《流固相非催化反應(yīng)》課件

流固相非催化反應(yīng)流固相非催化反應(yīng)是指在沒(méi)有催化劑存在的情況下，反應(yīng)物以氣相或液相流經(jīng)固體相，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。這類反應(yīng)在化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用廣泛，例如煤炭燃燒、金屬氧化、干燥等。課程目標(biāo)理解基本概念掌握流固相非催化反應(yīng)的基本概念、反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等。掌握設(shè)計(jì)方法學(xué)習(xí)反應(yīng)器設(shè)計(jì)方法、傳質(zhì)過(guò)程分析、反應(yīng)過(guò)程控制等。應(yīng)用實(shí)踐了解工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)流固相非催化反應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例，例如燃燒、吸附、干燥等。緒論介紹流固相非催化反應(yīng)的概念、重要性以及應(yīng)用領(lǐng)域。探討流固相反應(yīng)在化工、材料、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用。反應(yīng)流體動(dòng)力學(xué)反應(yīng)流體動(dòng)力學(xué)是研究流體在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)和傳熱過(guò)程的學(xué)科。它涉及流體性質(zhì)、流型、傳質(zhì)過(guò)程、反應(yīng)器類型、反應(yīng)速率和反應(yīng)過(guò)程設(shè)計(jì)等重要方面。介質(zhì)屬性流體密度流體密度是流體的重要物理性質(zhì)之一，它反映了流體在一定體積內(nèi)的質(zhì)量。密度影響著流體的浮力和流體動(dòng)力學(xué)行為。流體粘度粘度表示流體抵抗流動(dòng)的能力。粘度越大，流體流動(dòng)越困難。粘度影響流體在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)速度和流動(dòng)模式。固體顆粒特性顆粒大小、形狀和密度影響著顆粒在流化床或固定床中的流動(dòng)行為。顆粒尺寸分布和密度分布影響反應(yīng)效率。固體顆粒表面積顆粒的表面積決定了流體與固體之間的接觸面積，從而影響傳質(zhì)和反應(yīng)速率。表面積越大，傳質(zhì)和反應(yīng)速率越快。流體流型11.層流流體流動(dòng)平穩(wěn)，各層之間沒(méi)有相互混合。22.湍流流體流動(dòng)不規(guī)則，各層之間存在相互混合。33.過(guò)渡流層流和湍流之間的過(guò)渡狀態(tài)，流體流動(dòng)不穩(wěn)定。傳質(zhì)過(guò)程傳質(zhì)定義傳質(zhì)是指物質(zhì)在不同相之間或同一相的不同部位之間進(jìn)行的質(zhì)量傳遞過(guò)程。它包括氣體、液體和固體之間的物質(zhì)傳遞，以及同一相中的不同組分之間的擴(kuò)散。傳質(zhì)類型流固相非催化反應(yīng)中主要的傳質(zhì)類型包括：氣相到固相的傳質(zhì)、固相內(nèi)部的擴(kuò)散、固相到液相的傳質(zhì)。這些傳質(zhì)過(guò)程會(huì)影響反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)器類型反應(yīng)器類型是流固相非催化反應(yīng)工程的重要組成部分。不同反應(yīng)器類型適用于不同的反應(yīng)條件和工藝要求，影響著反應(yīng)的效率和經(jīng)濟(jì)性。固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)固定床反應(yīng)器通常由多個(gè)床層組成，中間用隔板分隔。管式固定床管式固定床反應(yīng)器通常用于氣相反應(yīng)，特點(diǎn)是傳熱效果好。流體流型流體在固定床反應(yīng)器中以間隙流或脈沖流的方式流動(dòng)。流化床反應(yīng)器流體動(dòng)力學(xué)特性固體顆粒被流體向上推舉，形成懸浮狀態(tài)。顆粒與流體充分混合，反應(yīng)效率高。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛廣泛應(yīng)用于石油化工、煤化工、冶金等行業(yè)。例如，催化裂化、聚合、脫硫等反應(yīng)過(guò)程。管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作和維護(hù)，適合處理高溫、高壓反應(yīng)。傳熱效率高管式反應(yīng)器具有較大的表面積，有利于熱量傳遞，適用于放熱反應(yīng)或需要精確控制反應(yīng)溫度的場(chǎng)合。應(yīng)用廣泛管式反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于石油化工、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域，例如裂解反應(yīng)、加氫反應(yīng)、氧化反應(yīng)等。