化學(xué)反應(yīng)工程 第八章

1、概述概述流固相非催化反應(yīng)簡(jiǎn)稱流固相反應(yīng),是一類重要的化學(xué)反應(yīng),這類反應(yīng)中有流體氣體或液體,有固體,可表示為: A(流體)+B(固體)C(流體)+D(固體)這是一個(gè)普遍式,實(shí)際反應(yīng)按A、B、C、D物相組合方式具有多種類型，但其中的固體不是催化劑，而是反應(yīng)物或者產(chǎn)物。本章主要內(nèi)容如下：1流固相反應(yīng)的分類及特點(diǎn)；2收縮未反應(yīng)芯模型及總體速率；3流固相反應(yīng)器及計(jì)算。 第八章第八章 流流-固相非催化反應(yīng)固相非催化反應(yīng)流固相反應(yīng)可以分為氣-固相反應(yīng)和液固相反應(yīng)兩大類。一、氣一、氣固相非催化反應(yīng)固相非催化反應(yīng)氣固相反應(yīng)可以分成五類。 1A（固）B（固）+C（氣）固體分解反應(yīng)，是工業(yè)上制備金屬氧化物的主要反應(yīng)

2、。CaCO3（S）= CaO（S）+CO2（g）2NaHCO3（S）= Na2CO3（S）+H2O（g）+CO2（g） 2A（固）+B（氣）C（固）金屬的氧化、低價(jià)氧化物的氧化以及特殊固相產(chǎn)品的制備。4Fe（S）+O2（g）= 2Fe2O3（S）CaC2（S）+N2（g）= CaCN2（S）+ C（S） 第一節(jié)第一節(jié) 流流固相非催化反應(yīng)的分類及特點(diǎn)固相非催化反應(yīng)的分類及特點(diǎn)8-1 流流固相非催化反應(yīng)的分類固相非催化反應(yīng)的分類3A（固）+B（氣）C（氣） 固體氣化反應(yīng)，在化工生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，例如煤的燃燒和氣化反應(yīng)。C（S）+ O2（g）= CO2（g）C（S）+ H2O（g）= CO（g）+ H

3、2（g）2C（S）+ O2（g）= 2CO（g）4A（固）+B（氣）C（固）+D（氣）這類反應(yīng)在氣固相反應(yīng)中最為普遍，廣泛的涉及各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。在冶金工業(yè)中，金屬硫化物有礦石的氧化焙燒反應(yīng)：4FeS2（S）+11O2（g）=2Fe2O3（S）+8SO2（g）2ZnS（S）+3O2（g）=2ZnO（S）+2SO2（g）氧化鋅脫硫反應(yīng)：ZnO（S）+H2S（g）=ZnS（S）+H2O（g）5A（氣）+B（氣）=C（固）+D（氣）這類反應(yīng)是制備超細(xì)材料的一種重要方法，例如：TiCl4（g）+O2（g）= TiO2（S）+2Cl2（g）TiCl4（g）+CH4（g）= TiC（S）+4HCl（g）TiC

4、為高溫陶瓷粉末。二、液二、液固相非催化反應(yīng)固相非催化反應(yīng)液固相反應(yīng)可以分為五類。1A（固）+B（液） C（固）+D（氣）2A（固）+B（液）C（固）+D（液）+E（氣）3A（固）+B（液）C（液）4A（固）+B（液）C（固）5A（固）+B（液）C（固）+D（液）流固相反應(yīng)具有以下特點(diǎn)：1 1反應(yīng)類型多反應(yīng)類型多流固相反應(yīng)按照反應(yīng)物和產(chǎn)物的物相分類，反應(yīng)類型多。對(duì)于不同類型的反應(yīng)，工藝流程、操作條件以及反應(yīng)器型式各不相同。2 2固相物料復(fù)雜固相物料復(fù)雜固相物料種類繁多，性質(zhì)各不相同。例如固相物料有現(xiàn)有天然礦物，顆粒大小不一，幾何形狀各不相同。不同性質(zhì)的顆粒在反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況不同，其動(dòng)力學(xué)行為也

