液固系統(tǒng)的臨界流速(三三)氣含率氣含率在安靜鼓泡區(qū)，并流向上三相流化床的氣含率可表示為：在湍流鼓泡區(qū)或栓塞區(qū)：