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究化學(xué)反應(yīng)速率及其影響因素的學(xué)科。該學(xué)科主要研究反應(yīng)速率常數(shù)、活化能、反應(yīng)機(jī)理等內(nèi)容。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)在流固相非催化反應(yīng)中至關(guān)重要，它可以幫助我們了解反應(yīng)過(guò)程的機(jī)理，并預(yù)測(cè)反應(yīng)速率，從而優(yōu)化反應(yīng)條件和設(shè)計(jì)反應(yīng)器?；瘜W(xué)反應(yīng)速率11.定義反應(yīng)速率是指單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物濃度或生成物濃度的變化量.22.影響因素反應(yīng)速率受溫度、濃度、催化劑等因素影響.33.表達(dá)方式反應(yīng)速率常以摩爾每升每秒(mol/L·s)表示.44.應(yīng)用反應(yīng)速率是化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的重要參數(shù)，可用于預(yù)測(cè)反應(yīng)速率和反應(yīng)時(shí)間.擴(kuò)散速率擴(kuò)散速率是指物質(zhì)在濃度梯度驅(qū)動(dòng)下，由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域遷移的速率。溫度升高，擴(kuò)散系數(shù)增大，擴(kuò)散速率加快。流體的粘度越大，擴(kuò)散速率越慢。壓力的影響比較復(fù)雜，通常情況下，壓力升高，擴(kuò)散速率減慢。反應(yīng)速率表達(dá)式動(dòng)力學(xué)模型反應(yīng)速率表達(dá)式描述了反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度、溫度和催化劑等因素的關(guān)系。速率常數(shù)速率常數(shù)是一個(gè)與反應(yīng)速率相關(guān)的常數(shù)，通?？梢杂冒惸釣跛狗匠虂?lái)計(jì)算。反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)級(jí)數(shù)是指反應(yīng)速率對(duì)各反應(yīng)物濃度的依賴關(guān)系，可以是整數(shù)、分?jǐn)?shù)或零。反應(yīng)機(jī)制反應(yīng)速率表達(dá)式可以幫助推斷反應(yīng)的機(jī)理，即反應(yīng)發(fā)生的具體步驟和中間產(chǎn)物。反應(yīng)過(guò)程設(shè)計(jì)反應(yīng)過(guò)程設(shè)計(jì)是化工生產(chǎn)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，需要綜合考慮多個(gè)因素，如材料平衡、能量平衡、動(dòng)量平衡等。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)、節(jié)能減排和安全運(yùn)行。材料平衡質(zhì)量守恒材料平衡是基于質(zhì)量守恒原理，用來(lái)描述反應(yīng)系統(tǒng)中各物質(zhì)質(zhì)量變化關(guān)系的。輸入與輸出材料平衡分析考慮了反應(yīng)物、產(chǎn)物和惰性組分的進(jìn)料和出料，以及反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生的物質(zhì)轉(zhuǎn)化。能量平衡熱量輸入包括反應(yīng)物進(jìn)料的焓值、反應(yīng)器加熱或冷卻的熱量以及反應(yīng)放熱或吸熱造成的熱量變化。熱量輸出包括產(chǎn)品流出的焓值、反應(yīng)器散熱損失以及其他熱量損失，如蒸汽或冷凝水的熱量。能量平衡方程根據(jù)能量守恒定律，能量輸入等于能量輸出，并通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算進(jìn)行分析。動(dòng)量平衡壓力梯度動(dòng)量平衡需要考慮流體流動(dòng)時(shí)的壓力變化。摩擦力流體在管道或反應(yīng)器壁面流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生摩擦力。重力重力影響流體在垂直方向的運(yùn)動(dòng)。動(dòng)量平衡方程用來(lái)描述流體在反應(yīng)器中流動(dòng)時(shí)的動(dòng)量變化，它包含壓力梯度、摩擦力和重力的影響。固體顆粒流化固體顆粒流化是一種重要的化學(xué)反應(yīng)工程技術(shù)。流化床反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于石油化工、煤化工、環(huán)保等領(lǐng)域。流化床特性11.顆粒懸浮流化床中固體顆粒處于懸浮狀態(tài)，與流體混合均勻，具有良好的傳熱效果。22.