5、不同，直接影響到反應(yīng)器型式的選擇和設(shè)計(jì)。8-2 流流固相非催化反應(yīng)的特點(diǎn)固相非催化反應(yīng)的特點(diǎn)3 3反應(yīng)器型式多反應(yīng)器型式多流固相反應(yīng)的反應(yīng)裝備有間歇反應(yīng)器和連續(xù)反應(yīng)器。在連續(xù)反應(yīng)器中，有固定床、移動(dòng)床、流化床和氣流床反應(yīng)器。4 4固體顆粒的轉(zhuǎn)化率高固體顆粒的轉(zhuǎn)化率高用氣體或者用液體對(duì)固相進(jìn)行化學(xué)加工，都要求固相物料的轉(zhuǎn)化率較高。5 5氣氣固相反應(yīng)的反應(yīng)溫度高固相反應(yīng)的反應(yīng)溫度高大多數(shù)氣固相反應(yīng)屬于高溫焙燒和高溫鍛燒反應(yīng)，反應(yīng)溫度較高，一般在500以上。流固相非催化反應(yīng)工程是化學(xué)反應(yīng)工程的一個(gè)組成部分，研究方法是數(shù)學(xué)模擬方法和工業(yè)試驗(yàn)相結(jié)合。1研究流固相反應(yīng)的反應(yīng)過(guò)程模型及其總體速率。2在大型實(shí)

6、驗(yàn)裝置中模擬物料在工業(yè)反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況，研究流固兩相的流動(dòng)性質(zhì)，采用數(shù)學(xué)方法歸納成數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用嚴(yán)格限制在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)。這種研究方法稱為“冷態(tài)”實(shí)驗(yàn)。3進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，即“熱態(tài)”試驗(yàn)，對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和“冷態(tài)”試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和修正。8-4 流流固相非催化反應(yīng)的研究方法固相非催化反應(yīng)的研究方法概述概述在流固相反應(yīng)中，包含有傳遞過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，為了研究反應(yīng)過(guò)程的總體速率，需要選擇合適的反應(yīng)模型。根據(jù)固相顆粒的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，建立了不同的反應(yīng)模型。第二節(jié)第二節(jié) 流流固相非催化反應(yīng)模型固相非催化反應(yīng)模型8-4 收縮未反應(yīng)芯模型收縮未反應(yīng)芯模型收縮未反應(yīng)芯模型又稱為縮芯模型（shrinking co

7、re model），是應(yīng)用最廣泛反應(yīng)模型，如圖8-1。設(shè)反應(yīng)A（f）+bB（S） f F（f）+sS（S）縮芯模型有兩種情況：反應(yīng)過(guò)程中顆粒大小不變；反應(yīng)過(guò)程中顆粒不斷縮小。一、顆粒大小不變反應(yīng)過(guò)程中顆粒大小不變。顆粒周圍有滯流邊界層，反應(yīng)開始時(shí)在顆粒表面進(jìn)行反應(yīng)，生成固體產(chǎn)物或者有固相中的隋性物殘留，形成“產(chǎn)物層”外殼和未反應(yīng)芯。反應(yīng)步驟如下：1 1反應(yīng)步驟反應(yīng)步驟1）A從流體主體擴(kuò)散通過(guò)邊界層到達(dá)顆粒表面外擴(kuò)散，CAfCAS；2）從由顆粒表面擴(kuò)散通過(guò)“產(chǎn)物層”外殼到達(dá)未反應(yīng)芯表面內(nèi)擴(kuò)散，CASCAC；3）A和B在未反應(yīng)芯且面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，未反應(yīng)芯收縮；4）流體產(chǎn)物F通過(guò)內(nèi)擴(kuò)散到達(dá)顆粒外表

