催化反應工程華東理工大學工業(yè)反應過程分析導論

1、反應過程分析反應過程分析n1 1 氣液固三相反應氣液固三相反應n2 2 三相催化反應器三相催化反應器第七章第七章 氣氣液液固三相反應器固三相反應器反應過程分析反應過程分析1 1 氣氣液液固三相反應固三相反應氣氣液液固三相催化反應固三相催化反應, ,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器固反應器涓流床反應器涓流床反應器不同的流向不同的流向a)a)機械攪拌式反應器機械攪拌式反應器 b)b)鼓泡反應器鼓泡反應器 c)c)三相流化床反應器三相流化床反應器d)d)三相攜帶床三相攜帶床 e)e)內環(huán)流反應器內環(huán)流反應器2) 2) 懸浮床氣懸浮床氣液液固反應器固反應器反應過程

2、分析反應過程分析反應過程分析反應過程分析三相床中顆粒催化劑上反應過程為三相床中顆粒催化劑上反應過程為1)1)氣相反應物從氣相主體擴散到氣氣相反應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)氣相反應物從氣氣相反應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)氣相反應物從液相主體擴散到顆粒外表面的傳質過程氣相反應物從液相主體擴散到顆粒外表面的傳質過程; ;4)4)顆粒催化劑內同時進行反應和內擴散的宏觀反應過程顆粒催化劑內同時進行反應和內擴散的宏觀反應過程; ;5)5)產物從催化劑顆粒外表面擴散到液相主體的傳質過程產物從催化劑顆粒外表面擴散到液

3、相主體的傳質過程; ;6)6)產物從液相主體擴散到氣產物從液相主體擴散到氣液界面的傳質過程液界面的傳質過程; ;7)7)產物從氣產物從氣液界面擴散到氣相主體的傳質過程液界面擴散到氣相主體的傳質過程; ;反應過程分析反應過程分析ASeeASALeASALAiLLALAigAgLAgRAgACSkCCSkCCSkCCSkdVdNr,以反應物以反應物A表示表示二二 宏觀反應速率宏觀反應速率r rA,gA,gAgk氣膜傳質分系數(shù)，氣膜傳質分系數(shù)，m/hALk液膜傳質分系數(shù)，液膜傳質分系數(shù)，m/hAiLGLAigCKC氣液相平衡氣液相平衡AigAgLAgAgCCSkrASk液固界面液膜傳質分系數(shù)，液固界

4、面液膜傳質分系數(shù)，m/hek本征反應速率常數(shù)本征反應速率常數(shù)LSeS單位床層內氣液相傳質面積，單位床層內氣液相傳質面積，32mm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過程分析反應過程分析ALGLAigLALGLAgCKCSkKrAgeTRAAgCSkdVdNreASGLALGLLeAgLeTkkKkKSSkSSk111kT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速率常數(shù)。外表面積計算的宏觀反應速率常數(shù)。 反應過程分析反應過程分析反應過程分析反應過程分析eASALLeGLTkkkSSKk1111eASGLAgLeTkkKkSSk11

5、111) 不存在氣膜傳質阻力，不存在氣膜傳質阻力，kAg2) 不存在液膜傳質阻力，不存在液膜傳質阻力，kAL反應過程分析反應過程分析eGLALGLLeAgLeTkKkKSSkSSk11eASGLALGLLeAgLeTkkKkKSSkSSk11113) 不存在液固界面處液膜傳質阻力，不存在液固界面處液膜傳質阻力，kAS4) 催化劑效率因子催化劑效率因子 1反應過程分析反應過程分析DdkSh udpReDSc對流傳質對流傳質對流給熱對流給熱Sherwood數(shù)數(shù)Nusselt數(shù)數(shù)dNu Reynolds數(shù)數(shù)Prandtl數(shù)數(shù)pCPrudpReSchmidt數(shù)數(shù)如：湍流流動，如：湍流流動，Re2100

6、，Sc=0.63000時，實驗獲得的結果時，實驗獲得的結果:Sh=0.023Re0.83Sc0.33式中定性尺寸取管徑式中定性尺寸取管徑d圓管內對流給熱的關聯(lián)式圓管內對流給熱的關聯(lián)式Nu=0.023Re0.8Pr0.30.4反應過程分析反應過程分析反應過程分析反應過程分析 ClBgABSASeeASALeASALAiLLALAigAgLAggACCSkCCSkCCSkCCSkr,BSASeeBSBLeBSgBCCSkCCSkr,BLAgeTgBgACCSkrr,A組分組分BSeASGLALGLLeAgLeTCkkKkKSSkSSk1111BSBLeBSgBCCSkr,BSASeegBCCSkr

7、,BLAgeTgBBLASeegBeBSgBCCSkrCCSkrSkr,，反應過程分析反應過程分析AgTASeBSCkCkk111BSeAgTeASkkCkkC1BLAgeTBSASeegBCCSkCCSkr,ASeBLAgTBSCkCCkC反應過程分析反應過程分析反應過程分析反應過程分析三三 床層宏觀動力學床層宏觀動力學但是但是kAL，kAS必須考慮。必須考慮。整個床層的宏觀動力學。整個床層的宏觀動力學。一般情況下一般情況下 kAg，1 1反應過程分析反應過程分析2 三相催化反應器三相催化反應器一一涓流床三相反應器涓流床三相反應器二二機械攪拌鼓泡三相反應器機械攪拌鼓泡三相反應器三三淤漿床鼓泡

