非均相化學反應器課件

第一節(jié)固相催化反應器一、固相催化反應與固體催化劑二、固相催化反應過程三、固相催化反應的本征動力學四、固相催化反應的宏觀動力學五、固相催化反應器的設(shè)計與操作本節(jié)的主要內(nèi)容第一節(jié)固相催化反應器一、固相催化反應與固體催化劑本節(jié)的主第一節(jié)固相催化反應器一、固相催化反應與固體催化劑（一）催化反應的特征及其在環(huán)境工程中的應用催化劑：能改變反應的速率，而本身在反應前后并不發(fā)生變化

的物質(zhì)。催化反應：均相催化反應、非均相催化反應應用：有機廢氣的催化氧化處理(Pt，Mn－Cu，Mn－Fe)；低濃度廢水、污染地下水的高級氧化處理(TiO2)；高濃度有機廢水的催化濕式氧化；硝酸根廢水、硝酸鹽污染地下水的催化還原處理(Fe)。第一節(jié)固相催化反應器一、固相催化反應與固體催化劑催化催化劑本身在反應前后不發(fā)生變化，催化劑能夠反復利用，所以一般情況下催化劑的用量很少。催化劑只能改變反應的歷程和反應速率，不能改變反應的產(chǎn)物。對于可逆反應，催化劑不改變反應的平衡狀態(tài)，即不改變化學平衡關(guān)系。 催化劑對反應有較好的選擇性，一種催化劑一般只能催化特定的一個或一類反應。第一節(jié)固相催化反應器催化反應的基本特征：催化劑本身在反應前后不發(fā)生變化，催化劑能夠反復利用，所以一般第一節(jié)固相催化反應器(1)活性物質(zhì)：催化劑中真正起催化作用的組分，它常被分散固定在多孔物質(zhì)的表面。（金屬、金屬氧化物）(2)載體（擔體）：載體常常是多孔性物質(zhì)，主要作用是提供大的表面和微孔，使催化活性物質(zhì)附著在外部及內(nèi)部表面。(3)促進劑：改善催化劑活性（氨催化合成鐵催化劑＋CaO）(4)抑制劑：抑制催化劑活性，增強穩(wěn)定性（銀催化劑中加入鹵化物控制乙烯的完全氧化）（二）固體催化劑1、固體催化劑的組成活性物質(zhì)、載體、助催化劑、抑制劑影響催化劑壽命的主要因素？第一節(jié)固相催化反應器(1)活性物質(zhì)：催化劑中真正起催化作非均相化學反應器課件第一節(jié)固相催化反應器(1)比表面積(as)(SpecificSurfaceArea)包括外表面積和內(nèi)表面積)稱為比表面積,以as表示。大多數(shù)固體催化劑的比表面積在5～1000m2/g之間。(2)孔體積(Vg)和孔隙率(εp)每克催化劑內(nèi)部微孔所占的體積。孔隙率是固體催化劑顆?？兹莘e占總體積的分率。(3)固體密度(ρs)和顆粒密度(ρP)：固體密度(ρs)：指催化劑固體物質(zhì)本身的密度。顆粒密度(ρP)：指單位體積固體催化劑顆粒（包括孔體積）的質(zhì)量。2.固體催化劑的物理性狀第一節(jié)固相催化反應器(1)比表面積(as)(Specif第一節(jié)固相催化反應器(4)微孔的結(jié)構(gòu)與孔體積分布(5)顆粒堆積密度(ρb)固體催化劑填充層的密度（重量與填充層體積之比）(6)填充層空隙率(εb)固體催化劑填充層內(nèi)空隙體積與總體積之比。第一節(jié)固相催化反應器(4)微孔的結(jié)構(gòu)與孔體積分布固體催化劑微孔內(nèi)表面二、固相催化反應過程第一節(jié)固相催化反應器固相催化反應的發(fā)生場所：①反應物的外擴散、②反應物的內(nèi)擴散、③反應物的吸附、④表面反應、⑤產(chǎn)物的脫附、⑥產(chǎn)物的內(nèi)擴散、⑦產(chǎn)物的外擴散A流體主體邊界層1A2A3A4P5P6P7P擴散過程動力學過程(表面過程)催化劑的表面（外、內(nèi)表面）固體催化劑微孔內(nèi)表面二、固相催化反應過程第一節(jié)固相催化反①多步驟串連過程②固相反應速率與反應本身和反應組分的擴散有關(guān)③反應速率取決于慢步驟，該步驟稱為控制步驟(ratecontrollingstep)

擴散控制(傳質(zhì)控制)、動力學控制④反應達到定常態(tài)時，各步驟的速率相等第一節(jié)固相催化反應器固相催化反應的特點①多步驟串連過程第一節(jié)固相催化反應器固相催化反應的特點第一節(jié)固相催化反應器三、固相催化反應的本征動力學（一）化學吸附與脫附速率固相催化反應的本質(zhì):化學吸附→表面反應→脫附氣固反應為例化學吸附反應活性中心A與活性中心的絡合物脫附速率吸附率吸附速率空位率第一節(jié)固相催化反應器三、固相催化反應的本征動力學（一）化表觀吸附速率＝吸附速率－脫附速率第一節(jié)固相催化反應器達到吸附平衡時：吸附速率＝脫附速率吸附平衡方程（KA為吸附平衡常數(shù)）(14.1.11)表觀吸附速率＝吸附速率－脫附速率第一節(jié)固相催化反應器達到（二）表面化學反應第一節(jié)固相催化反應器表面反應方程各反應組分與活性中心的絡合物表觀反應速率＝正反應速率－副反應速率反應達到平衡時：正反應速率＝副反應速率(14.1.17)(14.1.18)（二）表面化學反應第一節(jié)固相催化反應器表面反應方程各反（三）本征動力學第一節(jié)固相催化反應器基本假設(shè)：①三個反應步驟中必然存在一個控制步驟；②除控制步驟外，其他步驟處于平衡狀態(tài)；③吸附過程和脫附過程屬理想過程，即可用蘭格謬爾吸附模型來描述。反應的基本過程（三）本征動力學第一節(jié)固相催化反應器基本假設(shè)：反應第一節(jié)固相催化反應器A的吸附速率：(14.1.22)表觀反應速率：(14.1.23)P的脫附速率：(14.1.24)(14.1.25)各過程的速率方程（氣固相反應）第一節(jié)固相催化反應器A的吸附速率：(14.1.22)表觀1.反應物吸附過程控制第一節(jié)固相催化反應器表面反應和產(chǎn)物的脫附達到平衡(14.1.31)1.反應物吸附過程控制第一節(jié)固相催化反應器表面反應和產(chǎn)物2.表面反應過程控制第一節(jié)固相催化反應器反應物吸附和產(chǎn)物的脫附達到平衡(14.1.38)2.表面反應過程控制第一節(jié)固相催化反應器反應物吸附和產(chǎn)物3.產(chǎn)物脫附過程控制第一節(jié)固相催化反應器反應過程、反應物的吸附達到平衡(14.1.45)3.產(chǎn)物脫附過程控制第一節(jié)固相催化反應器反應過程、(14第一節(jié)固相催化反應器冪函數(shù)型的速率方程特點：形式簡單，計算方便，比較適用于反應的控制不如雙曲線型的速率方程能反映反應的機理第一節(jié)固相催化反應器冪函數(shù)型的速率方程特點：第一節(jié)固相催化反應器（四）本征動力學方程的實驗測定固相催化反應本征動力學實驗的關(guān)鍵：排除外擴散和內(nèi)擴散過程的影響排除外擴散影響的方法：加大流體速度，提高流體湍流程度，可以減小邊界層的厚度，使邊界層的擴散阻力小到足以忽略的程度

