關于氣固相催化固定床反應器第1頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五基本問題溫度、濃度分布，氣相壓降，轉化率及催化劑用量選擇固定床反應器的原則－－什么反應需要用固定床反應器？氣固相催化反應首選－－非常普遍如，合成氨、硫酸、合成甲醇、環氧乙烷乙二醇、苯酐及煉油廠中的鉑重整等。第2頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五流體在固定床反應器內的傳遞特性氣體在催化劑顆粒之間的孔隙中流動，較在管內流動更容易達到湍流。氣體自上而下流過床層。第3頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五床層空隙率εB：單位體積床層內的空隙體積（沒有被催化劑占據的體積，不含催化劑顆粒內的體積）。若不考慮壁效應，裝填有均勻顆粒的床層，其空隙率與顆粒大小無關。第4頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五壁效應：靠近壁面處的空隙率比其它部位大。為減少壁效應的影響，要求床層直徑至少要大于顆粒直徑的8倍以上。第5頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五顆粒的定型尺寸－－最能代表顆粒性質的尺寸為顆粒的當量直徑。對于非球形顆粒，可將其折合成球形顆粒，以當量直徑表示。方法有三，體積、外表面積、比表面積。體積：(非球形顆粒折合成同體積的球形顆粒應當具有的直徑）外表面積：(非球形顆粒折合成相同外表面積的球形顆粒應當具有的直徑）第6頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五比表面積：(非球形顆粒折合成相同比表面積的球形顆粒應當具有的直徑）混合粒子的平均直徑：（各不同粒徑的粒子直徑的加權平均）第7頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五氣體流動通過催化劑床層，將產生壓降。壓降計算通常利用厄根（Ergun）方程：第8頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五可用來計算床層壓力分布。如果壓降不大，在床層各處物性變化不大，可視為常數，壓降將呈線性分布（大多數情況）。第9頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五例6.1在內徑為50mm的管內裝有4m高的催化劑層，催化劑的粒徑分布如表所示。催化劑為球體，空隙率εB=0.44。在反應條件下氣體的密度ρg=2.46kg.m-3，粘度μg=2.3×10-5kg.m-1s-1，氣體的質量流速G=6.2kg.m-2s-1。求床層的壓降。第10頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五解：①求顆粒的平均直徑。②計算修正雷諾數。第11頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五③計算床層壓降。第12頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五固定床催化反應器的設計絕熱型換熱型第13頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第14頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第15頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五操作方式：絕熱、換熱兩種；操作方式的不同，反應器的結構就不同。操作方式由反應的熱效應和操作范圍的寬窄及反應的經濟效益等決定。從反應器的設計、制造及操作考慮，絕熱型比較簡單。從設計上講，基本方程是一樣的。第16頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五設計固定床反應器的要求：1生產強度盡量大2氣體通過床層阻力小3床層溫度分布合理4運行可靠，檢修方便計算包括三種情況：1設計新反應器的工藝尺寸2對現有反應器，校核工藝指標3對現有反應器，改進工藝指標，達到最大生產強度。第17頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五模型化對于一個過程，進行合理的簡化，利用數學公式進行描述，在一定的輸入條件下，預測體系輸出的變化。對同一個體系，根據不同的簡化和假定，可以構造不同的模型。不同的簡化和假定，也決定了模型必然含有一些參數，以修正模型與實際體系的差異。根據不同的簡化和假定，分為幾種不同層次的模型。第18頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五對于固定床反應器，一般有以下模型：一維擬均相平推流模型一維擬均相帶有軸向返混的模型二維擬均相模型二維非均相模型二維非均相帶有顆粒內梯度的模型…………第19頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五一維：參數只隨軸向位置而變。二維：參數隨軸向和徑向位置而變。擬均相：流相和固相結合，視為同一相。非均相：流相和固相分別考慮。平推流：不考慮軸向返混。帶有軸向返混的模型：在平推流模型的基礎上疊加了軸向返混。第20頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五一維擬均相平推流模型質量衡算在管式反應器中垂直于流動方向取一個微元，以這個微元對A組份做物料衡算：dv輸入－輸出=反應＋積累FA

FA+dFA(-RA)(1-εB)Aidl0第21頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五整理得：對照平推流反應器模型二者相同第22頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五熱量衡算：（仍然是那塊體積）輸入熱量－輸出熱量+反應熱效應=與外界的熱交換+積累輸入：Gcp