良好混合顆粒在流體中不斷運(yùn)動(dòng)，相互碰撞，實(shí)現(xiàn)良好的混合，有利于反應(yīng)均勻進(jìn)行。33.高表面積顆粒懸浮狀態(tài)，增大了與流體的接觸面積，提高了反應(yīng)效率，適合處理大顆粒材料。44.易于控制通過(guò)控制流體速度，可以調(diào)節(jié)床層溫度、壓力和顆粒的流動(dòng)狀態(tài)，易于操作控制。流化風(fēng)速最小流化風(fēng)速當(dāng)氣體流速低于最小流化風(fēng)速時(shí)，固體顆粒保持靜止?fàn)顟B(tài)，氣體在床層中以層流方式流動(dòng)。臨界流化風(fēng)速當(dāng)氣體流速達(dá)到臨界流化風(fēng)速時(shí)，床層開(kāi)始流化，固體顆粒開(kāi)始懸浮在氣體中。流化床膨脹床層膨脹流化床膨脹是指流化床在流化狀態(tài)下，床層高度增加的現(xiàn)象。膨脹程度膨脹程度取決于流體速度和固體顆粒的性質(zhì)。影響因素流體速度、固體顆粒的大小、形狀和密度等因素都會(huì)影響床層膨脹程度。管式反應(yīng)器設(shè)計(jì)管式反應(yīng)器是重要的化學(xué)反應(yīng)設(shè)備。它可以用于各種化學(xué)反應(yīng)，例如：氧化、還原、加氫、烷基化等。管式反應(yīng)器設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)因素，例如：反應(yīng)物料的性質(zhì)、反應(yīng)條件、反應(yīng)速率、熱量傳遞、壓力損失等。性能指標(biāo)轉(zhuǎn)化率反應(yīng)過(guò)程中生成目標(biāo)產(chǎn)物的比例，反映反應(yīng)效率。生產(chǎn)率單位時(shí)間內(nèi)生成目標(biāo)產(chǎn)物的質(zhì)量，衡量反應(yīng)器生產(chǎn)能力。效率反應(yīng)過(guò)程中能量利用率，反映反應(yīng)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。壓力損失反應(yīng)過(guò)程中由于流體流動(dòng)產(chǎn)生的壓力降，影響反應(yīng)過(guò)程的穩(wěn)定性。傳熱過(guò)程傳熱機(jī)制傳熱機(jī)制包括對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射。對(duì)流傳熱是指流體運(yùn)動(dòng)引起的熱量傳遞，而傳導(dǎo)是指熱量通過(guò)物質(zhì)傳遞。傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)表示傳熱速率與溫差的比值。傳熱系數(shù)受流體性質(zhì)、管壁材料和流動(dòng)速度等因素影響。傳熱面積傳熱面積是指反應(yīng)器內(nèi)部與流體接觸的面積。傳熱面積越大，傳熱速率越高。壓力損失摩擦損失流體通過(guò)管路時(shí)，由于流體與管壁之間的摩擦而產(chǎn)生的能量損失。摩擦損失的大小與流體的粘度、流速和管路的長(zhǎng)度、直徑等因素有關(guān)。局部損失流體流經(jīng)管路中的局部阻力，例如彎頭、閥門、突然擴(kuò)散或收縮等。局部損失的大小與流體速度、流道形狀和尺寸等因素有關(guān)。固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)固定床反應(yīng)器是最常用的反應(yīng)器類型之一，其設(shè)計(jì)涉及多個(gè)重要因素，包括壓力損失、溫度分布和傳熱過(guò)程。床層壓力損失1流體流動(dòng)阻力固定床反應(yīng)器中，流體流過(guò)顆粒床層會(huì)產(chǎn)生壓力損失，這主要由流體與固體顆粒之間的摩擦力造成。2床層高度壓力損失與床層高度成正比，床層越高，壓力損失越大。3顆粒尺寸壓力損失與顆粒尺寸成反比，顆粒越小，壓力損失越大。4流體速度壓力損失與流體速度的平方成正比，流速越高，壓力損失越大。床層溫度分布溫度梯度固定床反應(yīng)器中，溫度分布不均勻。反應(yīng)熱釋放會(huì)導(dǎo)致床層溫度梯度。高溫區(qū)域可能導(dǎo)致局部過(guò)熱，影響反應(yīng)效率和催化劑壽命。影響因素反應(yīng)熱傳熱系數(shù)床層材料流體流速反應(yīng)器選型工藝流程根據(jù)反應(yīng)物料、反應(yīng)條件和產(chǎn)品要求，選擇合適的反應(yīng)器類型。效率反應(yīng)器效率越高，單位體積產(chǎn)生的產(chǎn)品越多，經(jīng)濟(jì)效益更高。安全性選擇安全可靠的反應(yīng)器，防止事故發(fā)生，確保操作人員安全。經(jīng)濟(jì)性考慮反應(yīng)器制造、安裝和運(yùn)行成本，選擇性價(jià)比高的反應(yīng)器?；瘜W(xué)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)堆是實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計(jì)至關(guān)重要?