化学反应工程第八章课件.ppt

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1、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。第八章 流-固相非催化反应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。1A（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）2N

2、aHCO3（S）=Na2CO3（S）+H2O（g）+CO2（g）2A（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）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3A（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）4A（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

3、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）5A（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。二、液 固相非催化反应液固相反应可以分为五类。1A（固）+B（液）C（固）+D（气）2A（固）+B（液）C（固）+D（液

4、）+E（气）3A（固）+B（液）C（液）4A（固）+B（液）C（固）5A（固）+B（液）C（固）+D（液）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。例如固相物料有现有天然矿物，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。8-2 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

5、。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。流固相非催化反应工程是化学反应工程的一个组成部分，研究方法是数学模拟方法和工业试验相结合。1研究流固相反应的反应过程模型及其总体速率。2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。这种研究方法称为“冷态”实验。3进行工业试验，即“热态”试验，对反应动力学和“冷态”试验结果进行检验和修正。8-4 流 固相非催化反应的研

6、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，建立了不同的反应模型。第二节 流 固相非催化反应模型8-4 收缩未反应芯模型收缩未反应芯模型又称为缩芯模型（shrinking core model），是应用最广泛反应模型，如图8-1。设反应A（f）+bB（S）f F（f）+sS（S）缩芯模型有两种情况：反应过程中颗粒大小不变；反应过程中颗粒不断缩小。一、颗粒大小不变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，生成固体产物或者有固相中的隋性物残留，形成“产物层”外壳和未反应芯。反应

7、步骤如下：1反应步骤1）A从流体主体扩散通过边界层到达颗粒表面外扩散，CAfCAS；2）从由颗粒表面扩散通过“产物层”外壳到达未反应芯表面内扩散，CASCAC；3）A和B在未反应芯且面上进行化学反应，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，CFCCFS；5）F通过外扩散到达流体主体外扩散，CFSCFf。以上5步是串联进行的，浓度分布见图8-2。2应用范围1）固体颗粒孔隙率为0，反应只能在表面进行；2）当固体颗粒有孔子时，化学反应速率扩散速率，反应在表面进行。二颗粒不断收缩反应过程中颗粒有断收缩,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

8、产物和隋性物料剥落，没有形成“产物层”外壳，未反应芯一直暴露在流体中，周围有边界层。反应步骤如下：1反应步骤1）A从流体主体扩散通过边界层到达未反应芯表面外扩散，CAfCAC；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，CFCCFf。2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（Volume reaction model）。整体反应模型的浓度分布见图8-3。CAF、CAS、CAC为流体A在液流主体、颗粒表面、颗粒中心的浓度。CBO、CBC

9、、CB、CBS分别为固相反应物B的初始浓度、颗粒中心浓度、反应区浓度和颗粒外表面浓度。整体反应模型的反应步骤分二个阶段。8-5 整体反应模型一、反应步骤1第一阶段1）A从液流主体扩散通过边界层到达颗粒表面外扩散，CAfCAS；2）A在整个颗粒上边扩散边反应扩散反应过程，CASCAC；3）在颗粒表面开始形成“产物层“外壳。2第二阶段1）A作外扩散，CAfCAS；2）A从颗粒个表面扩散通过“产物层”外壳到达反应区边界Rm；3）A从颗粒外表面、扩散反应，“产物层”不断增厚，反应区逐渐收缩，直至反应结束。二应用范围1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；2当孔隙率不太大时，化学

10、反应速率扩散速率，反应过程属于化学反应控制。缩芯模型的反应还是颗粒表面，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其间。有限厚度区模型（Finite reation model）的浓度分布见图8-4。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O。RD和RC之间为反应区，厚度为Z。1反应步骤1）A作外扩散，CAf CAS；2）A在“产物层”作内扩散，CASCAm；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。8-

11、6 有限厚度反应区模型一微粒模型1固体颗粒由大小均匀的球形微粒构成，每个微粒按缩芯模型进行反应；2反应前后固体颗粒的孔隙率和微粒大小均不变；3对于整个颗粒而言，反应区由颗粒外表面向中心逐渐推进，反应区内微粒的反应按缩芯模型由表及里进行。8-7 其他模型二单孔模型 1固体颗粒内由圆柱开直孔构成。这些圆柱形直孔的孔径相等，相互平行，均匀分布。2通过单孔来描述颗粒的反应状况。反应物流体在孔内沿轴向进行，在孔壁上进行反应。反应物的浓度随轴向变化，径向均匀，是轴向距离的函数。3由于产物在孔壁上形成，反应过程中孔径发生变化，是时间的函数。三破裂芯模型1固相反应物的初始态是致密无孔的，在反应过程中破裂为多孔性细粒。2破裂的细粒按缩芯模型进行反应。流固相反应的反应模型，其针对性较强，应通过实验研究筛选出适宜的反应模型，不可随意而定。