T

G質量流量,cp恒壓熱容輸出：Gcp(T+dT)反應熱效應：(-RA)(1-εB)(-ΔH)Aidl熱交換：U(T-Tr)πdidldi反應器直徑積累：0U:氣流與冷卻介質之間的換熱系數Tr：環境溫度第23頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五將各式代入，得動量衡算：仍然是Ergun方程第24頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五將三個方程聯立：邊界條件：L=0,p=p0,xA=xA0,T=T0第25頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五需要注意的問題1從解題的角度看，一般壁溫恒定，實際情況并非如此。2對于低壓系統，壓降十分重要。3U不是物性參數，需實驗確定。4注意u0,u,um

的關系。5如果多根管子并聯，體系將自動調節各管的流量，使壓降相同，此時各管的處理量不同，轉化率不同，造成生產能力和產品質量下降。第26頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五典型模擬結果第27頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五兩種特殊情況：1等溫：反應熱效應不大，管徑較小，傳熱很好時，可近似按等溫計算。等溫時，第28頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五2絕熱：若絕熱，則T=Tr，或者認為U=0。此時，將物料衡算式與熱量衡算式合并，可得：λ：絕熱溫升，如果在一定范圍內視物性為常數，λ將不隨x及T變化。則：T－T0=λ(x－x0)溫度與轉化率形成一一對應關系，中，溫度可以由T=T0+λ(x－x0)代替。第29頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第30頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五可逆放熱反應絕熱反應器的最優化（以SO2＋1/2O2=SO3為例）xT平衡線等速率線0二氧化硫氧化反應T－x圖示意第31頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五二氧化硫氧化反應－－氣固相催化反應，用于硫酸生產，可逆，強放熱，絕大多數生產過程采用多段絕熱操作。最優化目的：在完成一定生產任務的條件下，使用的催化劑最少。已知條件：第一段入口和最后一段出口轉化率；第一段入口反應物濃度，各物性參數；段與段間采用間接冷卻。可以改變的參數：各段的入口溫度；段與段之間的轉化率。第32頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五以四段為例：催化劑用量為：（基于擬均相平推流模型）基于某一動力學方程，適當選取各段的入口溫度；段與段之間的轉化率共7個（N段為2N－1個）參數，使W最小。第33頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五x1in,T1inx1out,T2inx2outT3inx3outT4inx4out第一段第二段第三段第四段第34頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五斜線為段內操作線，斜率為1/λ。水平線表示段間為間接冷卻，只是溫度降低，轉化率不變。xT0二氧化硫氧化反應T－x圖示意在T－x圖上看：第35頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五調用最優化程序，就可以求得W最小值？可以，但很困難。進一步數學處理：在任意一段內，當xin及xout確定之后，應選取適當的進口溫度Tin，使催化劑量最小。第36頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五在任意相鄰兩段間：第37頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五

匯總：()()()()()()01,,01,,01,,01442444433333233332222222222111112144332211=??==??==??==??òòòòdxTrrTxrTxrdxTrrTxrTxrdxTrrTxrTxrdxTrrinxxininoutoutinxxininoutoutinxxininoutoutinxxoutinoutinoutinoutin第四段：第三、四段之間：第三段：第二、三段之間：第二段：第一、二段之間：第一段：第38頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五七個方程，七個未知數，可能是唯一解。討論：從T－x圖上看：xT0二氧化硫氧化反應T－x圖示意第39頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五例6-3(1)任務書在管式反應器中進行的鄰二甲苯催化氧化制鄰苯二甲酸酐是強放熱反應過程，催化劑為V2O5，以有催化作用的硅膠為載體。活性溫度范圍：610～700K粒徑：dP=3mm堆積密度：ρB=1300kg.m-3

