氣固相體系課件.ppt

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1、第五章氣固相體系的物相轉(zhuǎn)化與化學(xué)加工1四川大學(xué)本科生課程化學(xué)工藝學(xué)氣固相體系的物相轉(zhuǎn)化與化學(xué)加工氣－固相體系進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)情況：一：固體物質(zhì)要參與反應(yīng)且被消耗。如燃燒過程；二：固體物質(zhì)參與化學(xué)反應(yīng)但是本身并不消耗。氣－固相催化反應(yīng)體系。合成氨反應(yīng)后產(chǎn)物一般在氣相中。反應(yīng)器類型（直接氣相間反應(yīng)物和產(chǎn)物的相互轉(zhuǎn)化）管式反應(yīng)器：停留時(shí)間短、返混小、反應(yīng)器體積小且效率高。管式反應(yīng)器：合成氨造氣（鎳催化劑）塔式反應(yīng)器：合成氨合成（鐵催化劑）氣-固（催化劑）反應(yīng)塔式反應(yīng)器：硫酸轉(zhuǎn)化（釩催化劑）2四川大學(xué)本科生課程化學(xué)工藝學(xué)5.1氣固相間化工過程的一般特點(diǎn)在反應(yīng)和分離中，氣固兩相間的接觸方式同所選取的固體

2、尺寸有關(guān)。固定床形式的反應(yīng)：采用較大的破碎粒度，固體塊狀體氣流懸浮狀態(tài)反應(yīng)：采用較小的粒度固體原料整型氣固反應(yīng)氣固分離氣相分離媒介再生氣固反應(yīng)氣相分離氣態(tài)原料固態(tài)原料后續(xù)過程氣態(tài)原料后續(xù)過程氣固非催化過程原則流程氣固催化過程原則流程3四川大學(xué)本科生課程化學(xué)工藝學(xué)5.1.1氣固非催化過程氣體物質(zhì)和固體物質(zhì)均參與反應(yīng)且被消耗A（g）+B（s）→C（s）+D（g）反應(yīng)必須克服兩個(gè)擴(kuò)散阻力：（1）固相物種B顆粒外表面的氣膜層的擴(kuò)散阻力（2）固相物種B顆粒內(nèi)部的產(chǎn)物C層的擴(kuò)散阻力圖5-2氣－固相反應(yīng)體系的等粒徑縮芯模型示意圖4四川大學(xué)本科生課程化學(xué)工藝學(xué)氣固反應(yīng)縮芯模型氣相非催化反應(yīng)的過程:1：氣相主體

3、擴(kuò)散到固體表面2：向內(nèi)的固體膜擴(kuò)散3：表面反應(yīng)4：向外的固體膜擴(kuò)散5：固體表面到氣流主體的氣膜擴(kuò)散。氣－固相體系縮芯模型濃度分布分為氣膜擴(kuò)散控制、固體層擴(kuò)散控制、界面反應(yīng)控制穩(wěn)態(tài)假定：其他模型描述：UCM、PCM、CCM、GPM、整體反應(yīng)模型等5四川大學(xué)本科生課程化學(xué)工藝學(xué)5.1.2氣固相間的催化反應(yīng)對于氣－固相催化反應(yīng)的過程：氣體物質(zhì)由氣相主體經(jīng)過氣膜向催化劑表面的外擴(kuò)散過程；到達(dá)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(kuò)散過程；到達(dá)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(yīng)物被活化、并在催化劑表面發(fā)生反應(yīng)；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(kuò)散的內(nèi)擴(kuò)散過程；到

4、達(dá)催化劑外表面的產(chǎn)物經(jīng)過氣膜層向氣相主體的外擴(kuò)散過程。宏觀的氣－固催化反應(yīng)可以是外擴(kuò)散控制、內(nèi)擴(kuò)散控制、以及表面化學(xué)反應(yīng)控制。6四川大學(xué)本科生課程化學(xué)工藝學(xué)化學(xué)反應(yīng)的活化能，反映了溫度對化學(xué)反應(yīng)的影響；化學(xué)反應(yīng)級數(shù)αj反映了物種j濃度對化學(xué)反應(yīng)的影響。5.1.3本征化學(xué)反應(yīng)速度（－rA）消除了傳質(zhì)阻力，傳熱阻力：宏觀化學(xué)反應(yīng)速度等于本征化學(xué)反應(yīng)速度。動力學(xué)方程7四川大學(xué)本科生課程化學(xué)工藝學(xué)5.1.4氣固懸浮體系中的流動形態(tài)固定床（固體顆粒并不浮動起來）氣固流化床示意圖（a）氣固流化床；（b）氣泡放大圖氣固懸浮體系是一種效率很高的反應(yīng)與分離的工業(yè)化系統(tǒng)。顆粒極限沉降速率>空塔流速usf>起始流化

5、速度umf流化床（床層膨脹、氣泡相+乳化相）氣固流動形態(tài)區(qū)域劃分圖鼓泡流態(tài)化和湍流流態(tài)化快速流態(tài)化空塔流速usf>顆粒極限沉降速率氣流床8四川大學(xué)本科生課程化學(xué)工藝學(xué)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(shí)間τ及歷程床內(nèi)τ幾分鐘到幾小時(shí)，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0.02～0.08顆粒外循環(huán)量kg/(m2?s)0.1～515～200015

6、～2000小于50空隙率床層為0.6～0.8,稀相空間中很大0.85～0.980.95～0.99大于0.99氣體返混乳相與泡相間交換部分返混少量氣體返混軸向返混很小軸向返混很小床內(nèi)顆粒返混全返混同環(huán)-核流動結(jié)構(gòu)返混嚴(yán)重軸向返混很小軸向返混很小9四川大學(xué)本科生課程化學(xué)工藝學(xué)5.1.5氣固相體系的分離特點(diǎn)（1）氣固相的分離；（2）氣相中不同組分間的分離。大粒度固體：沉降；固體粉塵和微粒：布袋過濾、重力沉降、旋風(fēng)分離、旋流分離、濕式氣固分離和電暈分離（電除塵）等（1）旋流分離（2）逆向動力波分離旋流式分離器示意圖逆向動力波洗滌器灰斗凈化氣凈化氣液體10四川大學(xué)本科生課程化學(xué)工藝學(xué)旋流分離11四川大學(xué)

7、本科生課程化學(xué)工藝學(xué)5.1.6氣相中物質(zhì)的主要分離方法氣體的凈化和分離方法：吸收、吸附、膜分離、精餾、冷凍等。（1）吸收物質(zhì)借擴(kuò)散（分子擴(kuò)散或?qū)α鲾U(kuò)散）作用傳質(zhì)，將氣相物質(zhì)轉(zhuǎn)移到液相的過程。（化學(xué)吸收和物理吸收）（2）吸附多孔固體吸附劑與氣相接觸，流體相中的單一或多種溶質(zhì)向多孔固體顆粒表面選擇性傳遞，積累于多孔固體吸附劑微孔表面的過程。變溫吸附：利用溫度的變化完成循環(huán)操作。變壓吸附：利用壓力的變化