化學工程基礎(chǔ)5

1、 第七節(jié)第七節(jié) 非均相反應過程的質(zhì)量傳遞非均相反應過程的質(zhì)量傳遞 二二. 非均相反應過程中的外部質(zhì)量傳遞非均相反應過程中的外部質(zhì)量傳遞n外部質(zhì)量傳遞對反應選擇率影響外部質(zhì)量傳遞對反應選擇率影響 Da ，傳質(zhì)阻力，ces 平行反應， 串聯(lián)反應 平行反應，211PAk ck c 12nn12n nn減少外部質(zhì)量傳遞影響措施減少外部質(zhì)量傳遞影響措施 (a ) a ， 例：例： 球形 (b) u線速度 kg Da 1nbgkck a2366pppdadddp ，a ，dp 2 mmDDa 傳質(zhì)系數(shù)比表面積傳質(zhì)邊界層Kg 計算：計算： A：常數(shù)（無因次） 球形：1.9 其它：1132ReShAScReg

2、ppk dShDd uScDSherwood（舍伍德）準數(shù)Reynolds （雷諾）準數(shù)Schmidt（許密特）準數(shù)D:氣體分子擴散系數(shù)10.81bA（b：空隙率）傳質(zhì)系數(shù)傳質(zhì)系數(shù)慣性力與粘性力之比慣性力與粘性力之比流體物性對傳質(zhì)影響流體物性對傳質(zhì)影響可查圖b=(dpdt，粒狀)dt:管徑例：例：二元氣體混合物以表觀速度 0.1 ms 流過直徑 5 mm 球形顆粒、床層空隙率 為 0.4 的催化劑床層。氣體密度為1 kgm3，粘度為3 105 N sm2，擴散系數(shù)為 4 105 m2s。如果進行一級反應，以反應器體積為基準的反應速率常數(shù) k 0.5 s1，試估計外部傳遞阻力影響。 結(jié)論：外部傳

3、遞阻力可忽略不計結(jié)論：外部傳遞阻力可忽略不計解：解：5535111133225233 100.7514 105 101 0.1Re16.73 101.9Re1.9 16.70.757.067.064 105.65 10/5 10pgpScDduAShAScShDkm sd k以反應器體積為基準須換成以催化劑體積為基準以反應器體積為基準須換成以催化劑體積為基準10.50.83310.4ks6(1)rbad p323323661.210/5100.8330.0125.65101.210110.988110.012pgammdkDak aDa或改成或改成亦可亦可 三三. . 催化劑顆粒內(nèi)部質(zhì)量傳遞催

4、化劑顆粒內(nèi)部質(zhì)量傳遞na.內(nèi)表面是主要反應表面 內(nèi)表面外表面10,000 合成氨：海綿狀金屬鐵合成氨：海綿狀金屬鐵 面粉廠面粉廠 b. 內(nèi)表面不等效 c. 復雜的擴散反應串并聯(lián)過程 d. 假定 Cbcesn濃度分布濃度分布 a.假設(shè) 微孔長度、直徑均勻 單位顆粒截面上的擴散速率 單位顆粒體積上的反應速率雖然實際是在孔內(nèi)進行雖然實際是在孔內(nèi)進行 b.物料衡算物料衡算定態(tài)下定態(tài)下 進入微元量進入微元量 出微元量出微元量 反應量反應量2224 ()()4()4(1)nisiserdrerisdcdcrdrDr Dr drkcdrdr球面積De：顆粒內(nèi)有效擴散系數(shù)PeDDp: 顆?？紫堵? 曲節(jié)因子D

5、: 孔擴散系數(shù)微元殼體外層濃度梯度微元殼體外層濃度梯度22()()()(2)isisisr drrrdcdcd cdrdrdrdr(2)代入代入(1),略去略去dr2，222(3)nisisised cdckcdrr drD令112()isisbpnbpecccrzrkcrD邊界條件邊界條件1010is ziszcdcdz(, )isisbpcrcfcr解：解：顆粒邊緣顆粒邊緣顆粒中心顆粒中心2222()nisisisd cdccdzz dz代入（代入（3）3()3nbbeppkccDrr1nbpekcrD 極限反應速率特定條件下擴散速率，內(nèi)擴散阻力，內(nèi)擴散阻力 Thiele準數(shù)（西勒準數(shù)），