催化劑有效因子：η=0.67催化劑比活性：LR=0.92反應器管長：L=3m第40頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五管內徑：dt=25mm管數：n=2500根由鄰苯二甲酸酐產量推算，原料氣體混合物單管入口質量流速:G=9200kg.m-2h-1。烴在進入反應器之前蒸發，并與空氣混合。為保持在爆炸極限以外，控制鄰二甲苯的摩爾分數低于1％。操作壓力接近常壓：p=1267kPa。第41頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五原料氣中鄰二甲苯的初摩爾分數：yA0=0.9空氣的初摩爾分數：yB0=99.1混合氣平均相對分子質量：M=30.14kg.kmol-1混合氣平均熱容：cP=1.071kJ.kg-1K-1混合氣入口溫度：640-650K第42頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五化學反應式：宏觀反應動力學：第43頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五(2)設計要求按一維擬均相理想流模型分別測算在絕熱式反應器和換熱式反應器中的轉化率分布、溫度分布，并繪制L-xA-T分布曲線。在換熱條件下，反應器管間用熔鹽循環冷卻，并將熱量傳遞給外部鍋爐。管間熱載體熔鹽溫度范圍630~650K。床層對流給熱系數hW=561kJ.m-2h-1K-1顆粒的有效導熱系數λS=2.80kJ.m-1h-1K-1第44頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五總括給熱系數

一方面可以進行反應器設計的優化（多方案比較）；另一方面可以進行反應器參數的靈敏性分析，即通過改變如下參數，考慮測算結果的變化。第45頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第46頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五(3)計算方法設定入口溫度等于管壁溫度，調用數值積分程序同時對以下兩式進行數值積分。第47頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五(4)計算結果根據計算結果繪制xA-l，T-l曲線，如圖。按照設計要求改變諸參數看其影響。第48頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五固定床反應器模型評述一、帶有軸向返混的一維模型非理想模型，當平推流模型描述不夠滿意時采用。修正軸向熱量、質量返混帶來的與平推流模型的偏離。物理模型：在擬均相平推流模型上迭加一個軸向返混，與‘非理想流動’中介紹的返混模型相同，但增加熱擴散的考慮。第49頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五穩態，在dVR體積中對A組份做物料衡算：輸入輸出反應輸入－輸出＝反應LdlcA0,FA0,xA0=0,V0cA,FA,xA,VFA,xAFA+dFA,xA+dxAdVR第50頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五將以上三式合并，得：式中，EZ為軸向有效擴散系數。相應，在同樣條件下，對dVR做熱量衡算：第51頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五反應：散熱：輸入＋放熱＝輸出＋散熱整理得：λZ為軸向有效導熱系數第52頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五邊值條件：二階常微分方程組，兩點邊值問題。可調用程序求解第53頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五討論：1軸向擴散的引入，可以導致溫度、濃度分布趨于平緩。2許多不確定因素可以歸結到軸向擴散中。3軸向擴散可能會造成多重態。4軸向擴散系數與軸向導熱系數有一定的函數關系。5經驗證明，當床層厚度大于50倍顆粒直徑時，軸向熱質擴散（軸向返混）對出口轉化率所造成的影響可以忽略不計。第54頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五6軸向擴散系數和軸向導熱系數都不是物性參數。其中都包含了流體和固體顆粒雙重的貢獻。7軸向擴散系數和軸向導熱系數需通過實驗求取或參考文獻值及通過經驗公式求取。第55頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五二、二維擬均相模型二維：軸向和徑向對于徑向存在較大的溫度差、濃度差的反應器，一維模型有時不能滿足要求，需要考慮徑向的溫度濃度分布。與一維模型相比，考慮的因素更多，得到的結果更復雜，各有優缺點。第56頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五模型假定：1反應在圓管式反應器中進行。2流體在催化劑管內為非理想流動，存在著軸、徑向的質量和熱量擴散。3流固相之間沒有溫度、濃度差。4擴散遵循Fick擴散定律。第57頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五在管式反應器中取一微元：drdlRr第58頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五定常態條件下就環形微元對A做物料衡算：第59頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五輸入－輸出=反應整理得：第60頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五熱量衡算：第61頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五輸入－輸出＝反應與質量衡算類似，軸向熱擴散項可以忽略：動量衡算方程與一維模型相同。第62頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五邊界條件：l=0l=L第63頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五在任意截面上流體的平均溫度濃度第64頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五關于模型參數模型參數是模型的一個重要組成部分，與模型緊密結合。