8、面內(nèi)擴(kuò)散，CFCCFS；5）F通過(guò)外擴(kuò)散到達(dá)流體主體外擴(kuò)散，CFSCFf。以上5步是串聯(lián)進(jìn)行的，濃度分布見圖8-2。 2 2應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍1）固體顆?？紫堵蕿?，反應(yīng)只能在表面進(jìn)行；2）當(dāng)固體顆粒有孔子時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速率擴(kuò)散速率，反應(yīng)在表面進(jìn)行。二顆粒不斷收縮二顆粒不斷收縮反應(yīng)過(guò)程中顆粒有斷收縮,最后消失。反應(yīng)開始時(shí)在顆粒表面進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中沒有新的固體產(chǎn)物，或者新的固體產(chǎn)物和隋性物料剝落，沒有形成“產(chǎn)物層”外殼，未反應(yīng)芯一直暴露在流體中，周圍有邊界層。反應(yīng)步驟如下：1 1反應(yīng)步驟反應(yīng)步驟1）A從流體主體擴(kuò)散通過(guò)邊界層到達(dá)未反應(yīng)芯表面外擴(kuò)散，CAfCAC；2）A和B在未反應(yīng)芯表面進(jìn)行化學(xué)反

9、應(yīng)；3）流體產(chǎn)物F通過(guò)外擴(kuò)散進(jìn)入流體主體，CFCCFf。2 2應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍反應(yīng)過(guò)程中沒有形成“產(chǎn)物層”外殼，其余同顆粒大小不變時(shí)的應(yīng)用范圍相同。當(dāng)顆粒的孔隙率較大時(shí)，流體可以擴(kuò)散到顆粒中心，在整個(gè)顆粒上起反應(yīng)，這種模型稱為整體反應(yīng)模型（Volume reaction model）。整體反應(yīng)模型的濃度分布見圖8-3。CAF、CAS、CAC為流體A在液流主體、顆粒表面、顆粒中心的濃度。CBO、CBC、CB、CBS分別為固相反應(yīng)物B的初始濃度、顆粒中心濃度、反應(yīng)區(qū)濃度和顆粒外表面濃度。整體反應(yīng)模型的反應(yīng)步驟分二個(gè)階段。8-5 整體反應(yīng)模型整體反應(yīng)模型一、反應(yīng)步驟一、反應(yīng)步驟1 1第一階段第一階段

10、1）A從液流主體擴(kuò)散通過(guò)邊界層到達(dá)顆粒表面外擴(kuò)散，CAfCAS；2）A在整個(gè)顆粒上邊擴(kuò)散邊反應(yīng)擴(kuò)散反應(yīng)過(guò)程，CASCAC；3）在顆粒表面開始形成“產(chǎn)物層“外殼。2 2第二階段第二階段1）A作外擴(kuò)散，CAfCAS；2）A從顆粒個(gè)表面擴(kuò)散通過(guò)“產(chǎn)物層”外殼到達(dá)反應(yīng)區(qū)邊界Rm；3）A從顆粒外表面、擴(kuò)散反應(yīng)，“產(chǎn)物層”不斷增厚，反應(yīng)區(qū)逐漸收縮，直至反應(yīng)結(jié)束。二二應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍1顆粒的孔隙率較大，流體可以擴(kuò)散到顆粒中心，在整個(gè)顆粒上起反應(yīng)；2當(dāng)孔隙率不太大時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速率擴(kuò)散速率，反應(yīng)過(guò)程屬于化學(xué)反應(yīng)控制?？s芯模型的反應(yīng)還是顆粒表面，而整體反應(yīng)模型的反應(yīng)區(qū)是整個(gè)顆粒，縮芯模型和整體反應(yīng)模型表示了兩種極

11、端的反應(yīng)行為，其他模型的行為都介于其間。有限厚度區(qū)模型（Finite reation model）的濃度分布見圖8-4。圖中RS、RD、RC分別是顆粒半徑、“產(chǎn)物層”半徑和未反應(yīng)半徑。固相反應(yīng)物B在未反應(yīng)區(qū)的濃度為CBO，在“產(chǎn)物層”半徑RD處為O。RD和RC之間為反應(yīng)區(qū)，厚度為Z。1反應(yīng)步驟1）A作外擴(kuò)散，CAf CAS；2）A在“產(chǎn)物層”作內(nèi)擴(kuò)散，CASCAm；3）A在反應(yīng)區(qū)內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散反應(yīng)；4）“產(chǎn)物層”外殼不斷增厚，反應(yīng)區(qū)不斷收縮，直至反應(yīng)完畢。8-6 有限厚度反應(yīng)區(qū)模型有限厚度反應(yīng)區(qū)模型一微粒模型一微粒模型1固體顆粒由大小均勻的球形微粒構(gòu)成，每個(gè)微粒按縮芯模型進(jìn)行反應(yīng)；2反應(yīng)前后固體顆