排除內(nèi)擴散影響的方法：盡量減小催化劑的顆粒直徑第一節(jié)固相催化反應器（四）本征動力學方程的實驗測定固相催第一節(jié)固相催化反應器有外擴散阻力填充量m2（層高度h2）高流速區(qū)無外擴散阻力填充量m1（層高度h1）消除外擴散影響的實驗條件的確定方法(h1>h2)第一節(jié)固相催化反應器有外擴散阻力填充量m2高流速區(qū)無外擴第一節(jié)固相催化反應器有內(nèi)擴散阻力無內(nèi)擴散阻力消除內(nèi)擴散影響的實驗條件的確定方法第一節(jié)固相催化反應器有內(nèi)擴散阻力無內(nèi)擴散阻力消除內(nèi)擴散影第一節(jié)固相催化反應器思考題：固體催化劑顆粒內(nèi)部各處的反應速率是否相同？為什么?內(nèi)部各處濃度不同、溫度也有可能不同。本征動力學方程不便于應用第一節(jié)固相催化反應器思考題：固體催化劑顆粒內(nèi)部各處的反應第一節(jié)固相催化反應器四、固相催化反應的宏觀動力學(一)宏觀反應速率宏觀反應速率(－RA)：催化劑顆粒體積為基準的平均反應速率。本征反應速率、催化劑顆粒大小、形狀、擴散速率影響因素：－RA與－rA之間的關(guān)系：(14.1.46)第一節(jié)固相催化反應器四、固相催化反應的宏觀動力學宏觀反應第一節(jié)固相催化反應器（二）催化劑的有效系數(shù)(effectivefactor、亦稱效率因子)反應物A在催化劑表面的濃度以顆粒體積為基準的反應速率常數(shù)第一節(jié)固相催化反應器（二）催化劑的有效系數(shù)(effect流體邊界層0R催化劑顆粒cAbcAscA＋dcAcA半徑位置0rRrR0流體中濃度drr（三）固相催化反應的宏觀動力學球形固體催化劑內(nèi)反應物A的濃度分布流體邊界層0R催化劑cAbcAscA＋dcAcA半徑位置0r第一節(jié)固相催化反應器1.球形催化劑的基本方程0RdrrA從r＋dr面的進入量：A從r面的排出量：A的反應量：根據(jù)物料衡算式整理可得(z＝r/R)：（邊界條件參見講義）(14.1.48)第一節(jié)固相催化反應器1.球形催化劑的基本方程0RdrrA第一節(jié)固相催化反應器2.球形催化劑內(nèi)的濃度分布方程球形催化劑的最大反應速率（n級反應）球形催化劑的內(nèi)部最大擴散速率式催化劑內(nèi)部球心處的A的濃度為零，濃度梯度達到最大第一節(jié)固相催化反應器2.球形催化劑內(nèi)的濃度分布方程球形催ΦS稱西勒(Thiele)模數(shù)第一節(jié)固相催化反應器ΦS稱西勒(Thiele)模數(shù)第一節(jié)固相催化反應器第一節(jié)固相催化反應器以催化劑顆粒體積為基準的最大反應速率與最大內(nèi)擴散速率的比值。反映了反應過程受內(nèi)擴散及本征反應的影響程度。內(nèi)擴散阻力越大，De越小，ΦS值則越大。

ΦS稱西勒(Thiele)模數(shù)的物理意義第一節(jié)固相催化反應器以催化劑顆粒體積為基準的最大反應速率第一節(jié)固相催化反應器對于1級反應n＝1基本方程變形為：顆粒內(nèi)部濃度分布積分得(14.1.59)第一節(jié)固相催化反應器對于1級反應n＝1基本方程變形為第一節(jié)固相催化反應器3.球形催化劑內(nèi)的宏觀速率方程（1級反應）(14.1.62)第一節(jié)固相催化反應器3.球形催化劑內(nèi)的宏觀速率方程（1級第一節(jié)固相催化反應器由催化劑的有效系數(shù)的定義：(14.1.64)(14.1.62)第一節(jié)固相催化反應器由催化劑的有效系數(shù)的定義：(14.1

利用直徑為0.3cm的球形硅鋁催化劑進行粗柴油的催化分解反應，該反應可以認為一級反應，且在630℃時的本征動力學方程為-rA=7.99×10-7pAmol/(s?cm3)。已知粗柴油的有效擴散系De=7.82×10-4cm2/s，試計算該催化反應的催化劑的有效系數(shù)。

例題14.1.1第一節(jié)固相催化反應器利用直徑為0.3cm的球形硅鋁催化劑進行粗柴油根據(jù)氣體方程：所以本征動力學方程的反應常數(shù)為：一級反應的西勒數(shù)為：第一節(jié)固相催化反應器解：根據(jù)氣體方程：所以本征動力學方程的反應常數(shù)為：一級反應的西勒第一節(jié)固相催化反應器4.西勒模數(shù)對固相催化反應過程的影響(14.1.64)值越小：反應速率與擴散速率的比值越小，宏觀反應速率受擴散的影響就越小。<0.1-0.3,1值越大：反應速率與擴散速率的比值越大，宏觀反應速率受擴散的影響就越大。>5-9,1/(<0.1)反應動力學控制擴散控制第一節(jié)固相催化反應器4.西勒模數(shù)對固相催化反應過程的影響第一節(jié)固相催化反應器操作方式：固定床催化反應器多用于氣－固催化反應，其一般操作方式是氣體從上而下通過床層。應用：石油化工、有機化工、廢水/廢氣的催化處理特點：催化反應大多數(shù)都伴隨著熱效應，反應器的溫度控制是反應器操作的關(guān)鍵反應器類型：熱交換方式可分為絕熱式反應器、換熱式反應器、自熱式反應器等。五、固相催化反應器的設(shè)計與操作（一）固定床催化反應器第一節(jié)固相催化反應器操作方式：固定床催化反應器多用于氣－第一節(jié)固相催化反應器對已知原料組成和要實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化率,計算求出反應器的體積、催化劑的需要量、床層高度以及有關(guān)的工藝參數(shù)等。設(shè)計簡化模型：一維擬均相理想模型（最簡單的模型）的基本假設(shè)：①流體在反應器內(nèi)徑向溫度、濃度均一，僅沿軸向變化，流體流動相當于推流式反應器。②流體與催化劑在同一截面處的溫度、反應物濃度相同

固定床反應器設(shè)計的主要任務：第一節(jié)固相催化反應器對已知原料組成和要實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化率,計算第一節(jié)固相催化反應器1.等溫反應器的設(shè)計反應速率方程設(shè)計方程(14.1.72)物料衡算式(14.1.71)根據(jù)設(shè)計方程可求出m、繼而可求出床層高度第一節(jié)固相催化反應器1.等溫反應器的設(shè)計反應速率方程設(shè)第一節(jié)固相催化反應器物料衡算式的推導對于厚度為dl的床層微體積單元A的進入量：qn

AA的流出量：qn

A＋dqnAA的反應量：A的積累量：0第一節(jié)固相催化反應器物料衡算式的推導對于厚度為dl的床層

三氯乙烯(TCE:C2HCl3)與TiO2接觸反應時，大部分轉(zhuǎn)化成CO2和HCl(Cl-)，還生成少量的COCl2和CHCl3。TCE濃度為c0=0.02mol/m3的地下水用填充TiO2的反應器分解，流量為Q=0.05m3/s，分解反應的速度是：式中反應速度常數(shù)a、b分別為:a=0.029m3/(s?kg)，

b=109m3/mol。求TCE濃度減少80%所需催化劑重量W。例題14.1.2第一節(jié)固相催化反應器三氯乙烯(TCE:C2HCl3)與TiO2接解：代入數(shù)據(jù)求得：第一節(jié)固相催化反應器得：由式14.1.72解：代入數(shù)據(jù)求得：第一節(jié)固相催化反應器得：由式14.1.第一節(jié)固相催化反應器物料衡算式反應速率方程(溫度、轉(zhuǎn)化率)2.非等溫固定床催化反應器的設(shè)計熱量衡算式溫度分布第一節(jié)固相催化反應器物料衡算式2.非等溫固定床催化反應器第一節(jié)固相催化反應器（二）流化床反應器的設(shè)計與操作Lm固定式Lmf臨界流態(tài)化Lf散式流態(tài)化Lf聚式流態(tài)化節(jié)涌氣體輸送顆粒的流化及流化態(tài)的各種形式