模型參數包含軸徑向有效導熱系數與擴散系數及流體與管壁之間的給熱系數。模型參數的取得，與實驗條件有關，在具體應用時，要選擇盡可能接近應用條件的文獻值。第65頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五徑向溫度分布第66頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五非均相模型考慮到流體與催化劑顆粒之間有較大的溫度差和濃度差，流固相不能當成一個虛擬的均相處理，派生出了非均相模型。如果再考慮到顆粒內部的溫度與濃度梯度，又會產生考慮到粒內溫度濃度梯度的模型。第67頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五熱量傳遞熱量傳遞擬均相一維平推流模型熱量傳遞熱量傳遞帶有軸向返混的擬均相一維模型熱質傳遞熱量傳遞熱量傳遞擬均相二維模型熱質傳遞第68頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五固體相熱量傳遞熱量傳遞二維非均相模型熱質傳遞抽象成為熱量傳遞二維非均相模型熱質傳遞熱量傳遞流體相第69頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五熱量傳遞考慮顆粒內梯度的二維非均相模型熱質傳遞熱量傳遞流體相固體相第70頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五模型評述考慮的因素越多，模型越復雜，模型參數就越多，模型參數的可靠性就越重要。并非模型越復雜越好。模型復雜增加了實驗、計算工作量，增加了出錯的概率。以簡單實用為好。如返混嚴重，宜用帶軸向返混的一維模型；徑向溫差大，宜用擬均相二維模型等。非均相模型慎用，非不得已，不用過于復雜的模型。第71頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第七章氣固相催化反應流化床反應器第72頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五流態化現象：使微粒固體通過與氣體或液體接觸而轉變成類似流體的操作。固體顆粒層與流體接觸的不同類型：流體流速增加固定床初始流態化散式流態化聚式流態化騰涌稀相流態化液體氣體第73頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第74頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五流化床的基本概念當通過床層的流體流量較小時，顆粒受到的升力（浮力與曳力之和）小于顆粒自身重力時，顆粒在床層內靜止不動，流體由顆粒之間的空隙通過。此時床層稱為固定床。隨著流體流量增加，顆粒受到的曳力也隨著增大。若顆粒受到的升力恰好等于自身重量時，顆粒受力處于平衡狀態，故顆粒將在床層內作上下、左右、前后的激烈運動，這種現象被稱為固體的流態化，整個床層稱為流化床。第75頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五流化床類似液體的性狀輕的物體浮起；表面保持水平；固體顆粒從孔中噴出；床面拉平；床層重量除以截面積等于壓強第76頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第77頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五流化床的優點1顆粒流動類似液體，易于處理，控制；2固體顆粒迅速混合，整個床層等溫；3顆粒可以在兩個流化床之間流動、循環，使大量熱、質有可能在床層之間傳遞；4宜于大規模操作；5氣體和固體之間的熱質傳遞較其它方式高；6流化床與床內構件的給熱系數大。第78頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五流化床的缺點1氣體的流動狀態難以描述，偏離平推流，氣泡使顆粒發生溝流，接觸效率下降；2顆粒在床層迅速混合，造成停留時間分布不均勻；3脆性顆粒易粉碎被氣流帶走；4顆粒對設備磨損嚴重；5對高溫非催化操作，顆粒易于聚集和燒結。第79頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五流化床的工業應用第一次工業應用：1922年FritzWinkler獲德國專利，1926年第一臺高13米，截面積12平方米的煤氣發生爐開始運轉。目前最重要的工業應用：SOD(StandardOilDevelopmentCompany)IV型催化裂化。第80頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五散式流化和聚式流化（1）散式流態化隨著流體流量的加大，床層內空隙率增大，顆粒之間間距加大，而顆粒在床層中分布均勻，流體基本上以平推流形式通過床層，人們稱這種流化形式為散式流態化。第81頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五（2）聚式流態化在此類流態化形式中，床層明顯地分成兩部分。其一是乳化相：固體顆粒被分散于流體中，單位體積內顆粒量類似于散式流化床的初始流化狀態。其二是氣泡相：流體以氣泡形式通過床層。第82頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五兩種流態化的判別一般認為液固流態化為散式流態化而氣固之間的流化狀態多為聚式流態化。為散式流態化為聚式流態化第83頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第84頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五濃相段和稀相段當流體通過固體床層的空塔速度值高于初始流化速度但低于逸出速度，顆粒在氣流作用下懸浮于床層中，所形成的流固混合物稱為濃相段。在濃相段上升的氣泡在界面上破裂，氣泡內顆粒以及受氣泡挾帶的乳化相中顆粒將被拋向濃相段上方空間。