化學反應工程流固相非催化反應器第1頁/共36頁1、平板形顆粒，灰層擴散控制符號說明：lC：未反應面距中心線距離；l：灰層距中心線距離，取灰層厚度為dl的微元，對A作物料衡算 則：，邊界條件：則：故：平板面積為A，擴散和反應主要集中在兩面，側面可忽略。第2頁/共36頁則：又：而：故：則：第3頁/共36頁積分，結果：當，則：又：最后：第4頁/共36頁2、圓柱體顆粒，灰層擴散控制底半徑為R，高為L，擴散、反應主要集中在側面，上、下底可忽略。則：邊界條件：對灰層中的A作物料衡算，在厚度為r高為L的微元處，取厚度為dr、第5頁/共36頁令：，微分方程轉化為：解得：則：又：第6頁/共36頁積分：結果：又：則：第7頁/共36頁當時，，為不定項，須應用羅必塔法則：故：第8頁/共36頁類型滯流膜擴散控制灰層擴散控制表面化學反應控制顆粒大小不變L：板厚一半顆粒縮小小顆粒斯托克（Stokes）區—大顆粒氣速不變—平板：圓柱體：球形：第9頁/共36頁溫度對總體速率的影響通常呈下列圖示：由圖可見：溫度對化學反應速率的影響遠遠地大于對擴散過程的影響（斜率的大小反映出速率對溫度的敏感度），通常在溫度較低、轉化率較小時，表面反應過程影響顯著。五、控制步驟判別通常采用四種方法進行控制步驟的判別：1、用溫度T對總體速率的影響進行判別第10頁/共36頁若氣速變化對總體速率有明顯影響，即可判別過程為外擴散控制，u對kG的影響比對De的影響要大得多。和之間的關系進行判別（球形顆粒：顆粒大小不變時，由表可知：若過程為滯流膜控制，則：即成直線關系，其它過程控制時，則不符合此規律；即和成直線關系，其它過程控制時，則不符合此規律；2、用氣速對總體速率的影響進行判別（u和kG）3、應用—時間分率）顆粒減小時，由表可知：若過程為表面化學反應控制，則：第11頁/共36頁這是最常用的一種方法，準確。當xB相同時：，若：顆粒大小不變：，若：顆粒大小不變：，若：，表面反應控制。4、用顆粒大小與反應時間的關系來判別顆粒減小：，則為滯流膜擴散控制；，灰層擴散控制；第12頁/共36頁例1等溫下，以高氣速進行某氣—固相非催化反應，得到下述實驗數據：R/mmt/hxB410.580210.875已知顆粒為球形，且固體產物堅硬如故，試根據顆粒大小不變的縮芯模型，判斷反應的控制步驟。第13頁/共36頁解：由于氣速高，故外擴散阻力可忽略。假設過程為灰層擴散控制，則：同理：故：又：故假設不正確。第14頁/共36頁假設過程為表面化學擴散控制，則：同理：故：又：故假設正確，過程為表面化學反應控制。第15頁/共36頁例2同例1，試計算：⑴對R=1mm的顆粒，求完全反應時間；⑵對R=4mm的顆粒，求xB=0.5的反應時間；⑶對R=3mm的顆粒，求反應時間為1h可達到多少轉化率？，⑵⑶，過程略。解：⑴因為過程為表面化學反應控制，故：第16頁/共36頁例3某等溫下進行的流固相非催化反應，顆粒為球形，當R=2mm時，達到xB=0.5需5min，當過程分別為外擴散控制、固膜內擴散控制及化學反應控制時，求對R=4mm的顆粒，達到xB=0.98的轉化率所需反應時間為多少？，，，解：⑴外擴散控制時第17頁/共36頁⑵灰層擴散控制，⑶化學反應控制，計算過程略。第18頁/共36頁1、固體顆粒呈平推流流動