；瘜W(xué)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)需綜合考慮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、傳質(zhì)過(guò)程、熱力學(xué)等因素，以確保反應(yīng)順利進(jìn)行并達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)固定床反應(yīng)器固體催化劑顆粒填充在反應(yīng)器中，反應(yīng)物流過(guò)固定床進(jìn)行反應(yīng)。流化床反應(yīng)器固體催化劑顆粒被氣體流化，形成懸浮床，氣固兩相混合進(jìn)行反應(yīng)。管式反應(yīng)器反應(yīng)物在管道內(nèi)流動(dòng)，管壁可進(jìn)行加熱或冷卻，用于氣相或液相反應(yīng)。反應(yīng)速率模型動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)反應(yīng)機(jī)理建立數(shù)學(xué)模型，描述反應(yīng)速率與溫度、濃度等因素的關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到反應(yīng)速率表達(dá)式，不依賴反應(yīng)機(jī)理，更具實(shí)用性。復(fù)雜模型考慮傳質(zhì)、擴(kuò)散等因素的影響，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)反應(yīng)速率，但計(jì)算較為復(fù)雜。反應(yīng)堆性能1轉(zhuǎn)換率反應(yīng)堆性能主要由轉(zhuǎn)換率、選擇性、空間時(shí)間等指標(biāo)衡量。2選擇性反應(yīng)堆的選擇性指目標(biāo)產(chǎn)物的生成速率與副產(chǎn)物的生成速率之比。3空間時(shí)間空間時(shí)間是反應(yīng)器體積與進(jìn)料流量之比，反映了反應(yīng)物在反應(yīng)器中的停留時(shí)間。4效率反應(yīng)堆的效率是指反應(yīng)器中實(shí)際發(fā)生的反應(yīng)速率與理論反應(yīng)速率之比。固氣相反應(yīng)過(guò)程固氣相反應(yīng)是指氣相反應(yīng)物與固體反應(yīng)物之間的反應(yīng)。這種反應(yīng)在工業(yè)中廣泛應(yīng)用，例如燃燒、合成氣制備、催化裂化等。粒子沸騰高溫作用顆粒在高溫下吸收大量熱量，導(dǎo)致內(nèi)部壓力增加。壓力差顆粒內(nèi)部壓力大于外部壓力，導(dǎo)致顆粒膨脹和破裂。氣泡形成顆粒內(nèi)部氣體膨脹，形成氣泡，并最終從顆粒中逸出。影響因素顆粒大小溫度壓力燒結(jié)過(guò)程11.高溫作用高溫下，固體顆粒表面發(fā)生熔融，形成液相。22.頸部形成液相在顆粒接觸點(diǎn)形成頸部，連接相鄰顆粒。33.顆粒長(zhǎng)大隨著溫度升高，液相不斷擴(kuò)散，顆粒逐漸長(zhǎng)大，孔隙率降低。44.固相化液相冷卻固化，形成致密的燒結(jié)體。顆粒磨損磨損機(jī)制固體顆粒在反應(yīng)過(guò)程中，由于相互碰撞和與反應(yīng)器壁面的摩擦，會(huì)發(fā)生磨損。磨損會(huì)導(dǎo)致顆粒尺寸減小，表面積下降，從而影響反應(yīng)效率和反應(yīng)器壽命。磨損的影響磨損會(huì)改變顆粒的尺寸和形狀，影響反應(yīng)物和產(chǎn)物的傳質(zhì)，降低反應(yīng)速率，增加壓降。磨損控制選擇耐磨材料，優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)，控制反應(yīng)條件，例如溫度和流速，可以減少磨損。氣固催化反應(yīng)氣固催化反應(yīng)是化學(xué)反應(yīng)中重要的類型之一，在石油化工、精細(xì)化工、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。催化劑可以顯著降低反應(yīng)活化能，提高反應(yīng)速率，改變反應(yīng)路徑，提高反應(yīng)選擇性。催化劑活性本質(zhì)催化劑活性是指催化劑加速化學(xué)反應(yīng)速率的能力。它通常用反應(yīng)速率常數(shù)或轉(zhuǎn)化率來(lái)衡量。影響因素催化劑的活性受多種因素影響，包括催化劑的表面積、孔隙結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和反應(yīng)條件。例如，溫度、壓力和反應(yīng)物濃度都會(huì)影響催化劑的活性。傳質(zhì)過(guò)程外部傳質(zhì)氣體反應(yīng)物從氣相主體擴(kuò)散到固體顆粒表面。內(nèi)部傳質(zhì)反應(yīng)物在固體顆粒內(nèi)部的孔隙中擴(kuò)散至催化劑活性位點(diǎn)。表面反應(yīng)反應(yīng)物在活性位點(diǎn)上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成產(chǎn)物。產(chǎn)物擴(kuò)散產(chǎn)物從活性位點(diǎn)擴(kuò)散至固體顆粒表面，再擴(kuò)散到氣相主體。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)固定床反應(yīng)器固體催化劑顆粒填充在反應(yīng)器中，反應(yīng)物和產(chǎn)物通過(guò)填充