這段空間稱為稀相段或稱分離段。第85頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五顆粒含量床高稀相段濃相段濃相段和稀相段第86頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五流態化的不正常現象溝流：由于流體分布板設計或安裝上存在問題，使流體通過分布板進入濃相段形成的不是氣泡而是氣流，稱溝流。溝流造成氣體與乳化相之間接觸減少，傳質與反應效果明顯變差。節流（騰涌）第87頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第88頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五流化床的工藝計算1初始流化速度：－－顆粒開始流化時的氣流速度（氣體向上運動時產生的曳力）＝（床層體積）×（固體顆粒分率）×（顆粒密度），即：第89頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五將上式與固定床壓降方程(Ergun方程)相結合，可得臨界流化速度計算式。Ergun方程：與考慮固定床壓降時的方程對照：可以看出所作簡化。第90頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五前一項為粘滯力損失，后一項為動能損失。合并兩式并整理：低雷諾數時，粘滯力損失占主導，忽略后一項：第91頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五解得：高雷諾數時，動能損失占主導，忽略前一項：解得：第92頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五對中等雷諾數，兩項都要考慮。計算出臨界流化速度后要進行驗算，看雷諾數是否在適用范圍之內。2帶出速度（終端速度）：當流體對顆粒的曳力與顆粒的重量相等，顆粒會被流體帶走：CD--曳力系數第93頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五對于單顆粒，有半經驗公式：第94頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五以上計算是針對一個顆粒的，在流化床內由于顆粒間有相互影響，故逸出速度由此速度值再加以校正而得。uT=FuRe<10時，F≈1Re>10時，Re-F見下圖第95頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第96頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五3反應器內徑的計算VG：氣流的體積流量m3s-1dT：流化床內徑mu：氣流的空塔流速m.s-1可見，流化床的內徑取決于氣流的空塔氣速，而流化床的空塔氣速應介于初始流化速度（也稱臨界流化速度）與逸出速度之間。即維持流化狀態的最低氣速與最高氣速之間。第97頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五例8-1計算萘氧化制苯酐的微球硅膠釩催化劑的起始流化速度和逸出速度已知催化劑粒度分布如下：催化劑顆粒密度ρP=1120kg.m-3氣體密度ρ=1.10kg.m-3氣體粘度μ=0.0302mPa·s第98頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五解1．計算顆粒平均粒徑根據標準篩的規格，目數與直徑關系如下：在兩個目數間隔內顆粒平均直徑可按幾何平均值計算，即第99頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五2．計算起始流化速度（umf）第100頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五3．計算逸出速度（ut）:設Rem<2第101頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五復核Re值假設Rem<2合理。由Re=1.3，Re<10可得F=1第102頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五濃相段高度的計算催化劑在床層中堆積高度稱靜床層高度(L0)。在通入氣體到起始流化時，床高Lmf≈L0。若繼續加大氣量，床層內產生一定量的氣泡，濃相段床高(Lf)遠大于靜床層高度。關于濃相段床高的計算通常用計算床層空隙率(εf)來獲得。令床層膨脹比R第103頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五0.2<ReP<11<ReP<200200<ReP<500500<ReP

n=2.39 則Lf=RLmf第104頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五稀相段床高的估算稀相段也稱分離段，主要是用來保證床內因氣泡破裂而挾帶固體顆粒重新回到濃相段所需空間。稀相段床高可由化工原理中非均相分離過程計算而得，也可由下述經驗方程估算。第105頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五例8-2例8-1中的催化反應過程，若操作氣速取12cm.s-1，催化劑裝填高度L0=20cm，氣體流量為122m3h-1，試估算流化床內徑以及濃相段、稀相段床高。解1．計算流化床內徑2．計算流化床濃相段床高第106頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五當0.2<ReP<1時第107頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五3．計算稀相段床高4．