6、顆粒內(nèi)部傳質(zhì)影響大小判據(jù)顆粒內(nèi)部傳質(zhì)影響大小判據(jù)球形顆粒比表面積（以使計算基準一致）一級一級()ppisbrr shrccr sh2xxeeshx結(jié)論：結(jié)論：a. 擴散阻力使擴散阻力使cis 擴散無影響擴散無影響0,1,isisbccc式中 b.cis/cbn內(nèi)部效率因子內(nèi)部效率因子0()pVnisppkcdVRrV02( )pVnispnnnesbpbkcdVRRfkckcV kc球形顆粒，一級球形顆粒，一級2311()th式中 th: 雙曲函數(shù) eethee催化劑顆粒體積濃度分布式子帶入結(jié)論：結(jié)論： 2與與 成反比成反比 2 與級數(shù)成反比與級數(shù)成反比級數(shù)不同形狀催化劑內(nèi)部效率因子不同形狀催

7、化劑內(nèi)部效率因子 2與與 關(guān)系關(guān)系v 0.4， 2 1v0.4 3，內(nèi)擴散影響明顯，內(nèi)擴散影響明顯v 3，內(nèi)擴散影響嚴重，內(nèi)擴散影響嚴重 2v曲線幾乎重合，故可以認為曲線幾乎重合，故可以認為 2 與顆粒幾何形狀無關(guān)，可采用統(tǒng)與顆粒幾何形狀無關(guān)，可采用統(tǒng)一計算式計算一計算式計算規(guī)律：規(guī)律：1影響內(nèi)部效率因子因素影響內(nèi)部效率因子因素v T, k , , 2 v n 1 c，, 2 進口段2小于出口端 n = 1 2不變 n 1 c， , 2 進口段2大于出口端v rp , 2 孔徑： 結(jié)構(gòu)：增大顆粒孔隙率（減小內(nèi)孔直徑）， k , 2 41050AA努森努森擴散(Knudson)2eD1nbpek

8、crDn內(nèi)部傳遞過程的表觀動力學特征內(nèi)部傳遞過程的表觀動力學特征 球形顆粒，一級球形顆粒，一級222211122311(),33()nnbbnbpenebptheetheeRk ck ck crDRk Dcr 代入代入 De: 顆粒內(nèi)有效擴散系數(shù)顆粒內(nèi)有效擴散系數(shù) 3表觀反應速率常數(shù)表觀反應速率常數(shù)表觀活化能表觀活化能表觀反應級數(shù)表觀反應級數(shù)1200120003()exp()() exp()3() exp2obepDeeeDbpkkDrEkkRTEDDRTkDEEkrRT擴散活化能傳遞類別Eobnob內(nèi)部傳遞控制外部傳遞控制ED11()2obDEEDE2obEE2E12n為何有此表，因為為何有

9、此表，因為 內(nèi)部：擴散內(nèi)部：擴散反應復雜的串并聯(lián)過程反應復雜的串并聯(lián)過程 外部：擴散外部：擴散反應串聯(lián)過程反應串聯(lián)過程DE1obnnn式中：代入，得n內(nèi)部傳遞阻力對選擇率的影響內(nèi)部傳遞阻力對選擇率的影響 平行反應 串聯(lián)反應 平行反應12n n12nnn內(nèi)部傳遞阻力實驗識別內(nèi)部傳遞阻力實驗識別粒度試驗 反應速率、串聯(lián)反應反應速率、串聯(lián)反應隨粒度減小而提高，內(nèi)部阻力隨粒度減小而提高，內(nèi)部阻力 不可忽略不可忽略測Eob、nob 不同于不同于E、n，內(nèi)部阻力占有相當份量內(nèi)部阻力占有相當份量（不同于外部傳 遞， 測較困難）測表觀速率R 2 測表觀速率 R 2,nbRkc1nbpekcrD代入（k往往未知

10、）往往未知） 2222pbepbeRrc DrRcD 215,pber Rc D內(nèi)部傳遞阻力大內(nèi)部傳遞阻力大)(2f（可測數(shù)群）（試差法）2移項例：例：氣固催化反應 A+B P，2000C PA= 0.5atm, PB = 2.5atm，催化劑平均直徑dp0.140 cm， 1.39 gcm3，R0.032 molhgcat。若 De0.0248 cm2s，試估計內(nèi)部傳遞影響。解：解：B組分過量，視作一級反應 忽略外部傳遞，A反應物在主體中濃度35/1029. 147306.825 . 0cmmolRTPcAb表觀反應速率530.0321.391.24 10/()3600Rmols cm522