第一節(jié)固相催化反應器（二）流化床反應器的設(shè)計與操作Lm固流化床反應器：催化劑顆粒處于流態(tài)化狀態(tài)的反應器1.固體粒子的流化態(tài)與流化床反應器第一節(jié)固相催化反應器流化床的主要優(yōu)點：①熱能效率高，床內(nèi)溫度易于維持均勻；②傳質(zhì)效率高；③顆粒一般較小，可以消除內(nèi)擴散的影響；④反應器的結(jié)構(gòu)簡單。流化床的主要不足：①能量消耗大；②顆粒間的磨損和帶出造成催化劑的損耗；③氣固反應的流動狀態(tài)不均勻，會降低氣固接觸面積；④顆粒的流動基本上時全混流，同時造成流體的返混，影響反應速率。流化床反應器：催化劑顆粒處于流態(tài)化狀態(tài)的反應器1.固體粒子的流化床反應器設(shè)計的簡化模型均相模型（全混流模型、活塞流模型）

第一節(jié)固相催化反應器2.流化床的設(shè)計流化床反應器的設(shè)計模型物料平衡式熱量平衡式流體力學方程動力學方程流化床反應器設(shè)計的簡化模型第一節(jié)固相催化反應器2.流化床(1)催化反應有哪些基本特征？(2)固體催化劑的一般組成是什么？載體在固體催化劑中起什么作用？(3)固相催化反應過程一般可概括為哪些步驟？(4)固相催化反應有哪些基本特點？(5)固相催化反應的本征動力學過程包括哪些步驟？(6)在進行本征動力學速率方程的實驗測定中，如何消除外擴散和內(nèi)擴散的影響？分別如何確定實驗條件？

本節(jié)思考題第一節(jié)固相催化反應器(1)催化反應有哪些基本特征？本節(jié)思考題第一節(jié)固相催化(7)催化劑有效系數(shù)的基本定義什么？它有哪些用途？(8)催化西勒(Thiele)模數(shù)的物理意義是什么？具體說明西勒(Thiele)模數(shù)的大小如何影響催化劑的有效系數(shù)？(9)簡述影響球形催化劑有效系數(shù)的主要因素及其產(chǎn)生的影響。(10)什么是流化床反應器？與固定床反應器相比，它有哪些優(yōu)缺點？本節(jié)思考題第一節(jié)固相催化反應器(7)催化劑有效系數(shù)的基本定義什么？它有哪些用途？本節(jié)思考第二節(jié)氣－液相反應器第十四章非均相化學反應器第二節(jié)氣－液相反應器第十四章非均相化學反應器一、氣－液相反應二、氣液相反應動力學三、氣液相反應器的設(shè)計第二節(jié)氣液相反應器本節(jié)的主要內(nèi)容一、氣－液相反應第二節(jié)氣液相反應器本節(jié)的主要內(nèi)容氣－液相反應：反應物中的一個和一個以上組分在氣相中，其它組分均處于液相狀態(tài)的反應稱為氣液相反應。特點：反應一般只發(fā)生在液相中，氣相不發(fā)生反應。應用：有害氣體的化學吸收；飲用水、污水的臭氧氧化、印染廢水的臭氧脫色；硝酸鹽污染地下水的氫氣還原處理等；污水好氧生物處理中的曝氣；有機、還原性氣體的生物處理。一、氣－液相反應（一）氣－液相反應及其應用第二節(jié)氣液相反應器氣－液相反應：反應物中的一個和一個以上組分在氣相中，其它組分（二）氣液相反應過程氣泡液相第二節(jié)氣液相反應器（二）氣液相反應過程氣泡液相第二節(jié)氣液相反應器氣膜液膜氣相主體液相主體相界面AA1A2BBP3P4A5①A從氣相主體通過氣膜擴散到氣液相界面；②A從相界面進入液膜，同時B從液相主體擴散進入液膜；③A、B在液膜內(nèi)發(fā)生反應；④生成物P的擴散；⑤液膜中未反應完的A擴散進入液相主體，在液相主體與B發(fā)生反應。

幾點注意傳質(zhì)和反應的綜合本征反應速率宏觀反應速率反應控制傳質(zhì)控制第二節(jié)氣液相反應器氣膜液膜氣相主體液相主體相界面AA1A2BBP3P4A5①A氣相主體氣膜液膜液相主體相界面二、氣液相反應動力學（一）氣液相反應的基本方程第二節(jié)氣液相反應器氣相主體氣膜液膜液相主體相界面二、氣液相反應動力學第二節(jié)氣氣相主體氣膜液膜液相主體相界面二級不可逆氣液相反應本征反應速率方程為：（注意：液相中的反應，即單位液體，而不是混合液體積的反應速率）A的擴散進入量：反應量：積累量：定常態(tài)(0)A的擴散出去量：第二節(jié)氣液相反應器氣相主體氣膜液膜液相主體相界面二級不可逆氣液相反應本征反應速反應物A的物料衡算式：(14.2.1)(14.2.2)(14.2.3)二級不可逆氣液相反應同理，B的基本方程第二節(jié)氣液相反應器反應物A的物料衡算式：(14.2.1)(14.2.2)(14反應速率與界面擴散速率的關(guān)系：A的消失速率＝通過氣液相界面的擴散速率則以相界面積為基準的反應速率可表示為：(14.2.7)基本方程的應用：根據(jù)反應條件，求出反應組分在液膜中的分布在反應達到定常態(tài)時第二節(jié)氣液相反應器反應速率與界面擴散速率的關(guān)系：A的消失速率＝通過氣液相界面的(二)不同類型氣液相反應的宏觀速率方程按本征反應速率的快慢分類瞬間反應快速反應中速反應慢速反應反應控制步驟不同反應區(qū)域及濃度分布模式各不相同邊界條件、宏觀速率方程不同第二節(jié)氣液相反應器(二)不同類型氣液相反應的宏觀速率方程按本征反應速率的快慢分1.瞬間反應(1)瞬間反應的特點及其反應區(qū)域與濃度分布反應過程為？？？控制。相界面液膜反應面氣膜δδL

傳質(zhì)

組分A和組分B之間的反應瞬間完成，A與B不能共存。在液膜內(nèi)的某一個面上A和B的濃度均為0，該面稱“反應面”，“反應面”的位置隨液相中B的濃度的升高向氣膜方向移動。第二節(jié)氣液相反應器1.瞬間反應(1)瞬間反應的特點及其反應區(qū)域與濃度分布反應過相界面（反應面）當液相濃度升高到某一數(shù)值時，反應面與氣液界面重合，這種情況稱“界面反應”。界面反應第二節(jié)氣液相反應器相界面（反應面）當液相濃度升高到某一數(shù)值時，反應面與氣液界面(2)瞬間反應的宏觀速率方程反應過程為傳質(zhì)控制過程宏觀反應速率與擴散速率相等瞬間反應解析的核心是如何計算擴散速率A、B在液膜中的擴散速率(14.2.10)(14.2.11)相界面液膜反應面氣膜δδL第二節(jié)氣液相反應器(2)瞬間反應的宏觀速率方程反應過程為傳質(zhì)控制過程A、B在液在反應邊界(14.2.15)利用A、B的擴散速率間的關(guān)系，消除難以測定的A在液膜中的傳質(zhì)系數(shù)相界面液膜反應面氣膜δδL第二節(jié)氣液相反應器在反應邊界(14.2.15)利用A、B的擴散速率間的關(guān)系，消物理吸收時的最大傳質(zhì)速率(14.2.16)瞬間反應的增強系數(shù)(enhancementfactor)(14.2.18)第二節(jié)氣液相反應器物理吸收時的最大傳質(zhì)速率(14.2.16)瞬間反應的增強系數(shù)利用在氣膜中的擴散速率方程和亨利定律，消除上式中難以測得的界面濃度可得:(14.2.25)(14.2.26)KGA為氣相總擴散系數(shù)第二節(jié)氣液相反應器利用在氣膜中的擴散速率方程和亨利定律，消除上式中難以測得的界

瞬間反應A(g)+αB(l)→P的反應平面隨液相中B的濃度的升高而向氣液界面移動。當B的濃度高于某臨界濃度cBL,C以上時，反應平面與氣液界面重合，此時的反應稱界面反應。試推導出cBL,C的表達式，并給出氣液界面反應的宏觀速率方程。例題14.2.1第二節(jié)氣液相反應器瞬間反應A(g)+αB(l)→P的反應平面隨液解：(1)根據(jù)題意，在氣液界面處A、B的濃度均為零由得故A在氣膜中的擴散速率：根據(jù)NA和NB的關(guān)系式：故B在液膜中的擴散速率：第二節(jié)氣液相反應器解：(1)根據(jù)題意，在氣液界面處A、B的濃度均為零由得故A在另解(1)：由(14.2.22)式得：整理可得界面反應：即：故第二節(jié)氣液相反應器另解(1)：由(14.2.22)式得：整理可得界面反應：即：(2)界面反應的宏觀速率等于A在氣膜中的擴散速率，故以氣液界面面積為基準的宏觀反應速率方程為：宏觀反應速率方程第二節(jié)氣液相反應器(2)界面反應的宏觀速率等于A在氣膜中的擴散速率，故以氣液界