12、粒的孔隙率和微粒大小均不變；3對(duì)于整個(gè)顆粒而言，反應(yīng)區(qū)由顆粒外表面向中心逐漸推進(jìn)，反應(yīng)區(qū)內(nèi)微粒的反應(yīng)按縮芯模型由表及里進(jìn)行。8-7 其他模型其他模型二單孔模型二單孔模型 1固體顆粒內(nèi)由圓柱開直孔構(gòu)成。這些圓柱形直孔的孔徑相等，相互平行，均勻分布。2通過(guò)單孔來(lái)描述顆粒的反應(yīng)狀況。反應(yīng)物流體在孔內(nèi)沿軸向進(jìn)行，在孔壁上進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)物的濃度隨軸向變化，徑向均勻，是軸向距離的函數(shù)。3由于產(chǎn)物在孔壁上形成，反應(yīng)過(guò)程中孔徑發(fā)生變化，是時(shí)間的函數(shù)。三破裂芯模型三破裂芯模型1固相反應(yīng)物的初始態(tài)是致密無(wú)孔的，在反應(yīng)過(guò)程中破裂為多孔性細(xì)粒。2破裂的細(xì)粒按縮芯模型進(jìn)行反應(yīng)。流固相反應(yīng)的反應(yīng)模型，其針對(duì)性較強(qiáng)，應(yīng)通過(guò)

13、實(shí)驗(yàn)研究篩選出適宜的反應(yīng)模型，不可隨意而定。第三節(jié)第三節(jié) 粒徑不變時(shí)縮芯模型的總體速率粒徑不變時(shí)縮芯模型的總體速率8-8 總體反應(yīng)速率總體反應(yīng)速率AAgdnrdt=設(shè)反應(yīng)：A（f）+bB（S）fF（f）+sS（S）以A為關(guān)鍵組分，總體反應(yīng)速率的定義為：?jiǎn)挝粫r(shí)間單顆粒上反應(yīng)物A摩爾量nA的減少數(shù)，即一基本條件一基本條件1球形顆粒；2顆粒內(nèi)溫度均勻，等溫反應(yīng)；3本征動(dòng)力學(xué)為一級(jí)不可逆反應(yīng)；4反應(yīng)過(guò)程為擬穩(wěn)定過(guò)程。當(dāng)顆粒粒徑不變時(shí)，A要通過(guò)“產(chǎn)物層”外殼才能到達(dá)未反應(yīng)芯表面，A在作內(nèi)擴(kuò)散的同時(shí)，由于化學(xué)反應(yīng)未反應(yīng)芯表面在收縮，因此擴(kuò)散邊界是移動(dòng)的，是不穩(wěn)定過(guò)程。由于A的外擴(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)是串聯(lián)

14、過(guò)程，反應(yīng)過(guò)程是不穩(wěn)定過(guò)程。未反應(yīng)芯表面的收縮速率大大小于A的內(nèi)擴(kuò)散速率，可以認(rèn)為A在作內(nèi)擴(kuò)散時(shí)，未反應(yīng)芯表面是近似不動(dòng)的，作為穩(wěn)定過(guò)程處理，反應(yīng)過(guò)程為擬穩(wěn)定過(guò)程。二外擴(kuò)散速率、內(nèi)擴(kuò)散速率與表面化學(xué)反應(yīng)速率二外擴(kuò)散速率、內(nèi)擴(kuò)散速率與表面化學(xué)反應(yīng)速率AAgdnrdt=外擴(kuò)散速率=內(nèi)擴(kuò)散速率=化學(xué)反應(yīng)速率222214()14414CSCABSGAgASABAAeffCeffRR RR RABCACdndnR kCCdtb dtdndndCdCR DR Ddtb dtdRdRdndnR kCdtb dt 24cAACeffR RdndCRDdtdR()?CAR RdCdR三總體速率的一般計(jì)算式三總體