11、225221.24 100.070.191.29 100.0248pbeRrC D 內(nèi)部傳遞影響忽略不計內(nèi)部傳遞影響忽略不計1n 改善內(nèi)部傳遞措施改善內(nèi)部傳遞措施 （感光科學上的“T顆?！保﹑ 細顆粒p 改變工程結(jié)構(gòu)：a.多孔粉末加壓多孔粉末加壓 粉末中小孔 和粉末之間大孔的雙孔結(jié)構(gòu) 好處：內(nèi)表面積大 消除內(nèi)部傳遞阻力 b.活性組分非均勻分布方法活性組分非均勻分布方法 例：例：萘氧化制苯酐萘氧化制苯酐 活性組分浸漬厚度為0.3 rp，反應 后苯酐可盡快傳遞到氣流主體， 防止進一步氧化，（T 補 償產(chǎn)量） n多組分內(nèi)部傳質(zhì)多組分內(nèi)部傳質(zhì) SPBA2:333abAbBbAAbAeppAABkccc

12、Drr213AeababAbBbAbBbabpAbBbDRkcckccrkcc1223ababAeAbBbpkDccr 內(nèi)擴散阻力大 無內(nèi)擴散阻力可以得出可以得出21()2()212obA obBobobEEanbnnabnn傳遞類型Eob（nA）ob（nB）obnob內(nèi)部傳遞控制關(guān)鍵組分非關(guān)鍵組分外部傳遞控制ED關(guān)鍵組分 1非關(guān)鍵組分 0121a2E2121nbab2第八節(jié)第八節(jié) 熱量傳遞和反應器熱穩(wěn)定性熱量傳遞和反應器熱穩(wěn)定性一. 傳熱尺度 顆粒尺度：催化劑顆粒與周圍流體 設(shè)備尺度：管外、釜外冷卻介質(zhì)移走反應熱 放熱反應的惡性循環(huán)： 溫度升高 反應加快 放熱速率增大傳熱問題重要性傳熱問題重

13、要性0ERTkk e對傳熱和反應器的操作、控溫，提出了特殊要求對傳熱和反應器的操作、控溫，提出了特殊要求合成氨：合成氨： 溫度低：電加熱、近路溫度低：電加熱、近路 溫度高：付閥溫度高：付閥二二. 催化劑顆粒溫度的熱穩(wěn)定性催化劑顆粒溫度的熱穩(wěn)定性n催化劑顆粒定態(tài)溫度 溫度較低時，反應控制階段溫度較低時，反應控制階段 溫度較高時，擴散控制階段溫度較高時，擴散控制階段放熱放熱()ngbpQH kc V ()ggbpQH k ac V 催化劑顆粒放熱速率催化劑顆粒體積Qg:Vp:QgTs傳熱傳熱 Qr: 催化劑顆粒傳熱速率 h: 傳熱系數(shù) Ts: 催化劑顆粒溫度 Tb: 流體主體溫度()rsbpQha

14、 TT Vn定態(tài)條件定態(tài)條件 n定態(tài)溫度定態(tài)溫度grQQTA、TB、TCTSn催化劑顆粒定態(tài)溫度的穩(wěn)定條件催化劑顆粒定態(tài)溫度的穩(wěn)定條件grSSdQdQdTdTA: 下操作點C: 上操作點B: 不穩(wěn)定態(tài) 不可能存在不可能存在 穩(wěn)定態(tài)穩(wěn)定態(tài)思考題：思考題：nDa、有何意義？請寫出其表達式。n減少外部質(zhì)量傳遞有哪些措施？n改善內(nèi)部質(zhì)量傳遞有哪些措施？習習 題題： （共三題）n在固定床反應器中進行如下一級不可逆氣相催化分解反應： A B + C 在反應溫度為 4200C 時，反應速率常數(shù) k 6.9510-3 s-1。若原料處理量為0.8 Ls1，A的轉(zhuǎn)化率為 40.0%，試按活塞流模型計算催化反應器所需的有效體積。 （答：71.52 L）n在固定床催化反應器中催化二氧化硫合成三氧化硫，已知催化劑床層體積為1.5 L，空隙率 0.4，反應器入口處原料的體積流量為