床層總高L=Lf+L2=53.74+131.36=185.1cm第108頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五流化床的熱傳遞流化床的熱量傳遞過程大體可分為：固體顆粒之間的熱量傳遞；氣體與固體之間的熱量傳遞；床層與床壁（包括換熱器）之間的熱量傳遞。由于流化床中顆粒處于高度運動狀態，而固體的導熱系數較大，因此傳熱速率很快。床層中溫度基本上可以認為是一致的。第109頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五流化床層與器壁的給熱系數直到目前為止仍只能通過將實驗數據歸納成準數方程而獲得。第110頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五流化床層與豎放的換熱器器壁之間給熱系數計算式為注意：是有單位的，其單位為s.cm-2床層與橫放的換熱器器壁之間傳熱時，給熱系數計算式為第111頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五流化床傳熱小結水平管的給熱系數比垂直管低5－15％，因此傾向于使用垂直管。顆粒的導熱系數和床高對給熱系數影響不大；給熱系數隨顆粒比熱的增大而增大，隨粒徑的增大而降低；流體的導熱系數對給熱系數hw起最主要的影響，hw與n成正比，n=1/2-2/3。床層直徑的影響難于判定；床內管徑小時給熱系數大；第112頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五床層中氣泡行為當氣體通過床層時一部分氣體與顆粒之間組成乳化相，其余氣體以氣泡形式通過乳化相。由于氣體上升速度與乳化相速度不同，存在明顯的速度差異，氣泡在上升過程中必然會挾帶氣泡周圍一定量的乳化相物質。氣泡在上升時其尾部形成負壓，將吸入部分乳化相物質隨其上升，這部分稱尾渦。第113頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五氣泡上升時氣泡外側一定厚度的乳化相將隨氣泡一起上升，這部分被稱為氣泡云。尾渦與氣泡云統稱為氣泡暈。第114頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五流化床的鼓泡床模型鼓泡床模型對流化床運動形態作如下簡化:（1）認為床層主體部分氣泡大小均一且均勻分布于床層之中。（2）床層中乳化相處于起始流化狀態，超過起始流化態的氣體將以氣泡形式通過床層。第115頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五（3）床層可分為氣泡、氣泡暈及乳化相三部分。在氣泡、氣泡暈和乳化相之間的傳質過程是一個串聯過程。（4）在時，進入稀相段的氣體只有氣泡破裂而逸出的氣體，故稀相段氣體組成與離開濃相段的氣泡中氣體組成相同。第116頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五反應過程的估算在流化床的濃相段中，對氣體中反應物A而言，存在如下關系：第117頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第118頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五根據此表可得A組分的物料衡算。以單位氣體體積為基準（總消失量）=（在氣泡中反應的量）+（轉移到氣泡暈中的量）（轉移到氣泡暈中的量）=（在氣泡暈中反應掉的量）+（轉移到乳化相中的量）（轉移到乳化相中的量）=（在乳化相中反應掉的量）第119頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五式中是流化床內總反應速率常數。對該方程進行積分邊值條件為：第120頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五已知cA0，cAf（或xAf），利用該式可求得濃相段床高Lf，進而求出催化劑用量。已知cA0，Lf，可求得氣體的出口濃度cAf（或轉化率xAf）。以反應動力學方程為一級的反應為例：第121頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第122頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五聯解此方程，消除cAc，cAe整理后可得第123頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五由邊值條件代入若濃相段床高為Lf，則出口氣體濃度及轉化率為第124頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五若要求出口轉化率為xAf，則需濃相段床高Lf為γb，γc，γe及Kbc，Kce值由經驗公式計算。γb的值在0.001-0.01之間。由于該值較小，對計算影響不大。第125頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第126頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五例8-3計算萘氧化制苯酐的流化床反應器氣體出口轉化率.已知:1.催化劑：微球硅膠釩催化劑（同例8-1）平均粒徑密度2．氣體性質氣體密度氣體粘度擴散系數第127頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五3．流化床特性靜床層高床層直徑空隙率操作氣速4．反應動力學方程第128頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五解1．計算起始流化速度與逸出速度2．計算操作條件下的空隙率及膨脹比空隙率床層膨脹比濃相段高稀相段高第129頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五3．計算氣泡上升速度第130頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五4．