15、速率的一般計(jì)算式 由式（8-2）： 1.二、總體速率的一般計(jì)算式首先建立產(chǎn)物層內(nèi)反應(yīng)物A的濃度分布222440AAeffeffRR dRAeffdCdCR DR DdRdRdCdR DdRdRASSAACCCRRCCRR1/1/CAACAACCSR RCCCCR R二、總體速率的一般計(jì)算式代入內(nèi)擴(kuò)散速率方程2214()1414ABSGAgASASACABSCeffSCABCACdndnR kCCdtb dtCCdndnR R Ddtb dtRRdndnR kCdtb dt 2144CSASACABAeffSCeffRR RSCCCdndndCR DR R Ddtb dtdRRR 二、總體速率的

16、一般計(jì)算式然后三式聯(lián)立消元2214()1414ABS GAgASASACABSCeffSCABCACdndnRk CCdtb dtCCdndnRR Ddtb dtRRdndnR kCdtb dt221/ 4()/ 41/ 4AgASASGASACASCSCeffACACCCdndtR kCCdndtRRR R DCdndtR k22221/ 4()/ 41/ 411444AgASASACACASGSCSCeffCAgSCSGSCeffCCCCCCdndtR kRRR R DR kCRRR kR R DR k三、未反應(yīng)芯半徑與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系234114()3BCCABBCBBR dRdndndR

17、dtb dtb dt MbMdt 2211444AgASCSGSCeffCCdnRRdtR kR R DR k222/()11BAgBCCSCCSSGSeffbM CdRRRRRRdtRkRDk四、固相反應(yīng)的B的轉(zhuǎn)化率xB與RC的關(guān)系33344333431SBCBCBSBSRRRxRR 22/()1BAgBCCSCCSGSeffbM CdRRRRRdtR kR Dk五、 xB與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系222/()11BAgBCCSCCSSGSeffbM CdRRRRRRdtR kRDk2220()11CStRCSCCSBCRBAgSGSeffRRRRRdtdRbM CRkRDk 五、 xB與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)

18、系2220()11CStRCSCCSBCRBAgSGSeffRRRRRdtdRbM CRkRDk 3231 11111 32136BSCSCCCBAgGSeffSSSRRRRRRtbM CkRDRRkR2/31/31 1111 3 12 11136BSsBBBBBAgGeffRRtxxxxbM CkDk2/3211/331 31112 1fBBBfBfttxttxxx231263BSfBSfBeffAgBAgBSfB GAgRtbMRtbM k CRtbMD CkC89流體滯流膜控制2/3211/331 31112 1fBBBfBfttxttxxx11,SGeffRkDk13BSfBBBGAg

19、Rt xxbM k Ct*0AGASACACCCC轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)時(shí)間成正比轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)時(shí)間成正比達(dá)到某轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間與達(dá)到某轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間與R RS S成正比成正比“勻速反應(yīng)勻速反應(yīng)”89固體產(chǎn)物層內(nèi)擴(kuò)散控制2/3211/331 31112 1fBBBfBfttxttxxx11,SeffGRDkk2/3213 12 16BSBeffABgBRbM D Cxtx*0AGASACACCCC達(dá)到某轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間與達(dá)到某轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間與R RS S2 2成正比成正比89表面化學(xué)反應(yīng)控制2/3211/331 31112 1fBBBfBfttxttxxx11,SeffGRkDk1 / 3111CBBSBSB

20、gSABAgRRRbMkCbCtxRMk*0AGASACACCCC反應(yīng)時(shí)間與（反應(yīng)時(shí)間與（R RS S-R-RC C)( )(即產(chǎn)物層厚度）成正比即產(chǎn)物層厚度）成正比達(dá)到某轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間與達(dá)到某轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間與R RS S成正比成正比“勻速推進(jìn)勻速推進(jìn)”第四節(jié)第四節(jié) 顆?？s小時(shí)縮芯模型的總體速率顆?？s小時(shí)縮芯模型的總體速率 設(shè)有反應(yīng) A（f）+bB（S）fF（f） 在反應(yīng)過(guò)程中沒有“產(chǎn)物層”外殼生成，顆粒不斷收縮，最后消失，反應(yīng)過(guò)程如圖8-8所示。 由于未反應(yīng)芯表面暴露在流體相中，因此反應(yīng)步驟包括滯流膜外擴(kuò)散和表面化學(xué)反應(yīng)兩個(gè)步驟。8-12 流體滯流膜擴(kuò)散控制流體滯流膜擴(kuò)散控制滯流膜擴(kuò)散控制：