六、流固相非催化反應器計算考察方法的抉擇：第19頁/共36頁但是對于固相，雖是平推流，是否可以取一微元作為控制元呢？作為控制元的要求是其中濃度和溫度處處相等。現看該微元，它是由一系列的固體顆粒組成，但各顆粒其半徑不同，存在一定的分布，而不同半徑的固體顆粒轉化率xBi也不相同，即微元不能選為控制元。處理辦法是：只能取每一顆粒為考察對象。僅是半徑的函數：，，記如上圖所示，反應器中，存在流固兩相反應物料，對于流體相，假設為全混流，即只存在一個濃度；對于固體相，則認為呈平推流型式。對于流體相，由于全混，可將反應器中所有流體相看作一控制元，進行物料衡算。由于固體為平推流，各固體顆粒具有相同的停留時間，故總轉化率第20頁/共36頁反應器計算可分為設計型和操作型兩類：設計型主要是針對一定的工藝要求計算出相應大小的反應器；操作型則是針對一定體積的反應器計算出口處物料的轉化率。本節主要講解操作型問題的計算，即求解式中：v(Ri)半徑為Ri顆粒的體積流量，v為總體積流量，設固體顆粒在反應過程中大小不變，故v不變，但質量卻可以發生變化，若固體物料密度不變，則v和質量流量一致。由于反應時間可能大于一部分顆粒的完全反應時間，這部分的小顆粒第21頁/共36頁例4：某氣固相非催化反應，固體物料置于移動爐箅上，與錯流過的氣體反應物作用。已知加料組成（體積分率）為：半徑為50μm的顆粒占20%，100μm的顆粒占30%，150μm的顆粒占30%，200μm的顆粒占20%，四種粒度的完全反應時間（min）分別為：5、10、15及20，計算停留時間為8min及16min所達到的轉化率。第22頁/共36頁解：故過程為化學反應控制：，①t=8min，，，，第23頁/共36頁②t=16min，，，，第24頁/共36頁各顆粒在反應器內的停留時間不同，停留時間分布密度函數為：故：出口處轉化率為：因為固體相相互之間無物質傳遞，屬宏觀流體，可以寫成上式的疊加形式，對⑴式進行討論，xB遵循不同規律，即：τ為半徑為R的顆粒完全反應時間，則⑴式可變化為：2、固體顆粒呈全混流流動設氣體為全混流，即只有一個濃度，下面分別按均勻顆粒和不均勻顆粒進行討論：⑴均勻顆粒第25頁/共36頁①滯流膜外擴散控制

，將作冪級數展開：則上式可寫成： 當較小時，上式收斂較快，只須取2-3項即可保證足夠的精度。下面繼續討論一些特殊的情況：第26頁/共36頁直接積分有困難，可得近似解為：③化學反應控制，即：化簡：當較小時，可用下式簡單計算：②固體產物（灰層）擴散控制第27頁/共36頁例5：在流化床中進行磁硫鐵礦焙燒，顆粒的完全反應時間與顆粒大小的關系為，反應過程中顆粒大小不變，且堅硬如故，加料為均勻顆粒，完全反應時間，平均停留時間解：由于是流化床，滯流膜外擴散阻力可忽略，但灰層擴散控制，表面化學反應控制為阻力同時存在，實際轉化率處于兩種極限狀態下計算值之間；又流化床中顆粒應處于全混狀態。為60min，求轉化率。，所以在該流化床中，反應過程中兩種第28頁/共36頁灰層擴散控制：，取前四項，則：表面反應控制：因此，磁硫鐵礦轉化率在：之間。第29頁/共36頁

在全混流反應器中進行不均勻顆粒的流固相非催化反應，又分為兩種情況：一是出口不帶走固體顆粒；另一種是帶走。對于不均勻顆粒，氣體可能會帶走細小顆粒，從而改變了反應器出口處的顆粒粒徑分布，進而影響到反應平均轉化率。本節主要討論第一種情況，即氣流不帶走固體顆粒。實際上是關于反應時間t和粒徑R的兩次加和（兩次積分）：：指出口物料中粒徑由占總流量的分率；：指同一粒徑為Ri的顆粒停留時間為的質量占總質量分率。⑵不均勻顆粒出口處區間中顆粒體積流量第30頁/共36頁上式又可寫成下列形式：例6：在流化床中進行某硫鐵礦的焙燒試驗，已知加料組成為：半徑為50μm的顆粒占30%，100μm的顆粒占40%，200μm的顆粒占30%，反應器高1.2m，直徑0.1m，床內物料質量流量為1.0kg/min，床內含有固相總質量為10kg，流化氣體為空氣，在操作條件下三種粒度顆粒的完全反應時間為5min、10min、20min，反應過程中顆粒的大小與密度不變，氣相組成也為定值。此外，設定了旋風分離器，使出口氣體的固體顆粒返回床層，求反應器出口轉化率。第31頁/共36頁解：流化床可以看成全混釜，又：過程為表面化學反應控制，即：對的均勻顆粒：對的均勻顆粒：對的均勻顆粒：第32頁/共36頁例7：如圖所示，流化床中，固體B按以下方程和A進行反應：反應過程固相顆粒可按縮芯模型處理，過程為化學反應控制，顆粒完全反應時間為1h，床層的處理能力為1t/h的固體，轉化率為90%，A等mol進入，進料濃度為CA0，求反應器總重量，假設氣體為全混流，注意床中氣體的濃度不等于CA0。第33頁/共36頁解：流化床可以看成