8、反應器淤漿床鼓泡反應器四四三相流化床反應器三相流化床反應器反應過程分析反應過程分析一一 涓流床三相反應器涓流床三相反應器氣、液并流向下通過固定床的流體力學氣、液并流向下通過固定床的流體力學反應過程分析反應過程分析( (一一) )流體狀態(tài)流體狀態(tài)與流速有關與流速有關 在一定在一定UOGUOG下，下， 小小大，氣相連續(xù)大，氣相連續(xù)分散分散反應過程分析反應過程分析 內持液量內持液量顆?？紫秲鹊某忠毫?，顆粒孔隙內的持液量， 孔隙率孔隙率，內持液量，內持液量 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

9、持液量氣、液穩(wěn)定流動后，同時關閉氣、液進氣、液穩(wěn)定流動后，同時關閉氣、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) )持液量持液量反應過程分析反應過程分析( (三三) )液體分布液體分布 塔內徑塔內徑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 內部潤濕，或孔隙充滿內部潤濕，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，外部潤濕率反應過程分析反應過程分析傳遞過

10、程傳遞過程涓流狀態(tài)下涓流狀態(tài)下( (一一) ) 氣液界面氣膜傳質分系數(shù)氣液界面氣膜傳質分系數(shù)k kG G( (二二) ) 氣液界面液膜傳質分系數(shù)氣液界面液膜傳質分系數(shù)k kL L( (三三) ) 液固界面、液固相間傳質系數(shù)液固界面、液固相間傳質系數(shù)涓流床中的傳熱涓流床中的傳熱反應過程分析反應過程分析二二 機械攪拌鼓泡三相反應器機械攪拌鼓泡三相反應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 最小轉速最小轉速 最大氣速液泛最大氣速液泛反應過程分析反應過程分析三三 淤漿床鼓泡反應器淤漿床鼓泡反應器沒有攪拌，液體不連續(xù)流入或流出反應器沒有攪拌，液體不連續(xù)流入

11、或流出反應器優(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，但模擬計算時假設活塞流。氣相存在范混，但模擬計算時假設活塞流。反應過程分析反應過程分析反應過程分析反應過程分析反應過程分析反應過程分析( (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

12、層直徑6 6分布器，有無導流筒分布器，有無導流筒反應過程分析反應過程分析反應過程分析反應過程分析( (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 中國科學院山西煤炭化學研究所中國科學院山西煤炭化學研究所 g =f(Fr, Ga) P: 0.1010.785MPa T: 150210 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，可得下列關聯(lián)式：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，可得下列關聯(lián)式：782. 00353. 0679. 02570. 20884. 0429. 04463. 10602. 0927. 0310567. 1 1955. 00645. 0 ,/9310122. 3 0645. 00391. 0 ,/93.0cm/s

13、 210057. 5 0391. 0,/3 1RaGgRaGgRaGgDdGFrFrscmuDdGFrFrscmuDdGFrFrscmu時）湍流鼓泡區(qū)（時）過渡區(qū)（時）安靜鼓泡區(qū)（反應過程分析反應過程分析反應過程分析反應過程分析四四 三相流化床反應器三相流化床反應器流體連續(xù)地流出、流體連續(xù)地流出、流入反應器流入反應器氣體、液體自下而上氣體、液體自下而上通過反應器通過反應器反應過程分析反應過程分析( (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)反應過程分析反應過程分析( (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

14、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)：024. 0721. 0196. 0087. 0667. 031083. 4effLpLgGduu105. 0692. 0052. 0068. 074. 031048. 6effLpLgGduu反應過程分析反應過程分析1 1 氣氣液液固三相反應固三相反應氣氣液液固三相催化反應固三相催化反應, ,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器固反應器涓流床反應器涓流床反應器不同的流向不同的流向a)a)機械攪拌式反應器

15、機械攪拌式反應器 b)b)鼓泡反應器鼓泡反應器 c)c)三相流化床反應器三相流化床反應器d)d)三相攜帶床三相攜帶床 e)e)內環(huán)流反應器內環(huán)流反應器2) 2) 懸浮床氣懸浮床氣液液固反應器固反應器反應過程分析反應過程分析三相床中顆粒催化劑上反應過程為三相床中顆粒催化劑上反應過程為1)1)氣相反應物從氣相主體擴散到氣氣相反應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)氣相反應物從氣氣相反應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)氣相反應物從液相主體擴散到顆粒外表面的傳質過程氣相反應物從液相主體擴散到顆粒外表面的傳質過程; ;4)4)

16、顆粒催化劑內同時進行反應和內擴散的宏觀反應過程顆粒催化劑內同時進行反應和內擴散的宏觀反應過程; ;5)5)產物從催化劑顆粒外表面擴散到液相主體的傳質過程產物從催化劑顆粒外表面擴散到液相主體的傳質過程; ;6)6)產物從液相主體擴散到氣產物從液相主體擴散到氣液界面的傳質過程液界面的傳質過程; ;7)7)產物從氣產物從氣液界面擴散到氣相主體的傳質過程液界面擴散到氣相主體的傳質過程; ;反應過程分析反應過程分析如：湍流流動，如：湍流流動，Re2100，Sc=0.63000時，實驗獲得的結果時，實驗獲得的結果:Sh=0.023Re0.83Sc0.33式中定性尺寸取管徑式中定性尺寸取管徑d圓管內對流給熱的關聯(lián)式圓管內對流給熱的關聯(lián)式Nu=0.023Re0.8Pr0.30.4反應過程分析反應過程分析反應過程分析反應過程分析2 三相催化反應器三相催化反應器一一涓流床三相反應器涓流床三相反應器二二機械攪拌鼓泡三相反應器機械攪拌鼓泡三相反應器三三淤漿床鼓泡反應器淤漿床鼓泡反應器四四三相流化床反應器三相流化床反應器反應過程分析反應過程分析( (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 中國科學院山西煤炭化學研究所中國科學院山西煤炭化學研究所 g =f(Fr, Ga) P: 0.1010.78