廢氣中的0.1%硫化氫用乙醇胺溶液(RNH2:CBL=1.2mol/m3)吸收，吸收反應為瞬間反應：求總反應吸收速度。氣相擴散阻力很小(pAi=pA)時，求化學吸收增強因子。已知：液相傳質(zhì)系數(shù)kLA=4.3×10-5m/s，氣相傳質(zhì)系數(shù)kGA=5.9×10-7mol/(m2?s?Pa)，組分A的液相擴散系數(shù)DLA=1.48×10-9m2/s，組分B的液相擴散系數(shù)DLB=0.95×10-9m2/s，組分A的亨利常數(shù)HA=12.2Pa?m3/mol，壓力為101.3kPa，溫度為293K。例題14.2.2第二節(jié)氣液相反應器廢氣中的0.1%硫化氫用乙醇胺溶液(RNH2:解：先確定反應界面在相界面還是在液膜內(nèi)由于cBL=1.2mol/m3<cBL,C，因此反應在液膜內(nèi)進行。

由例題14.2.1(1)的結(jié)果得：第二節(jié)氣液相反應器解：先確定反應界面在相界面還是在液膜內(nèi)由于cBL=1.2mo總傳質(zhì)系數(shù)KG的計算由式14.2.26得：第二節(jié)氣液相反應器總傳質(zhì)系數(shù)KG的計算由式14.2.26得：第二節(jié)氣液相反由式14.2.17得:由于反應，吸收速度增加了10%。第二節(jié)氣液相反應器由式14.2.17得:由于反應，吸收速度增加了10%。第二節(jié)A與B之間的反應速率較快反應發(fā)生在液膜內(nèi)的某一區(qū)域中在液相主體不存在A組分，不發(fā)生A和B之間的反應2.快速反應(1)快速反應的特點及其反應區(qū)域與濃度分布(C)二級快反應，反應發(fā)生在在液膜內(nèi)反應區(qū)注意A、B濃度在液膜中的分布第二節(jié)氣液相反應器A與B之間的反應速率較快2.快速反應(1)快速反應的特點及其當B在液相中大量過剩時（濃度很高時），與A發(fā)生反應消耗的B的量可以忽略不計時，在液膜中B的濃度近似不變，反應速率只隨液膜中A的濃度變化而變化，這種情況稱擬一級快速反應。擬一級快速反應反應區(qū)？與一般二級反應的區(qū)別？反應區(qū)液相主體中B的濃度可視為常數(shù)第二節(jié)氣液相反應器當B在液相中大量過剩時（濃度很高時），與A發(fā)生反應消耗的B的(2)擬一級快速反應的宏觀反應速率方程反應過程的基本方程：邊界條件為（假設(shè)反應區(qū)域充滿整個液膜）:(14.2.31)反應區(qū)液相主體中B的濃度第二節(jié)氣液相反應器(2)擬一級快速反應的宏觀反應速率方程反應過程的基本方程：邊(14.2.7)在定常態(tài)時對(14.2.31)式進行微分可得：(14.2.33)Hatta(八田)數(shù)第二節(jié)氣液相反應器(14.2.7)在定常態(tài)時對(14.2.31)式進行微分可得的物理意義：最大反應速率與最大擴散速率之比(14.2.36)的物理意義：宏觀反應速率與最大擴散速率之比快速反應的增強系數(shù)(14.2.40)第二節(jié)氣液相反應器的物理意義：最大反應速率與最大擴散速率之比(14.2.36)利用在氣膜中的擴散速率方程和亨利定律，消除上式中難以測得的界面濃度可得:(14.2.45)第二節(jié)氣液相反應器利用在氣膜中的擴散速率方程和亨利定律，消除上式中難以測得的界A與B的反應速率較慢A與B在液膜中反應，但一部分A進入液相主體，與B發(fā)生反應3.中速反應(1)中速反應的特點及其反應區(qū)域與濃度分布(E)二級中速反應，反應發(fā)生在液膜及液相主體內(nèi)第二節(jié)氣液相反應器A與B的反應速率較慢3.中速反應(E)二級中速反應，反應發(fā)(2)擬一級中速反應的宏觀反應速率方程反應過程的基本方程：邊界條件為（假設(shè)反應區(qū)域充滿整個液膜）:在邊界條件下，對基本方程進行積分可得cA在液膜中的分布，微分后可得宏觀速率方程第二節(jié)氣液相反應器(2)擬一級中速反應的宏觀反應速率方程反應過程的基本方程：邊反應很慢，液膜中的反應消耗量較少，可以忽略不計反應主要發(fā)生在液相主體4.慢速反應(1)慢速反應的特點及其反應區(qū)域與濃度分布(G)慢反應，反應主要在液相主體內(nèi)第二節(jié)氣液相反應器反應很慢，液膜中的反應消耗量較少，可以忽略不計4.慢速反應((H)極慢反應A、B在液膜中的濃度等于液相主體中的濃度擴散速率遠遠大于反應速率，近似于物理吸收極慢反應第二節(jié)氣液相反應器(H)極慢反應A、B在液膜中的濃度等于液相主體中的濃度極慢(2)慢速反應的宏觀反應速率方程(14.2.53)(14.2.54)對于極慢反應：第二節(jié)氣液相反應器(2)慢速反應的宏觀反應速率方程(14.2.53)(14.(a)填料塔；(b)噴淋塔；(c)板式塔液液氣液氣(c)氣氣液(b)氣氣液液(a)三、氣液相反應器的設(shè)計(一)氣液相反應器的類型第二節(jié)氣液相反應器(a)填料塔；(b)噴淋塔；(c)板式塔液液氣液氣(c液氣氣液(d)液液氣氣(e)(d)鼓泡塔；(e)攪拌反應器第二節(jié)氣液相反應器液氣氣液(d)液液氣氣(e)(d)鼓泡塔；(e)攪拌反應（二）填料反應器的設(shè)計計算設(shè)計計算的目的：塔徑,填料層高度注意：反應過程中氣相的摩爾數(shù)發(fā)生變化，以惰性成分為計算基準，便于設(shè)計計算設(shè)計的基礎(chǔ)：反應速率方程、物料衡算式對于瞬時反應或快速反應反應物在液相主體中的濃度為0，即cAL＝0第二節(jié)氣液相反應器（二）填料反應器的設(shè)計計算設(shè)計計算的目的：塔徑,填料層高度對yA+dyAcB+dcByAcBZ=0Z=HqnGI,yA1cB1qLI,cB2yA2dZZ微單元內(nèi)A的物料衡算A的損失量＝A的反應量氣相惰性組分I的摩爾流量(14.2.58)第二節(jié)氣液相反應器yA+dyAcB+dcByAcBZ=0Z=HqnGI,yA(14.2.65)式(14.2.58)積分：第二節(jié)氣液相反應器(14.2.65)式(14.2.58)積分：第二節(jié)氣液相反微單元內(nèi)B的物料衡算B的損失量＝B的反應量液相惰性組分I的摩爾流量yA+dyAcB+dcByAcBZ=0Z=HqnGI,yA1cB1qLI,cB2yA2dZZ第二節(jié)氣液相反應器微單元內(nèi)B的物料衡算B的損失量＝B的反應量液相惰性組分I的摩(14.2.66)第二節(jié)氣液相反應器(14.2.66)第二節(jié)氣液相反應器