計算γb，γc，γe值取γb=0.01查圖，當時，第131頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五代入式中代入第132頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五5．計算、值第133頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五6．計算Kr值第134頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五7．計算出口氣體中萘的轉化率第135頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第八章氣液相反應過程與反應器第136頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五氣液反應過程指一個反應物在氣相，另一個在液相，氣相反應物需進入液相才能反應；或兩個反應物都在氣相，但需進入液相與液相的催化劑接觸才能反應。與化學吸收過程極為相似。概述第137頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五液相：第138頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五積分上式，得：可以據此計算反應時間。式中的各參數由經驗方程計算。連續流動鼓泡塔計算第139頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五上式的關鍵是YA與-rA的關系。是氣相組成，而反應發生在液相中。因此涉及到傳遞現象，并且和液相的流型相關聯。鼓泡塔中流型復雜，存在不同的區域，如安定區和湍動區。第140頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五氣液反應的步驟：氣液相反應－－反應物和產物至少有一個存在于液相中，其中典型的是氣體的反應吸收。更具有普遍意義：A(g)+B(l)=C(g)其宏觀反應歷程為：1A從氣相主體向氣液界面擴散；2A在氣液界面處溶解于液相；3溶解于液相的A向液相內部擴散，在擴散的同時與液相中的B發生反應；第141頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五4液相中的產物C透過液膜擴散到氣液界面；5產物C由氣液界面擴散到氣相主體。基本理論：雙膜理論與物理吸收的差別在于在液相主體和液膜中存在化學反應，反應速率的快慢直接影響了吸收的速率。反應歷程亦為連串過程，反應速率決定了控制步驟的所在。第142頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五物理吸收過程的雙膜理論模型氣液兩相間存在著穩定的相界面，界面兩側分別存在滯留膜，組份通過在滯留膜中穩定的分子擴散進行傳質，傳質阻力完全存在于滯留膜中。第143頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五根據雙膜理論的物理模型，可以寫出：第144頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五因此可以寫成：第145頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五擴散物A在液膜中的化學反應，使液膜較物理過程的液膜變薄，由變為。注意液膜是流體力學特性，而變薄的液膜就不單純是流體力學的概念了。δGδLpApAicAcAiδ'L第146頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五則：第147頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第148頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五氣液反應動力學在液膜內取一微元體，在定常態下，對A組份作物料衡算（服從Fick擴散定律）：第149頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第150頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五模型分析：模型是以存在穩定的膜為前提，即：不論氣液相主體如何擾動，相界面上滯留膜總是穩定存在。隨著氣液相流動狀況的不同，氣液膜的厚度不同。強化傳質要通過增加擾動改變膜厚度實現。傳質與反應速率的不同，得到不同的膜內濃度分布。第151頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五極慢反應傳遞速率遠比反應速率快得多；液相中溶解的A接近其飽和溶解度；化學反應在液相主體中進行，反應速率代表了A的傳遞速率。第152頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五慢反應反應在液相主體中進行，但速率較傳遞速率為大，液膜中的反應可以忽略（即-rA視為0），與物理吸收相同。δGδLpApAicBcAcAi第153頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五中速反應反應在液相主體與液膜中同時進行：第154頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五令方程轉變為：第155頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五繼續推導：第156頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五β恒大于1。曲線下凹。八田數決定了β,γ0,β1

(γ0，chγ1,γ/

th

