《氣固相體系》PPT課件

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1、第五章氣固相體系的物相轉(zhuǎn)化與化學加工四川大學化工學院氣固相體系的物相轉(zhuǎn)化與化學加工氣－固相體系進行的化學反應情況:一:固體物質(zhì)要參與反應且被消耗。如燃燒過程；二：是固體物質(zhì)參與化學反應但是本身并不消耗。氣－固相催化反應體系。氣固相間化工過程的一般特點在反應和分離中，氣固兩相間的接觸方式同所選取的固體尺寸有關(guān)。采用固定床的形式進行反應，采用較大的破碎粒度，固體塊狀體被填充在反應器中，氣體穿過床層，并滲透到固相中進行反應。若固體物質(zhì)在氣流懸浮狀態(tài)下進行反應，可采用較小的粒度。原料整型氣固反應氣固分離氣相分離媒介再生氣固反應氣相分離氣態(tài)原料固態(tài)原料后續(xù)過程氣態(tài)

2、原料后續(xù)過程（A）（B）圖5-1-1氣固非催化過程與催化過程兩類原則流程氣固非催化過程以反應中留有固體產(chǎn)物的情形為例，其特點假定氣相物種A和固體物種B發(fā)生反應生成固體物種C和氣體物種D的情況，可以表示如下(舉例說氣固反應）A（g）+B（s）→C（s）+D（g）氣相物質(zhì)A要和固相物種B進行化學反應，必須克服兩個擴散阻力，一是克服圍繞固相物種B顆粒外表面的氣膜層的擴散阻力，二是克服固相物種B顆粒內(nèi)部的產(chǎn)物C層的擴散阻力；然后到達未反應的縮核表面進行反應。該過程可以簡示如圖5-1-2。圖5-1-2氣－固相反應體系的等粒徑縮芯模型示意圖氣固反應縮芯模型1：主體擴

3、散到固體表面2：向內(nèi)的固體膜擴散3：表面反應4：向外的固體膜擴散5：固體表面到氣流主體的氣膜擴散。分為氣膜擴散控制、固體層擴散控制、界面反應控制其中，kg為氣膜層的擴散傳質(zhì)系數(shù)；De為物種A在產(chǎn)品層的有效擴散系數(shù)；Sek、Sr、Src分別代表氣膜層傳質(zhì)面積、產(chǎn)品層擴散傳質(zhì)面積、未反應核的表面積；ks代表在推進的反應界面處進行界面反應的速度常數(shù)；（-rA）為基于單位面積上的物種A的化學反應速度；α為物種A參與化學反應的動力學級數(shù)。氣－固相體系縮芯模型濃度分布氣固相間的催化反應對于氣－固相催化反應，需要經(jīng)歷如下7個過程：氣體物質(zhì)由氣相主體經(jīng)過氣膜向催化劑表面

4、的外擴散過程；到達催化劑外表面的原料物種由催化劑外表面向內(nèi)表面的內(nèi)擴散過程；到達催化劑內(nèi)表面的原料物種在催化劑內(nèi)表面吸附；吸附的反應物被活化、并在催化劑表面發(fā)生反應；產(chǎn)物從催化劑表面脫附；在固相中由內(nèi)表面向外表面擴散的內(nèi)擴散過程到達催化劑外表面的產(chǎn)物經(jīng)過氣膜層向氣相主體的外擴散過程注意：在多孔固體催化劑催化的氣相反應過程，氣相反應物要到達催化劑的內(nèi)表面進行反應，必須克服外擴散阻力、內(nèi)擴散阻力。根據(jù)多孔催化劑的孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)、以及氣相流動狀況，宏觀的氣－固催化反應可以是外擴散控制、內(nèi)擴散控制、以及表面化學反應控制。固相催化的步聚本征化學反應速度（－rA）對于實

5、際反應，反應會受到傳質(zhì)、傳熱等諸多因素的影響。消除了傳質(zhì)阻力，傳熱阻力，化學反應的速度就決定于在反應區(qū)域內(nèi)化學反應本身進行的快慢，此時宏觀化學反應速度就等于本征化學反應速度。物質(zhì)進行化學反應的本征反應速度（－rA），是參與化學反應的各種物質(zhì)濃度、以及進行化學反應的區(qū)域的溫度的函數(shù)，即：將上式右端兩個因式直接表述為：其中，A0為指前因子，E為化學反應的活化能，R為普適氣體常數(shù)，T為化學反應溫度0K，Cj代表在化學反應區(qū)物種j的濃度，αj代表化學反應相對于物種j的化學反應級數(shù)，化學反應級數(shù)n和各物種的化學反應級數(shù)αj有如下關(guān)系：化學反應的活化能，反映了溫度對

6、化學反應的影響；化學反應級數(shù)αj反映了物種j的濃度對化學反應的影響。氣固懸浮體系中的流動形態(tài)氣固懸浮體系是一種效率很高的反應與分離的工業(yè)化系統(tǒng)。在固定床中，氣體經(jīng)固體顆粒間的空隙而顆粒并不浮動起來。一旦流體的表觀流速（空塔流速）達到某一數(shù)值時，顆粒開始出現(xiàn)浮動，此時表觀流速為起始流化速度umf，隨著流速增加，床層出現(xiàn)膨脹。若顆粒較細，床層膨脹較均勻，即為散式流化床。若顆粒較粗，則一旦氣速超過umf，超過的那部分氣量就會以氣泡形式通過，形成氣泡相及乳化相的兩相結(jié)構(gòu)。乳化相指氣泡以外的床層區(qū)域，粒間也有氣體流動，但未能形成氣泡，床層也有所膨脹。故稱聚式流化床

7、。一般居多。氣固流化床示意圖（a）氣固流化床；（b）氣泡放大圖根據(jù)操作氣速的大小，鼓泡流態(tài)化和湍流流態(tài)化可統(tǒng)稱為傳統(tǒng)的低速流態(tài)化，快速流態(tài)化和稀相輸送可稱為高速流態(tài)化。氣固流動形態(tài)區(qū)域劃分圖高速流化床與低速流化床操作特性的比較特性低速流化床氣固并流上行快速流化床氣固并流下行快速流化床稀相上行輸送床顆粒停留時間τ及歷程床內(nèi)τ幾分鐘到幾小時，部分帶出提升管中τ為幾秒，周期性循環(huán)下行管中τ為幾十毫秒至1秒，周期循環(huán)自下而上一次通過氣速m/s0.1～0.50.5～163～1616～20顆粒平均直徑mm0.05～30.05～0.50.05～0.5典型為0.02～0

8、.08顆粒外循環(huán)量kg/(m2s)0.1～515～200015～2000小于50