催化反應(yīng)工程華東理工大學(xué)工業(yè)反應(yīng)過程分析導(dǎo)論

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

2、分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析三相床中顆粒催化劑上反應(yīng)過程為三相床中顆粒催化劑上反應(yīng)過程為1)1)氣相反應(yīng)物從氣相主體擴(kuò)散到氣氣相反應(yīng)物從氣相主體擴(kuò)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(yīng)物從氣氣相反應(yīng)物從氣液界面擴(kuò)散到液相主體的傳遞過程液界面擴(kuò)散到液相主體的傳遞過程; ;3)3)氣相反應(yīng)物從液相主體擴(kuò)散到顆粒外表面的傳質(zhì)過程氣相反應(yīng)物從液相主體擴(kuò)散到顆粒外表面的傳質(zhì)過程; ;4)4)顆粒催化劑內(nèi)同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)和內(nèi)擴(kuò)散的宏觀反應(yīng)過程顆粒催化劑內(nèi)同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)和內(nèi)擴(kuò)散的宏觀反應(yīng)過程; ;5)5)產(chǎn)物從催化劑顆粒外表面擴(kuò)散到液相主體的傳質(zhì)過程產(chǎn)物從催化劑顆粒外表面擴(kuò)散到液

3、相主體的傳質(zhì)過程; ;6)6)產(chǎn)物從液相主體擴(kuò)散到氣產(chǎn)物從液相主體擴(kuò)散到氣液界面的傳質(zhì)過程液界面的傳質(zhì)過程; ;7)7)產(chǎn)物從氣產(chǎn)物從氣液界面擴(kuò)散到氣相主體的傳質(zhì)過程液界面擴(kuò)散到氣相主體的傳質(zhì)過程; ;反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析ASeeASALeASALAiLLALAigAgLAgRAgACSkCCSkCCSkCCSkdVdNr,以反應(yīng)物以反應(yīng)物A表示表示二二 宏觀反應(yīng)速率宏觀反應(yīng)速率r rA,gA,gAgk氣膜傳質(zhì)分系數(shù)，氣膜傳質(zhì)分系數(shù)，m/hALk液膜傳質(zhì)分系數(shù)，液膜傳質(zhì)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(zhì)分系數(shù)，液固界

4、面液膜傳質(zhì)分系數(shù)，m/hek本征反應(yīng)速率常數(shù)本征反應(yīng)速率常數(shù)LSeS單位床層內(nèi)氣液相傳質(zhì)面積，單位床層內(nèi)氣液相傳質(zhì)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(yīng)過程分析反應(yīng)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(jì)算的宏觀反應(yīng)速率常數(shù)。外表面積計(jì)算的宏觀反應(yīng)速率常數(shù)。 反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析eASALLeGLTkkkSSKk1111eASGLAgLeTkkKkSSk11

5、111) 不存在氣膜傳質(zhì)阻力，不存在氣膜傳質(zhì)阻力，kAg2) 不存在液膜傳質(zhì)阻力，不存在液膜傳質(zhì)阻力，kAL反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析eGLALGLLeAgLeTkKkKSSkSSk11eASGLALGLLeAgLeTkkKkKSSkSSk11113) 不存在液固界面處液膜傳質(zhì)阻力，不存在液固界面處液膜傳質(zhì)阻力，kAS4) 催化劑效率因子催化劑效率因子 1反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析DdkSh udpReDSc對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流給熱對(duì)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(dòng)，如：湍流流動(dòng)，Re2100

6、，Sc=0.63000時(shí)，實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果時(shí)，實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)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(nèi)對(duì)流給熱的關(guān)聯(lián)式圓管內(nèi)對(duì)流給熱的關(guān)聯(lián)式Nu=0.023Re0.8Pr0.30.4反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析 ClBgABSASeeASALeASALAiLLALAigAgLAggACCSkCCSkCCSkCCSkr,BSASeeBSBLeBSgBCCSkCCSkr,BLAgeTgBgACCSkrr,A組分組分BSeASGLALGLLeAgLeTCkkKkKSSkSSk1111BSBLeBSgBCCSkr,BSASeegBCCSkr

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

8、反應(yīng)器淤漿床鼓泡反應(yīng)器四四三相流化床反應(yīng)器三相流化床反應(yīng)器反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析一一 涓流床三相反應(yīng)器涓流床三相反應(yīng)器氣、液并流向下通過固定床的流體力學(xué)氣、液并流向下通過固定床的流體力學(xué)反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析( (一一) )流體狀態(tài)流體狀態(tài)與流速有關(guān)與流速有關(guān) 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(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析 內(nèi)持液量?jī)?nèi)持液量顆粒孔隙內(nèi)的持液量，顆?？紫秲?nèi)的持液量， 孔隙率孔隙率，內(nèi)持液量，內(nèi)持液量 靜持液量靜持液量液體不流動(dòng)時(shí)，潤(rùn)濕顆粒間的持液量，液體不流動(dòng)時(shí)，潤(rùn)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(dòng)持液量動(dòng)