在逆流操作的填料塔中利用化學吸收把空氣中的有害氣體含量從0.1%降低到0.02%。（反應為界面反應A+B→P）

已知：kGA?ai=32×103mol/(h?m3?atm)，

kLA?ai=0.1h-1，

HA=0.125×10-3atm?m3/mol，氣相流量為1.0×105mol/(m3?h)，液相流量為7.0×105mol/(m2?h)，氣相總壓pt=1atm，液相總濃度cT=5.6×104mol/m3，吸收液中吸收劑B的濃度為800mol/m3，試球塔頂處液相中B的濃度并計算所需塔高H。例題14.2.3第二節(jié)氣液相反應器在逆流操作的填料塔中利用化學吸收把空氣中的有(1)根據(jù)條件求出塔底處吸收液中B的濃度已知：pA1=1×0.02%=2×10-4atm，

pA2=1×0.1%=1×10-3atm，

cB1=800ml/m3，

qn

G=1.0×105mol/(m3?h)，

qn

L=7.0×105mol/(m2?h)，

ct=5.6×104mol/m3所以，全塔物料平衡第二節(jié)氣液相反應器(1)根據(jù)條件求出塔底處吸收液中B的濃度所以，全塔物料平衡第(2)求塔高對于稀薄氣體代入(14.2.69)式可得：界面反應的宏觀速率方程：第二節(jié)氣液相反應器(2)求塔高對于稀薄氣體代入(14.2.69)式可得：界面反（三）鼓泡塔的設(shè)計計算1.半連續(xù)操作的鼓泡塔操作方式：液體一次加入，氣體連續(xù)通入反應器底部，以氣泡形式通過液層。特點：與均相間歇式反應器一樣，操作狀態(tài)為非穩(wěn)態(tài)。qnGI,yA1HyA2第二節(jié)氣液相反應器（三）鼓泡塔的設(shè)計計算操作方式：液體一次加入，氣體連續(xù)通入反dZqnGI,yA1ZHyA2yA+dyAyA對于二級不可逆氣液相反應假設(shè)：氣相為平推流，液相為全混流A的物料衡算式如下：邊界條件：根據(jù)邊界條件，積分可得反應器高度第二節(jié)氣液相反應器dZqnGI,yA1ZHyA2yA+dyAyA對于二級不可2.連續(xù)操作鼓泡塔的設(shè)計計算氣相組分A的物料衡算為：假設(shè)：氣相為平推流，液相為全混流－rAS：相界面積基準的反應速率

a：比相界面積第二節(jié)氣液相反應器2.連續(xù)操作鼓泡塔的設(shè)計計算氣相組分A的物料衡算為：假設(shè)：氣(1)氣－液相反應過程一般可概括為哪些步驟？(2)氣－液相反應的本征反應速率方程是什么涵義？(3)氣－液相瞬間反應的基本特點是什么？(4)氣－液相瞬間反應的增強系數(shù)有何物理意義？(5)什么是界面反應？(6)

氣－液相快速反應的基本特點是什么？本節(jié)思考題第二節(jié)氣液相反應器(1)氣－液相反應過程一般可概括為哪些步驟？本節(jié)思考題第二(7)根據(jù)氣－液相擬一級快速反應的宏觀速率方程，簡述提高反應速率的措施。(8)什么是八田數(shù)？它有何物理意義？(9)氣－液相擬一級快速反應的增強系數(shù)具有什么物理意義？(10)氣－液慢速反應的基本特點是什么？(11)氣液相反應的宏觀速率方程根據(jù)本征反應速率的快慢有不同的表達形式，為什么？本節(jié)思考題第二節(jié)氣液相反應器(7)根據(jù)氣－液相擬一級快速反應的宏觀速率方程，簡述提高反第一節(jié)固相催化反應器一、固相催化反應與固體催化劑二、固相催化反應過程三、固相催化反應的本征動力學四、固相催化反應的宏觀動力學五、固相催化反應器的設(shè)計與操作本節(jié)的主要內(nèi)容第一節(jié)固相催化反應器一、固相催化反應與固體催化劑本節(jié)的主第一節(jié)固相催化反應器一、固相催化反應與固體催化劑（一）催化反應的特征及其在環(huán)境工程中的應用催化劑：能改變反應的速率，而本身在反應前后并不發(fā)生變化

的物質(zhì)。催化反應：均相催化反應、非均相催化反應應用：有機廢氣的催化氧化處理(Pt，Mn－Cu，Mn－Fe)；低濃度廢水、污染地下水的高級氧化處理(TiO2)；高濃度有機廢水的催化濕式氧化；硝酸根廢水、硝酸鹽污染地下水的催化還原處理(Fe)。第一節(jié)固相催化反應器一、固相催化反應與固體催化劑催化催化劑本身在反應前后不發(fā)生變化，催化劑能夠反復利用，所以一般情況下催化劑的用量很少。催化劑只能改變反應的歷程和反應速率，不能改變反應的產(chǎn)物。對于可逆反應，催化劑不改變反應的平衡狀態(tài)，即不改變化學平衡關(guān)系。 催化劑對反應有較好的選擇性，一種催化劑一般只能催化特定的一個或一類反應。第一節(jié)固相催化反應器催化反應的基本特征：催化劑本身在反應前后不發(fā)生變化，催化劑能夠反復利用，所以一般第一節(jié)固相催化反應器(1)活性物質(zhì)：催化劑中真正起催化作用的組分，它常被分散固定在多孔物質(zhì)的表面。（金屬、金屬氧化物）(2)載體（擔體）：載體常常是多孔性物質(zhì)，主要作用是提供大的表面和微孔，使催化活性物質(zhì)附著在外部及內(nèi)部表面。(3)促進劑：改善催化劑活性（氨催化合成鐵催化劑＋CaO）(4)抑制劑：抑制催化劑活性，增強穩(wěn)定性（銀催化劑中加入鹵化物控制乙烯的完全氧化）（二）固體催化劑1、固體催化劑的組成活性物質(zhì)、載體、助催化劑、抑制劑影響催化劑壽命的主要因素？第一節(jié)固相催化反應器(1)活性物質(zhì)：催化劑中真正起催化作非均相化學反應器課件第一節(jié)固相催化反應器(1)比表面積(as)(SpecificSurfaceArea)包括外表面積和內(nèi)表面積)稱為比表面積,以as表示。大多數(shù)固體催化劑的比表面積在5～1000m2/g之間。(2)孔體積(Vg)和孔隙率(εp)每克催化劑內(nèi)部微孔所占的體積?？紫堵适枪腆w催化劑顆粒孔容積占總體積的分率。(3)固體密度(ρs)和顆粒密度(ρP)：固體密度(ρs)：指催化劑固體物質(zhì)本身的密度。顆粒密度(ρP)：指單位體積固體催化劑顆粒（包括孔體積）的質(zhì)量。2.固體催化劑的物理性狀第一節(jié)固相催化反應器(1)比表面積(as)(Specif第一節(jié)固相催化反應器(4)微孔的結(jié)構(gòu)與孔體積分布(5)顆粒堆積密度(ρb)固體催化劑填充層的密度（重量與填充層體積之比）(6)填充層空隙率(εb)固體催化劑填充層內(nèi)空隙體積與總體積之比。第一節(jié)固相催化反應器(4)微孔的結(jié)構(gòu)與孔體積分布固體催化劑微孔內(nèi)表面二、固相催化反應過程第一節(jié)固相催化反應器固相催化反應的發(fā)生場所：①反應物的外擴散、②反應物的內(nèi)擴散、③反應物的吸附、④表面反應、⑤產(chǎn)物的脫附、⑥產(chǎn)物的內(nèi)擴散、⑦產(chǎn)物的外擴散A流體主體邊界層1A2A3A4P5P6P7P擴散過程動力學過程(表面過程)催化劑的表面（外、內(nèi)表面）固體催化劑微孔內(nèi)表面二、固相催化反應過程第一節(jié)固相催化反①多步驟串連過程②固相反應速率與反應本身和反應組分的擴散有關(guān)③反應速率取決于慢步驟，該步驟稱為控制步驟(ratecontrollingstep)