21、外擴(kuò)散阻力化學(xué)反應(yīng)阻力1反應(yīng)速率 (8-33)式中的kG為流體滯流膜傳質(zhì)系數(shù)，和顆粒大小以及流體流速有關(guān)。關(guān)于固定床、流化床中kG的關(guān)聯(lián)式較多，可以根據(jù)不同要求加以選擇。以固體顆粒在氣相中作自由下落體系為例，討論kG以及相應(yīng)的其他計(jì)算公式。AgGCACAgGCACkRCCkRdtdn22448-12 流體滯流膜擴(kuò)散控制流體滯流膜擴(kuò)散控制對(duì)于固體顆粒在氣相中作自由下落體系，kG的關(guān)聯(lián)式為： (8-31)式中：dp2RC；yi隋性組分在擴(kuò)散兩側(cè)的平均摩爾分率；D組分A的分子擴(kuò)散系數(shù)；氣體粘度；u氣體流速；氣體密度。在滯流區(qū)， (8-32) 21316 . 02udDDydkpipG26 . 021

22、31udDPicGyRDk 8-12 流體滯流膜擴(kuò)散控制流體滯流膜擴(kuò)散控制滯流膜擴(kuò)散控制：外擴(kuò)散阻力化學(xué)反應(yīng)阻力1反應(yīng)速率 (8-33)式中的kG為流體滯流膜傳質(zhì)系數(shù)，和顆粒大小以及流體流速有關(guān)。關(guān)于固定床、流化床中kG的關(guān)聯(lián)式較多，可以根據(jù)不同要求加以選擇。AgGCACAgGCACkRCCkRdtdn22442RCt關(guān)系將式（8-33）代入式（8-11），可得 (8-34)將式（8-32）代入式（8-34）并積分： (8-35)3XBt關(guān)系（滯流區(qū)） (8-36) (8-37)AgBbKcCbMdtdRG2212scAgBsiBRRCbDMRytAgBsiBfCbDMRyt223211BfX

23、tt 當(dāng)為化學(xué)反應(yīng)控制時(shí)，反應(yīng)過(guò)程和顆粒大小不變時(shí)的情況完全相同，故式（8-28）、式（8-29）和式（8-30）可直接應(yīng)用。8-13 化學(xué)反應(yīng)控制化學(xué)反應(yīng)控制814宏觀反應(yīng)過(guò)程與控制階段的判別（1）用溫度對(duì)總體速率的影響進(jìn)行判別。提高溫度則總體速率改變顯著反應(yīng)控制（2）用氣速對(duì)總體速率的影響進(jìn)行判別。提高氣速則總體速率改變顯著外擴(kuò)散控制（3）用反應(yīng)時(shí)間分率t/tf與轉(zhuǎn)化率xB的關(guān)系及與未反應(yīng)芯半徑Rc的關(guān)系判別如果上述關(guān)系呈直線外擴(kuò)散、反應(yīng)控制（4）用顆粒大小與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系來(lái)判別。814宏觀反應(yīng)過(guò)程與控制階段的判別（1）用溫度對(duì)總體速率的影響進(jìn)行判別。提高溫度則總體速率改變顯著提高溫度則總

24、體速率改變顯著反應(yīng)控制反應(yīng)控制2211444AgASCSGSCeffCCdnRRdtR kR R DR k24ACAgdnR kCdt814宏觀反應(yīng)過(guò)程與控制階段的判別（2）用氣速對(duì)總體速率的影響進(jìn)行判別。提高氣速則總體速率改變顯著外擴(kuò)散控制2211444AgASCSGSCeffCCdnRRdtR kR R DR k24ASGAgdnR k Cdt814宏觀反應(yīng)過(guò)程與控制階段的判別（3）用反應(yīng)時(shí)間分率t/tf與轉(zhuǎn)化率xB的關(guān)系及與未反應(yīng)芯半徑Rc的關(guān)系判別如果上述關(guān)系呈直線外擴(kuò)散、反應(yīng)控制13BSfBBBGAgRt xxbM k Ct1/3111CBBSBSBgSABAgRRRbM kCbCt