9、持液量氣、液穩(wěn)定流動(dòng)后，同時(shí)關(guān)閉氣、液進(jìn)氣、液穩(wěn)定流動(dòng)后，同時(shí)關(guān)閉氣、液進(jìn) 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(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析( (三三) )液體分布液體分布 塔內(nèi)徑塔內(nèi)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(rùn)濕率潤(rùn)濕率 內(nèi)部潤(rùn)濕，或孔隙充滿內(nèi)部潤(rùn)濕，或孔隙充滿 外部潤(rùn)濕，顆粒與液體，外部潤(rùn)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(dòng)持液量動(dòng)持液量，外部潤(rùn)濕率，外部潤(rùn)濕率反應(yīng)過程分析反應(yīng)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(zhì)分系數(shù)氣液界面氣膜傳質(zhì)分系數(shù)k kG G( (二二) ) 氣液界面液膜傳質(zhì)分系數(shù)氣液界面液膜傳質(zhì)分系數(shù)k kL L( (三三) ) 液固界面、液固相間傳質(zhì)系數(shù)液固界面、液固相間傳質(zhì)系數(shù)涓流床中的傳熱涓流床中的傳熱反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析二二 機(jī)械攪拌鼓泡三相反應(yīng)器機(jī)械攪拌鼓泡三相反應(yīng)器一般用于實(shí)驗(yàn)室研究一般用于實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)速最小轉(zhuǎn)速 最大氣速液泛最大氣速液泛反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析三三 淤漿床鼓泡反應(yīng)器淤漿床鼓泡反應(yīng)器沒有攪拌，液體不連續(xù)流入或流出反應(yīng)器沒有攪拌，液體不連續(xù)流入

11、或流出反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 1 細(xì)顆粒催化劑細(xì)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(jì)算時(shí)假設(shè)活塞流。氣相存在范混，但模擬計(jì)算時(shí)假設(shè)活塞流。反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)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(dǎo)流筒分布器，有無導(dǎo)流筒反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析( (二二) )氣含率氣含率g 冷態(tài)下測(cè)定的多冷態(tài)下測(cè)定的多 中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所 g =f(Fr, Ga) P: 0.1010.785MPa T: 150210 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得下列關(guān)聯(lián)式：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得下列關(guān)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(shí)）湍流鼓泡區(qū)（時(shí)）過渡區(qū)（時(shí)）安靜鼓泡區(qū)（反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析四四 三相流化床反應(yīng)器三相流化床反應(yīng)器流體連續(xù)地流出、流體連續(xù)地流出、流入反應(yīng)器流入反應(yīng)器氣體、液體自下而上氣體、液體自下而上通過反應(yīng)器通過反應(yīng)器反應(yīng)過程分析反應(yīng)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(yīng)過程分析反應(yīng)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(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析1 1 氣氣液液固三相反應(yīng)固三相反應(yīng)氣氣液液固三相催化反應(yīng)固三相催化反應(yīng), ,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(yīng)器固反應(yīng)器涓流床反應(yīng)器涓流床反應(yīng)器不同的流向不同的流向a)a)機(jī)械攪拌式反應(yīng)器

15、機(jī)械攪拌式反應(yīng)器 b)b)鼓泡反應(yīng)器鼓泡反應(yīng)器 c)c)三相流化床反應(yīng)器三相流化床反應(yīng)器d)d)三相攜帶床三相攜帶床 e)e)內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器2) 2) 懸浮床氣懸浮床氣液液固反應(yīng)器固反應(yīng)器反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析三相床中顆粒催化劑上反應(yīng)過程為三相床中顆粒催化劑上反應(yīng)過程為1)1)氣相反應(yīng)物從氣相主體擴(kuò)散到氣氣相反應(yīng)物從氣相主體擴(kuò)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(yīng)物從氣氣相反應(yīng)物從氣液界面擴(kuò)散到液相主體的傳遞過程液界面擴(kuò)散到液相主體的傳遞過程; ;3)3)氣相反應(yīng)物從液相主體擴(kuò)散到顆粒外表面的傳質(zhì)過程氣相反應(yīng)物從液相主體擴(kuò)散到顆粒外表面的傳質(zhì)過程; ;4)4)

16、顆粒催化劑內(nèi)同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)和內(nèi)擴(kuò)散的宏觀反應(yīng)過程顆粒催化劑內(nèi)同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)和內(nèi)擴(kuò)散的宏觀反應(yīng)過程; ;5)5)產(chǎn)物從催化劑顆粒外表面擴(kuò)散到液相主體的傳質(zhì)過程產(chǎn)物從催化劑顆粒外表面擴(kuò)散到液相主體的傳質(zhì)過程; ;6)6)產(chǎn)物從液相主體擴(kuò)散到氣產(chǎn)物從液相主體擴(kuò)散到氣液界面的傳質(zhì)過程液界面的傳質(zhì)過程; ;7)7)產(chǎn)物從氣產(chǎn)物從氣液界面擴(kuò)散到氣相主體的傳質(zhì)過程液界面擴(kuò)散到氣相主體的傳質(zhì)過程; ;反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析如：湍流流動(dòng)，如：湍流流動(dòng)，Re2100，Sc=0.63000時(shí)，實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果時(shí)，實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)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(nèi)對(duì)流給熱的關(guān)聯(lián)式圓管內(nèi)對(duì)流給熱的關(guān)聯(lián)式Nu=0.023Re0.8Pr0.30.4反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析2 三相催化反應(yīng)器三相催化反應(yīng)器一一涓流床三相反應(yīng)器涓流床三相反應(yīng)器二二機(jī)械攪拌鼓泡三相反應(yīng)器機(jī)械攪拌鼓泡三相反應(yīng)器三三淤漿床鼓泡反應(yīng)器淤漿床鼓泡反應(yīng)器四四三相流化床反應(yīng)器三相流化床反應(yīng)器反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析( (二二) )氣含率氣含率g 冷態(tài)下測(cè)定的多冷態(tài)下測(cè)定的多 中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所 g =f(Fr, Ga) P: 0.1010.78