擴散控制(傳質(zhì)控制)、動力學控制④反應達到定常態(tài)時，各步驟的速率相等第一節(jié)固相催化反應器固相催化反應的特點①多步驟串連過程第一節(jié)固相催化反應器固相催化反應的特點第一節(jié)固相催化反應器三、固相催化反應的本征動力學（一）化學吸附與脫附速率固相催化反應的本質(zhì):化學吸附→表面反應→脫附氣固反應為例化學吸附反應活性中心A與活性中心的絡合物脫附速率吸附率吸附速率空位率第一節(jié)固相催化反應器三、固相催化反應的本征動力學（一）化表觀吸附速率＝吸附速率－脫附速率第一節(jié)固相催化反應器達到吸附平衡時：吸附速率＝脫附速率吸附平衡方程（KA為吸附平衡常數(shù)）(14.1.11)表觀吸附速率＝吸附速率－脫附速率第一節(jié)固相催化反應器達到（二）表面化學反應第一節(jié)固相催化反應器表面反應方程各反應組分與活性中心的絡合物表觀反應速率＝正反應速率－副反應速率反應達到平衡時：正反應速率＝副反應速率(14.1.17)(14.1.18)（二）表面化學反應第一節(jié)固相催化反應器表面反應方程各反（三）本征動力學第一節(jié)固相催化反應器基本假設(shè)：①三個反應步驟中必然存在一個控制步驟；②除控制步驟外，其他步驟處于平衡狀態(tài)；③吸附過程和脫附過程屬理想過程，即可用蘭格謬爾吸附模型來描述。反應的基本過程（三）本征動力學第一節(jié)固相催化反應器基本假設(shè)：反應第一節(jié)固相催化反應器A的吸附速率：(14.1.22)表觀反應速率：(14.1.23)P的脫附速率：(14.1.24)(14.1.25)各過程的速率方程（氣固相反應）第一節(jié)固相催化反應器A的吸附速率：(14.1.22)表觀1.反應物吸附過程控制第一節(jié)固相催化反應器表面反應和產(chǎn)物的脫附達到平衡(14.1.31)1.反應物吸附過程控制第一節(jié)固相催化反應器表面反應和產(chǎn)物2.表面反應過程控制第一節(jié)固相催化反應器反應物吸附和產(chǎn)物的脫附達到平衡(14.1.38)2.表面反應過程控制第一節(jié)固相催化反應器反應物吸附和產(chǎn)物3.產(chǎn)物脫附過程控制第一節(jié)固相催化反應器反應過程、反應物的吸附達到平衡(14.1.45)3.產(chǎn)物脫附過程控制第一節(jié)固相催化反應器反應過程、(14第一節(jié)固相催化反應器冪函數(shù)型的速率方程特點：形式簡單，計算方便，比較適用于反應的控制不如雙曲線型的速率方程能反映反應的機理第一節(jié)固相催化反應器冪函數(shù)型的速率方程特點：第一節(jié)固相催化反應器（四）本征動力學方程的實驗測定固相催化反應本征動力學實驗的關(guān)鍵：排除外擴散和內(nèi)擴散過程的影響排除外擴散影響的方法：加大流體速度，提高流體湍流程度，可以減小邊界層的厚度，使邊界層的擴散阻力小到足以忽略的程度

排除內(nèi)擴散影響的方法：盡量減小催化劑的顆粒直徑第一節(jié)固相催化反應器（四）本征動力學方程的實驗測定固相催第一節(jié)固相催化反應器有外擴散阻力填充量m2（層高度h2）高流速區(qū)無外擴散阻力填充量m1（層高度h1）消除外擴散影響的實驗條件的確定方法(h1>h2)第一節(jié)固相催化反應器有外擴散阻力填充量m2高流速區(qū)無外擴第一節(jié)固相催化反應器有內(nèi)擴散阻力無內(nèi)擴散阻力消除內(nèi)擴散影響的實驗條件的確定方法第一節(jié)固相催化反應器有內(nèi)擴散阻力無內(nèi)擴散阻力消除內(nèi)擴散影第一節(jié)固相催化反應器思考題：固體催化劑顆粒內(nèi)部各處的反應速率是否相同？為什么?內(nèi)部各處濃度不同、溫度也有可能不同。本征動力學方程不便于應用第一節(jié)固相催化反應器思考題：固體催化劑顆粒內(nèi)部各處的反應第一節(jié)固相催化反應器四、固相催化反應的宏觀動力學(一)宏觀反應速率宏觀反應速率(－RA)：催化劑顆粒體積為基準的平均反應速率。本征反應速率、催化劑顆粒大小、形狀、擴散速率影響因素：－RA與－rA之間的關(guān)系：(14.1.46)第一節(jié)固相催化反應器四、固相催化反應的宏觀動力學宏觀反應第一節(jié)固相催化反應器（二）催化劑的有效系數(shù)(effectivefactor、亦稱效率因子)反應物A在催化劑表面的濃度以顆粒體積為基準的反應速率常數(shù)第一節(jié)固相催化反應器（二）催化劑的有效系數(shù)(effect流體邊界層0R催化劑顆粒cAbcAscA＋dcAcA半徑位置0rRrR0流體中濃度drr（三）固相催化反應的宏觀動力學球形固體催化劑內(nèi)反應物A的濃度分布流體邊界層0R催化劑cAbcAscA＋dcAcA半徑位置0r第一節(jié)固相催化反應器1.球形催化劑的基本方程0RdrrA從r＋dr面的進入量：A從r面的排出量：A的反應量：根據(jù)物料衡算式整理可得(z＝r/R)：（邊界條件參見講義）(14.1.48)第一節(jié)固相催化反應器1.球形催化劑的基本方程0RdrrA第一節(jié)固相催化反應器2.球形催化劑內(nèi)的濃度分布方程球形催化劑的最大反應速率（n級反應）球形催化劑的內(nèi)部最大擴散速率式催化劑內(nèi)部球心處的A的濃度為零，濃度梯度達到最大第一節(jié)固相催化反應器2.球形催化劑內(nèi)的濃度分布方程球形催ΦS稱西勒(Thiele)模數(shù)第一節(jié)固相催化反應器ΦS稱西勒(Thiele)模數(shù)第一節(jié)固相催化反應器第一節(jié)固相催化反應器以催化劑顆粒體積為基準的最大反應速率與最大內(nèi)擴散速率的比值。反映了反應過程受內(nèi)擴散及本征反應的影響程度。內(nèi)擴散阻力越大，De越小，ΦS值則越大。

ΦS稱西勒(Thiele)模數(shù)的物理意義第一節(jié)固相催化反應器以催化劑顆粒體積為基準的最大反應速率第一節(jié)固相催化反應器對于1級反應n＝1基本方程變形為：顆粒內(nèi)部濃度分布積分得(14.1.59)第一節(jié)固相催化反應器對于1級反應n＝1基本方程變形為第一節(jié)固相催化反應器3.球形催化劑內(nèi)的宏觀速率方程（1級反應）(14.1.62)第一節(jié)固相催化反應器3.球形催化劑內(nèi)的宏觀速率方程（1級第一節(jié)固相催化反應器由催化劑的有效系數(shù)的定義：(14.1.64)(14.1.62)第一節(jié)固相催化反應器由催化劑的有效系數(shù)的定義：(14.1

利用直徑為0.3cm的球形硅鋁催化劑進行粗柴油的催化分解反應，該反應可以認為一級反應，且在630℃時的本征動力學方程為-rA=7.99×10-7pAmol/(s?cm3)。已知粗柴油的有效擴散系De=7.82×10-4cm2/s，試計算該催化反應的催化劑的有效系數(shù)。

例題14.1.1第一節(jié)固相催化反應器利用直徑為0.3cm的球形硅鋁催化劑進行粗柴油根據(jù)氣體方程：所以本征動力學方程的反應常數(shù)為：一級反應的西勒數(shù)為：第一節(jié)固相催化反應器解：根據(jù)氣體方程：所以本征動力學方程的反應常數(shù)為：一級反應的西勒第一節(jié)固相催化反應器4.西勒模數(shù)對固相催化反應過程的影響(14.1.64)值越?。悍磻俾逝c擴散速率的比值越小，宏觀反應速率受擴散的影響就越小。<0.1-0.3,1值越大：反應速率與擴散速率的比值越大，宏觀反應速率受擴散的影響就越大。>5-9,1/(<0.1)反應動力學控制擴散控制第一節(jié)固相催化反應器4.西勒模數(shù)對固相催化反應過程的影響第一節(jié)固相催化反應器操作方式：固定床催化反應器多用于氣－固催化反應，其一般操作方式是氣體從上而下通過床層。應用：石油化工、有機化工、廢水/廢氣的催化處理特點：催化反應大多數(shù)都伴隨著熱效應，反應器的溫度控制是反應器操作的關(guān)鍵反應器類型：熱交換方式可分為絕熱式反應器、換熱式反應器、自熱式反應器等。五、固相催化反應器的設(shè)計與操作（一）固定床催化反應器第一節(jié)固相催化反應器操作方式：固定床催化反應器多用于氣－第一節(jié)固相催化反應器對已知原料組成和要實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化率,計算求出反應器的體積、催化劑的需要量、床層高度以及有關(guān)的工藝參數(shù)等。設(shè)計簡化模型：一維擬均相理想模型（最簡單的模型）的基本假設(shè)：①流體在反應器內(nèi)徑向溫度、濃度均一，僅沿軸向變化，流體流動相當于推流式反應器。②流體與催化劑在同一截面處的溫度、反應物濃度相同