γ1)δGδLpApAicBcAcAidl第157頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五快速反應反應僅發生在液膜區，組份在液膜區已全部反應掉，在液相主體區沒有A，因此液相主體中沒有反應。第158頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五cBi不一定為0，與中速反應的區別在于cAL為0，即在液相主體中沒有A。δGδLpApAicBLcAi第159頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五瞬時反應過程A與B之間的反應進行得極快，以致于A與B不能在液相中共存。在液膜區存在一個反應面，此面上AB的濃度均為0。δGδLpApAicBLcAi反應面δR第160頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五反應面左側，只有A，沒有B，因此，在此區域，為純物理擴散。反應面右側，只有B，沒有A，因此，在此區域，亦為純物理擴散。第161頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五解之，得：反應面的位置：第162頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五β代表了反應面的位置，β=1，反應面在液膜位置上，β，反應面與氣液界面重合。

第163頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五β意味著B在液膜中的擴散遠遠大于A組份的擴散或B的濃度遠大于A。在反應面與氣液界面重合的情況下，B組份在液相主體中的濃度稱為在氣相A分壓下的臨界濃度。若此時cBL>cBL臨，液相中將不再有A。第164頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五只要是瞬時反應過程，就存在反應面，而反應面的位置，取決于AB的濃度和擴散速率。反應面向相界面移動，剛好接觸時的cBL即為cBL臨。不僅液相主體沒有A，而且連液膜內也沒有A。δGδLpApAicBL臨cBLcBLcAi第165頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五氣液反應動力學小結兩個重要參數：化學增強因子β和八田數γ。β=f(γ，cAi,cAL),γ=f(k,DALδL)宏觀反應速率最終取決于反應物A的反應特性k，傳遞特性DAL和體系的流體力學特性δL。強化宏觀反應速率需要提高k，DAL，減小δL。當然還與氣相傳遞特性有關。第166頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五γ決定了反應是快是慢，是否存在反應面，反應在何處進行。判據：γ>2屬于瞬間反應或快反應過程；宜選用停留時間短的反應器，如填料塔。0.02<γ<2為中速反應；反應大量在液相主體進行，宜選用持液量大的反應器，如鼓泡塔。γ<0.02屬于慢反應。第167頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五氣液反應器氣液反應器有許多類型，常見的有：第168頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五填料塔式反應器計算反應器特點：液體沿填料表面向下流動，持液量小；氣液接觸界面近似等于填料表面積；氣液傳質過程可以按雙膜理論計算。適用于瞬間反應及快反應過程。塔徑計算：取0.6-0.8倍液泛速度為空塔操作氣速u，V為體積流量。第169頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五填料層高度計算取塔內微元高度dl對氣相作物料衡算：HF,YA出F,YA進L,XA進L,XA出dl第170頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五快反應及瞬間反應cAL=0，微元體內的相接觸面積近似為填料面積：σ為填料比表面。氣相中的A分壓用比摩爾分率表示：第171頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五代入前式可得：第172頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五kGA,kLA有經驗公式可算。氣相視為平推流操作。由于視cAL=0，與液相流型無關。反應級數體現在中。因為是快速反應，傳質阻力主要存在于氣膜之中。填料高度的最直接影響因素為摩爾流量、總壓、填料比表面及出入口濃度差。與物理吸收的差別僅在于。如果=1，相當于用大量的液體吸收氣相中的A。第173頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五鼓泡塔式反應器的計算液相是連續相，氣相是分散相。鼓泡塔反應器的操作分兩種，連續與半連續。所謂半連續是指液體一次加入，達到反應要求后一次排出，而氣相連續通過。假定：氣相流動為平推流，氣體分壓隨高度呈線性變化。液相在塔內為理想混合，物性參數不變。第174頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五取反應器內任意橫截面對氣相進行物料衡算：輸入－輸出=反應鼓泡塔反應器適用于慢反應過程，全部反應發生在液相主體。ldlYA出F,YA入第175頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五第九章反應器的熱穩定性與參數靈敏性第176頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五連續流動反應器一般按定常態設計，但反應器的操作并不總是穩定的。流量、濃度、溫度等隨時都在發生著變化。本章討論一旦某些操作參數發生變化，反應器是否還能在接近設計條件下操作；這些參數的變化，是否影響了反應器的安全運行。第177頁，共201頁，2022年，5月20日，4點34分，星期五全混流反應器的熱穩定性由于全混流反應器參數均一，計算簡單，以