《化学反应工程》PPT课件

,化学反应工程分析,姓名：闫雪梨,指导老师：,杨伯伦,教授,第七章,气,液固三相反应和反应器分析,气液固三相反应动力学,气液固三相反应器的分类和选型,气液固三相反应器的计算,1.1,气液固三相反应的类型,反应物和反应产物在气相和液相中而固相为催化剂的催化反应过程,反应物和反应产物存在于三相中的非催化反应过程,氨水,+,二氧化碳 碳酸氢铵,三相中只有两相参与反应而另一相为惰性物质的反应过程,采用惰性气体搅拌的液固反应,采用固体填料的气液反应,以惰性液体为传热介质的气固反应,优点,反应条件温和，可延长催化剂的寿命，对许多反应过程，这将有利于改善选择性,由于液相组分热容大，对强放热反应改善了传热和温度控制,在相界面附近，由于流体的相对运动干扰，相界面两边各有一层处于层流运动状态，分别称为气膜和液膜,在气液两相主体中，流体的运动状态处于充分的湍流溶质在主体中以涡流扩散方式传递，故主体浓度可视为均一,无论气液两相的传质状况如何，但在气液两相之间存在一稳定的相界面，且相界面附近的气，液两相组成,应满足相平衡关系,1.2,气液固三相反应动力学,理论模型,双膜理论模型,假设,气相主体,气膜,液膜,液相主体,1.3,气液固三相反应动力学,主要讨论气液固相催化反应的动力学,根据,双模理论模型，我们可以知道气液固三相反应过程中同时存在气液相际的传质，液固相际的传质和固相内部的传质和固相表面的化学反应，是一比较复杂的传质,反应交互作用的过程,。虽然气液固三相反应是一个很复杂的反应过程，但是我们可以通过具体情况对其进行简化。,由于三相反应器中，液固相间的相对运动速率一般较小，而气相反应物必须通过液相才能到达固体催化剂表面，因此反应相外的传质对表观反应速率往往具有重要影响。所以当反应物为难容气体时，我们可以忽略溶质在气相中的传递阻力,。,气泡,气,泡,气,液界面,液体,浓度,距离,催化剂颗粒,0,图,7.1,三相反应中气相反应物浓度分布,反应过程由下列步骤组成：,（,1,）组分,A,从气相主体传递到气液界面；,（,2,）组分,A,从气液界面传递进入液相主体；,（,3,）组分,A,在液相主体中的混合与扩散；,（,4,）组分,A,从液相传递到催化剂外表面；,（,5,）组分,A,向催化剂内部传递并在内表面上进行反应。,由于气流或机械搅拌作用通常可使液相主体浓度达到均匀，故步骤（,3,）的阻力一般可以忽略。其余四步骤为串联步骤，因此在定态条件下，各步骤之速率必相等，当催化剂表面反应可按一级反应处理时有,表面反应,（,7.1,）,气相主体到气液界面的传质,（,7.2,）,气液界面到液相主体传质,（,7.3,）,液相主体到催化剂表面传质,（,7.4,）,上述各式中，,k,为本征反应速率常数；,为催化剂外表的气相反应物,A,的浓度；,为组分,B,的液相主体浓度；,为单位反应器体积的气液界面积；,分别为气相主体到气液界面，气液界面到液相主体和液相主体到催化剂外表面的传质系数；,分别为气相主体，气液界面上气相，气液界面上液相，液相主体的反应物,A,的浓度。,为催化剂的内部效率因子，为,Thiele,模数的函数，可用第四章的式（,4.59,）或式（,4.65,）计算,。,（,4.59,）,或,（,4.65,）,为单位反应器体积的催化剂外表面积,对,滴流床反应器,的计算,公式为,：,式中，,为床层空隙率，,为催化剂颗粒直径,（,7.5,）,对淤浆床反应器,：,（,7.6,）,式中，,为单位反应器体积中的催化剂质量，,为催化剂颗粒密度,。,如果气体反应物在气液界面上达到相平衡，则,间应服从亨利定律，故有,：,（,7.7,）,利用式（,7.1,）,式,（,7.4,）,和式,（,7.7,）利加和公式消,去,加和公式,为三个传质系数，反应动力学参数,和相界面比,的函数,。,其中，,为表观反应速率常数,：,（,7.8,）,（,7.9,）,通过上述的推导可用气相主体浓度表示表观反应速率,：,式（,7.9,）,右边的前两项表示组分,A,由气相主体传递到液相主体的总阻力，若以与气相主体处于相平衡的液相浓度,和液相主体浓度,之差表示传质推动力，则表观反应速率可表示为,：,（,7.10,）,为液相总传质系数，它和气膜，液膜传质系数的关系为,（,7.11,）,对一些特殊情形，我们可以对表观反应速率常数做简化,：,气相是纯净物，例如，在加氢反应中通常用纯氢作为气相反应物，这时就不存在气相主体到气液界面的扩散阻力或对微溶性气体，传质阻力将集中在气液界面的液相侧。对这些情况,：,（,7.9,）,（,7.12,）,由上式可见气液间与液固间传质阻力的相对重要性取决于面积比,。,如果催化剂颗粒很细，在液相中的浓度又很高，如在淤浆反应器中，,将很大，对式（,7.12,）化简如下,：,（,7.14,）,（,7.12,）,对表观反应速率可化简为：,（,7.8,）,（,7.13,）,（,7.15,）,气液界面到液相主体的传质系数,和气液界面积,是影响过程速率的重要参数,。,如果持气量大，气泡直径又很小（,大），而催化剂颗粒较大（,小），,如在滴流床反应器,中，式（,7.12,）可化简为：,（,7.16,）,（,7.12,）,当催化剂活性很高，,很大,（,7.17,）,此时表观反应速率可表示为,：,（,7.18,）,可见此时催化剂颗粒的表面积,和液相主体到催化剂外表面的传质系数,是影响过程速率的主要因素,。,例,7.1,在一淤浆反应器中，,对在载于硅胶上的镍催化剂上进行的芝麻油加氢反应进行了研究,。在反应温度为,180,摄氏度，反应压力为常压，搅拌转速为,750/min,，氢气进料流量为,60L/h,的条件下，测定了反应速率和催化剂颗粒浓度的关系，所得数据如下所列。请根据这些数据估计,的数值，,并判断氢气溶解于液相主体的传质阻力的重要性,。如果当,镍催化剂质量分数为,0.07%,时能使此传质阻力消除，请估计此时的表观反应速率,。,催化剂浓度,%,0.018,5.2,0.52,0.038,0.07,0.14,0.28,1.0,8.5,10.0,12.0,13.6,14.6,0.32,0.27,0.22,0.20,0.18,解：因为气相进料为纯氢，所以式（,7.12,）适用,由上式可见，将,对,标绘应得一直线,0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,0.60,0.50,0.40,0.30,0.20,0.10,=0.18,t/min,图,7.2,当催化剂的质量分数为,0.07%,时，若能消除气液间传质阻力，由图,7.2,可见,：,因为,小结,三相反应的类型,三相反应动力学的理论模型,双膜理论模型,三相反应动力学,谢谢,