固定床反應器設(shè)計的主要任務：第一節(jié)固相催化反應器對已知原料組成和要實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化率,計算第一節(jié)固相催化反應器1.等溫反應器的設(shè)計反應速率方程設(shè)計方程(14.1.72)物料衡算式(14.1.71)根據(jù)設(shè)計方程可求出m、繼而可求出床層高度第一節(jié)固相催化反應器1.等溫反應器的設(shè)計反應速率方程設(shè)第一節(jié)固相催化反應器物料衡算式的推導對于厚度為dl的床層微體積單元A的進入量：qn

AA的流出量：qn

A＋dqnAA的反應量：A的積累量：0第一節(jié)固相催化反應器物料衡算式的推導對于厚度為dl的床層

三氯乙烯(TCE:C2HCl3)與TiO2接觸反應時，大部分轉(zhuǎn)化成CO2和HCl(Cl-)，還生成少量的COCl2和CHCl3。TCE濃度為c0=0.02mol/m3的地下水用填充TiO2的反應器分解，流量為Q=0.05m3/s，分解反應的速度是：式中反應速度常數(shù)a、b分別為:a=0.029m3/(s?kg)，

b=109m3/mol。求TCE濃度減少80%所需催化劑重量W。例題14.1.2第一節(jié)固相催化反應器三氯乙烯(TCE:C2HCl3)與TiO2接解：代入數(shù)據(jù)求得：第一節(jié)固相催化反應器得：由式14.1.72解：代入數(shù)據(jù)求得：第一節(jié)固相催化反應器得：由式14.1.第一節(jié)固相催化反應器物料衡算式反應速率方程(溫度、轉(zhuǎn)化率)2.非等溫固定床催化反應器的設(shè)計熱量衡算式溫度分布第一節(jié)固相催化反應器物料衡算式2.非等溫固定床催化反應器第一節(jié)固相催化反應器（二）流化床反應器的設(shè)計與操作Lm固定式Lmf臨界流態(tài)化Lf散式流態(tài)化Lf聚式流態(tài)化節(jié)涌氣體輸送顆粒的流化及流化態(tài)的各種形式

第一節(jié)固相催化反應器（二）流化床反應器的設(shè)計與操作Lm固流化床反應器：催化劑顆粒處于流態(tài)化狀態(tài)的反應器1.固體粒子的流化態(tài)與流化床反應器第一節(jié)固相催化反應器流化床的主要優(yōu)點：①熱能效率高，床內(nèi)溫度易于維持均勻；②傳質(zhì)效率高；③顆粒一般較小，可以消除內(nèi)擴散的影響；④反應器的結(jié)構(gòu)簡單。流化床的主要不足：①能量消耗大；②顆粒間的磨損和帶出造成催化劑的損耗；③氣固反應的流動狀態(tài)不均勻，會降低氣固接觸面積；④顆粒的流動基本上時全混流，同時造成流體的返混，影響反應速率。流化床反應器：催化劑顆粒處于流態(tài)化狀態(tài)的反應器1.固體粒子的流化床反應器設(shè)計的簡化模型均相模型（全混流模型、活塞流模型）

第一節(jié)固相催化反應器2.流化床的設(shè)計流化床反應器的設(shè)計模型物料平衡式熱量平衡式流體力學方程動力學方程流化床反應器設(shè)計的簡化模型第一節(jié)固相催化反應器2.流化床(1)催化反應有哪些基本特征？(2)固體催化劑的一般組成是什么？載體在固體催化劑中起什么作用？(3)固相催化反應過程一般可概括為哪些步驟？(4)固相催化反應有哪些基本特點？(5)固相催化反應的本征動力學過程包括哪些步驟？(6)在進行本征動力學速率方程的實驗測定中，如何消除外擴散和內(nèi)擴散的影響？分別如何確定實驗條件？

本節(jié)思考題第一節(jié)固相催化反應器(1)催化反應有哪些基本特征？本節(jié)思考題第一節(jié)固相催化(7)催化劑有效系數(shù)的基本定義什么？它有哪些用途？(8)催化西勒(Thiele)模數(shù)的物理意義是什么？具體說明西勒(Thiele)模數(shù)的大小如何影響催化劑的有效系數(shù)？(9)簡述影響球形催化劑有效系數(shù)的主要因素及其產(chǎn)生的影響。(10)什么是流化床反應器？與固定床反應器相比，它有哪些優(yōu)缺點？本節(jié)思考題第一節(jié)固相催化反應器(7)催化劑有效系數(shù)的基本定義什么？它有哪些用途？本節(jié)思考第二節(jié)氣－液相反應器第十四章非均相化學反應器第二節(jié)氣－液相反應器第十四章非均相化學反應器一、氣－液相反應二、氣液相反應動力學三、氣液相反應器的設(shè)計第二節(jié)氣液相反應器本節(jié)的主要內(nèi)容一、氣－液相反應第二節(jié)氣液相反應器本節(jié)的主要內(nèi)容氣－液相反應：反應物中的一個和一個以上組分在氣相中，其它組分均處于液相狀態(tài)的反應稱為氣液相反應。特點：反應一般只發(fā)生在液相中，氣相不發(fā)生反應。應用：有害氣體的化學吸收；飲用水、污水的臭氧氧化、印染廢水的臭氧脫色；硝酸鹽污染地下水的氫氣還原處理等；污水好氧生物處理中的曝氣；有機、還原性氣體的生物處理。一、氣－液相反應（一）氣－液相反應及其應用第二節(jié)氣液相反應器氣－液相反應：反應物中的一個和一個以上組分在氣相中，其它組分（二）氣液相反應過程氣泡液相第二節(jié)氣液相反應器（二）氣液相反應過程氣泡液相第二節(jié)氣液相反應器氣膜液膜氣相主體液相主體相界面AA1A2BBP3P4A5①A從氣相主體通過氣膜擴散到氣液相界面；②A從相界面進入液膜，同時B從液相主體擴散進入液膜；③A、B在液膜內(nèi)發(fā)生反應；④生成物P的擴散；⑤液膜中未反應完的A擴散進入液相主體，在液相主體與B發(fā)生反應。

幾點注意傳質(zhì)和反應的綜合本征反應速率宏觀反應速率反應控制傳質(zhì)控制第二節(jié)氣液相反應器氣膜液膜氣相主體液相主體相界面AA1A2BBP3P4A5①A氣相主體氣膜液膜液相主體相界面二、氣液相反應動力學（一）氣液相反應的基本方程第二節(jié)氣液相反應器氣相主體氣膜液膜液相主體相界面二、氣液相反應動力學第二節(jié)氣氣相主體氣膜液膜液相主體相界面二級不可逆氣液相反應本征反應速率方程為：（注意：液相中的反應，即單位液體，而不是混合液體積的反應速率）A的擴散進入量：反應量：積累量：定常態(tài)(0)A的擴散出去量：第二節(jié)氣液相反應器氣相主體氣膜液膜液相主體相界面二級不可逆氣液相反應本征反應速反應物A的物料衡算式：(14.2.1)(14.2.2)(14.2.3)二級不可逆氣液相反應同理，B的基本方程第二節(jié)氣液相反應器反應物A的物料衡算式：(14.2.1)(14.2.2)(14反應速率與界面擴散速率的關(guān)系：A的消失速率＝通過氣液相界面的擴散速率則以相界面積為基準的反應速率可表示為：(14.2.7)基本方程的應用：根據(jù)反應條件，求出反應組分在液膜中的分布在反應達到定常態(tài)時第二節(jié)氣液相反應器反應速率與界面擴散速率的關(guān)系：A的消失速率＝通過氣液相界面的(二)不同類型氣液相反應的宏觀速率方程按本征反應速率的快慢分類瞬間反應快速反應中速反應慢速反應反應控制步驟不同反應區(qū)域及濃度分布模式各不相同邊界條件、宏觀速率方程不同第二節(jié)氣液相反應器(二)不同類型氣液相反應的宏觀速率方程按本征反應速率的快慢分1.瞬間反應(1)瞬間反應的特點及其反應區(qū)域與濃度分布反應過程為？？？控制。相界面液膜反應面氣膜δδL