25、xRM k2/321 3 12 16BSBeffABgBRbM D Cxtx（4）用顆粒大小與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系來(lái)判別。設(shè)達(dá)到某轉(zhuǎn)化率xB所需的反應(yīng)時(shí)間為t，則t與顆粒的大小有關(guān)。3BSBBGAgRxbM k Ct1/311BABSBgRbM kCtx2/3213 12 16BSBeffABgBRbM D Cxtx1.5 2.0SSGRtRkStR2StR1.5 2.01212SSRttR21212SSRttR1212SSRttR流固相反應(yīng)大致可以分為四類，使用不同的反應(yīng)器，如圖8-12。一液一液固相浸取或分解反應(yīng)固相浸取或分解反應(yīng)從非金屬礦中浸取有效成份，硫酸和磷礦石反應(yīng)制備磷酸，都是典型的液固

26、相浸取或分解反應(yīng)。這類反應(yīng)一般采用間歇式攪拌反應(yīng)器。當(dāng)攪拌速度較大時(shí)，可以忽略個(gè)擴(kuò)散阻力。礦石顆粒一般在1以下，內(nèi)擴(kuò)散阻力影響較少甚至可以忽略。這類反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，如硫酸與磷礦石的反應(yīng)長(zhǎng)達(dá)4-6小時(shí)。第五節(jié)第五節(jié) 流流固相非催化反應(yīng)器及其計(jì)算固相非催化反應(yīng)器及其計(jì)算8-15 流流固相非催化反應(yīng)器固相非催化反應(yīng)器二氣二氣固相高溫焙燒或氣化反應(yīng)固相高溫焙燒或氣化反應(yīng)典型的高溫焙燒或氣化反應(yīng)，有煤的氣化、硫鐵礦的焙燒等。工業(yè)化的煤的氣化主要有間歇式造氣爐、Lurgie爐、Winkler爐、KoppersTotzek爐和Texaco爐等。按照氣化爐中煤和氣相的流動(dòng)狀況來(lái)劃分，可分為固定床、移動(dòng)床、流化床

27、和氣流輸送床等，爐內(nèi)氣化反應(yīng)狀態(tài)和溫度分布示意圖見圖8-12。硫鐵礦焙燒爐從早期的塊礦爐、機(jī)械發(fā)展為目前使用的流化床焙燒爐。三氣三氣固相氣體凈化反應(yīng)固相氣體凈化反應(yīng)氧化鋅脫硫是典型的用于凈化氣體的氣固相反應(yīng)。氧化鋅能直接和硫化氫以及硫酸等有機(jī)硫反應(yīng)，凈化原料氣。一般采用固定床，如圖8-13所示。四氣四氣固相催化劑的燒碳再生反應(yīng)固相催化劑的燒碳再生反應(yīng)石油化工生產(chǎn)中使用的固體催化劑不可避免會(huì)積炭，使催化劑失去流活性。積炭失活的固體催化劑一般在流化床再生器中用空氣和積炭進(jìn)行燃燒反應(yīng)，使催化劑再生。設(shè)球形顆粒，反應(yīng)過(guò)程中顆粒大小不變，利用第三節(jié)中的XBt關(guān)系計(jì)算反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率XB或者反應(yīng)時(shí)間。當(dāng)固體顆粒在反應(yīng)器中呈平推流流動(dòng)時(shí)，所有顆粒的反應(yīng)時(shí)間都不同。按均勻顆粒和不均勻顆粒分別計(jì)算反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率或者反應(yīng)時(shí)間。8-16 固體顆粒呈平推流流動(dòng)固體顆粒呈平推流流動(dòng) 1均勻顆粒均勻顆粒固體顆粒的粒徑相同，即為均勻顆粒。對(duì)于均勻顆粒，反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率XB和反應(yīng)時(shí)間t的關(guān)系和單顆粒的XBt關(guān)系完全相同。1）外擴(kuò)散控制t / tf=XB （8-22）2）內(nèi)擴(kuò)散控制t / tf=1-3（1-XB）2/3+2（1- XB） （8-26）3