傳質(zhì)

組分A和組分B之間的反應瞬間完成，A與B不能共存。在液膜內(nèi)的某一個面上A和B的濃度均為0，該面稱“反應面”，“反應面”的位置隨液相中B的濃度的升高向氣膜方向移動。第二節(jié)氣液相反應器1.瞬間反應(1)瞬間反應的特點及其反應區(qū)域與濃度分布反應過相界面（反應面）當液相濃度升高到某一數(shù)值時，反應面與氣液界面重合，這種情況稱“界面反應”。界面反應第二節(jié)氣液相反應器相界面（反應面）當液相濃度升高到某一數(shù)值時，反應面與氣液界面(2)瞬間反應的宏觀速率方程反應過程為傳質(zhì)控制過程宏觀反應速率與擴散速率相等瞬間反應解析的核心是如何計算擴散速率A、B在液膜中的擴散速率(14.2.10)(14.2.11)相界面液膜反應面氣膜δδL第二節(jié)氣液相反應器(2)瞬間反應的宏觀速率方程反應過程為傳質(zhì)控制過程A、B在液在反應邊界(14.2.15)利用A、B的擴散速率間的關(guān)系，消除難以測定的A在液膜中的傳質(zhì)系數(shù)相界面液膜反應面氣膜δδL第二節(jié)氣液相反應器在反應邊界(14.2.15)利用A、B的擴散速率間的關(guān)系，消物理吸收時的最大傳質(zhì)速率(14.2.16)瞬間反應的增強系數(shù)(enhancementfactor)(14.2.18)第二節(jié)氣液相反應器物理吸收時的最大傳質(zhì)速率(14.2.16)瞬間反應的增強系數(shù)利用在氣膜中的擴散速率方程和亨利定律，消除上式中難以測得的界面濃度可得:(14.2.25)(14.2.26)KGA為氣相總擴散系數(shù)第二節(jié)氣液相反應器利用在氣膜中的擴散速率方程和亨利定律，消除上式中難以測得的界

瞬間反應A(g)+αB(l)→P的反應平面隨液相中B的濃度的升高而向氣液界面移動。當B的濃度高于某臨界濃度cBL,C以上時，反應平面與氣液界面重合，此時的反應稱界面反應。試推導出cBL,C的表達式，并給出氣液界面反應的宏觀速率方程。例題14.2.1第二節(jié)氣液相反應器瞬間反應A(g)+αB(l)→P的反應平面隨液解：(1)根據(jù)題意，在氣液界面處A、B的濃度均為零由得故A在氣膜中的擴散速率：根據(jù)NA和NB的關(guān)系式：故B在液膜中的擴散速率：第二節(jié)氣液相反應器解：(1)根據(jù)題意，在氣液界面處A、B的濃度均為零由得故A在另解(1)：由(14.2.22)式得：整理可得界面反應：即：故第二節(jié)氣液相反應器另解(1)：由(14.2.22)式得：整理可得界面反應：即：(2)界面反應的宏觀速率等于A在氣膜中的擴散速率，故以氣液界面面積為基準的宏觀反應速率方程為：宏觀反應速率方程第二節(jié)氣液相反應器(2)界面反應的宏觀速率等于A在氣膜中的擴散速率，故以氣液界

廢氣中的0.1%硫化氫用乙醇胺溶液(RNH2:CBL=1.2mol/m3)吸收，吸收反應為瞬間反應：求總反應吸收速度。氣相擴散阻力很小(pAi=pA)時，求化學吸收增強因子。已知：液相傳質(zhì)系數(shù)kLA=4.3×10-5m/s，氣相傳質(zhì)系數(shù)kGA=5.9×10-7mol/(m2?s?Pa)，組分A的液相擴散系數(shù)DLA=1.48×10-9m2/s，組分B的液相擴散系數(shù)DLB=0.95×10-9m2/s，組分A的亨利常數(shù)HA=12.2Pa?m3/mol，壓力為101.3kPa，溫度為293K。例題14.2.2第二節(jié)氣液相反應器廢氣中的0.1%硫化氫用乙醇胺溶液(RNH2:解：先確定反應界面在相界面還是在液膜內(nèi)由于cBL=1.2mol/m3<cBL,C，因此反應在液膜內(nèi)進行。

由例題14.2.1(1)的結(jié)果得：第二節(jié)氣液相反應器解：先確定反應界面在相界面還是在液膜內(nèi)由于cBL=1.2mo總傳質(zhì)系數(shù)KG的計算由式14.2.26得：第二節(jié)氣液相反應器總傳質(zhì)系數(shù)KG的計算由式14.2.26得：第二節(jié)氣液相反由式14.2.17得:由于反應，吸收速度增加了10%。第二節(jié)氣液相反應器由式14.2.17得:由于反應，吸收速度增加了10%。第二節(jié)A與B之間的反應速率較快反應發(fā)生在液膜內(nèi)的某一區(qū)域中在液相主體不存在A組分，不發(fā)生A和B之間的反應2.快速反應(1)快速反應的特點及其反應區(qū)域與濃度分布(C)二級快反應，反應發(fā)生在在液膜內(nèi)反應區(qū)注意A、B濃度在液膜中的分布第二節(jié)氣液相反應器A與B之間的反應速率較快2.快速反應(1)快速反應的特點及其當B在液相中大量過剩時（濃度很高時），與A發(fā)生反應消耗的B的量可以忽略不計時，在液膜中B的濃度近似不變，反應速率只隨液膜中A的濃度變化而變化，這種情況稱擬一級快速反應。擬一級快速反應反應區(qū)？與一般二級反應的區(qū)別？反應區(qū)液相主體中B的濃度可視為常數(shù)第二節(jié)氣液相反應器當B在液相中大量過剩時（濃度很高時），與A發(fā)生反應消耗的B的(2)擬一級快速反應的宏觀反應速率方程反應過程的基本方程：邊界條件為（假設(shè)反應區(qū)域充滿整個液膜）:(14.2.31)反應區(qū)液相主體中B的濃度第二節(jié)氣液相反應器(2)擬一級快速反應的宏觀反應速率方程反應過程的基本方程：邊(14.2.7)在定常態(tài)時對(14.2.31)式進行微分可得：(14.2.33)Hatta(八田)數(shù)第二節(jié)氣液相反應器(14.2.7)在定常態(tài)時對(14.2.31)式進行微分可得的物理意義：最大反應速率與最大擴散速率之比(14.2.36)的物理意義：宏觀反應速率與最大擴散速率之比快速反應的增強系數(shù)(14.2.40)第二節(jié)氣液相反應器的物理意義：最大反應速率與最大擴散速率之比(14.2.36)利用在氣膜中的擴散速率方程和亨利定律，消除上式中難以測得的界面濃度可得:(14.2.45)第二節(jié)氣液相反應器利用在氣膜中的擴散速率方程和亨利定律，消除上式中難以測得的界A與B的反應速率較慢A與B在液膜中反應，但一部分A進入液相主體，與B發(fā)生反應3.中速反應(1)中速反應的特點及其反應區(qū)域與濃度分布(E)二級中速反應，反應發(fā)生在液膜及液相主體內(nèi)第二節(jié)氣液相反應器A與B的反應速率較慢3.中速反應(E)二級中速反應，反應發(fā)(2)擬一級中速反應的宏觀反應速率方程反應過程的基本方程：邊界條件為（假設(shè)反應區(qū)域充滿整個液膜）:在邊界條件下，對基本方程進行積分可得cA在液膜中的分布，微分后可得宏