催化反应工程华东理工大学工业反应过程分析导论

1、反应过程分析反应过程分析n1 1 气液固三相反应气液固三相反应n2 2 三相催化反应器三相催化反应器第七章第七章 气气液液固三相反应器固三相反应器反应过程分析反应过程分析1 1 气气液液固三相反应固三相反应气气液液固三相催化反应固三相催化反应, ,固相为催化剂固相为催化剂. .1) 1) 固定床气固定床气液液固反应器固反应器涓流床反应器涓流床反应器不同的流向不同的流向a)a)机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器 b)b)鼓泡反应器鼓泡反应器 c)c)三相流化床反应器三相流化床反应器d)d)三相携带床三相携带床 e)e)内环流反应器内环流反应器2) 2) 悬浮床气悬浮床气液液固反应器固反应器反应过程

2、分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析三相床中颗粒催化剂上反应过程为三相床中颗粒催化剂上反应过程为1)1)气相反应物从气相主体扩散到气气相反应物从气相主体扩散到气液界面的传递过程液界面的传递过程; ;2)2)气相反应物从气气相反应物从气液界面扩散到液相主体的传递过程液界面扩散到液相主体的传递过程; ;3)3)气相反应物从液相主体扩散到颗粒外表面的传质过程气相反应物从液相主体扩散到颗粒外表面的传质过程; ;4)4)颗粒催化剂内同时进行反应和内扩散的宏观反应过程颗粒催化剂内同时进行反应和内扩散的宏观反应过程; ;5)5)产物从催化剂颗粒外表面扩散到液相主体的传质过程产物从催化剂颗粒外表面扩散到液

3、相主体的传质过程; ;6)6)产物从液相主体扩散到气产物从液相主体扩散到气液界面的传质过程液界面的传质过程; ;7)7)产物从气产物从气液界面扩散到气相主体的传质过程液界面扩散到气相主体的传质过程; ;反应过程分析反应过程分析ASeeASALeASALAiLLALAigAgLAgRAgACSkCCSkCCSkCCSkdVdNr,以反应物以反应物A表示表示二二 宏观反应速率宏观反应速率r rA,gA,gAgk气膜传质分系数，气膜传质分系数，m/hALk液膜传质分系数，液膜传质分系数，m/hAiLGLAigCKC气液相平衡气液相平衡AigAgLAgAgCCSkrASk液固界面液膜传质分系数，液固界

4、面液膜传质分系数，m/hek本征反应速率常数本征反应速率常数LSeS单位床层内气液相传质面积，单位床层内气液相传质面积，32mm单位床层体积的颗粒外表面积单位床层体积的颗粒外表面积反应过程分析反应过程分析ALGLAigLALGLAgCKCSkKrAgeTRAAgCSkdVdNreASGLALGLLeAgLeTkkKkKSSkSSk111kT以气相主体浓度表示、按颗粒催化剂以气相主体浓度表示、按颗粒催化剂外表面积计算的宏观反应速率常数。外表面积计算的宏观反应速率常数。 反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析eASALLeGLTkkkSSKk1111eASGLAgLeTkkKkSSk11

5、111) 不存在气膜传质阻力，不存在气膜传质阻力，kAg2) 不存在液膜传质阻力，不存在液膜传质阻力，kAL反应过程分析反应过程分析eGLALGLLeAgLeTkKkKSSkSSk11eASGLALGLLeAgLeTkkKkKSSkSSk11113) 不存在液固界面处液膜传质阻力，不存在液固界面处液膜传质阻力，kAS4) 催化剂效率因子催化剂效率因子 1反应过程分析反应过程分析DdkSh udpReDSc对流传质对流传质对流给热对流给热Sherwood数数Nusselt数数dNu Reynolds数数Prandtl数数pCPrudpReSchmidt数数如：湍流流动，如：湍流流动，Re2100

6、，Sc=0.63000时，实验获得的结果时，实验获得的结果:Sh=0.023Re0.83Sc0.33式中定性尺寸取管径式中定性尺寸取管径d圆管内对流给热的关联式圆管内对流给热的关联式Nu=0.023Re0.8Pr0.30.4反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析 ClBgABSASeeASALeASALAiLLALAigAgLAggACCSkCCSkCCSkCCSkr,BSASeeBSBLeBSgBCCSkCCSkr,BLAgeTgBgACCSkrr,A组分组分BSeASGLALGLLeAgLeTCkkKkKSSkSSk1111BSBLeBSgBCCSkr,BSASeegBCCSkr

7、,BLAgeTgBBLASeegBeBSgBCCSkrCCSkrSkr,，反应过程分析反应过程分析AgTASeBSCkCkk111BSeAgTeASkkCkkC1BLAgeTBSASeegBCCSkCCSkr,ASeBLAgTBSCkCCkC反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析三三 床层宏观动力学床层宏观动力学但是但是kAL，kAS必须考虑。必须考虑。整个床层的宏观动力学。整个床层的宏观动力学。一般情况下一般情况下 kAg，1 1反应过程分析反应过程分析2 三相催化反应器三相催化反应器一一涓流床三相反应器涓流床三相反应器二二机械搅拌鼓泡三相反应器机械搅拌鼓泡三相反应器三三淤浆床鼓泡

8、反应器淤浆床鼓泡反应器四四三相流化床反应器三相流化床反应器反应过程分析反应过程分析一一 涓流床三相反应器涓流床三相反应器气、液并流向下通过固定床的流体力学气、液并流向下通过固定床的流体力学反应过程分析反应过程分析( (一一) )流体状态流体状态与流速有关与流速有关 在一定在一定UOGUOG下，下， 小小大，气相连续大，气相连续分散分散反应过程分析反应过程分析 内持液量内持液量颗粒孔隙内的持液量，颗粒孔隙内的持液量， 孔隙率孔隙率，内持液量，内持液量 静持液量静持液量液体不流动时，润湿颗粒间的持液量，液体不流动时，润湿颗粒间的持液量， 比表面积比表面积，粗糙度，粗糙度，持液量，持液量 动持液量动

9、持液量气、液稳定流动后，同时关闭气、液进气、液稳定流动后，同时关闭气、液进 口阀，在出口处收集到的床层流出的液体量。口阀，在出口处收集到的床层流出的液体量。( (二二) )持液量持液量反应过程分析反应过程分析( (三三) )液体分布液体分布 塔内径塔内径D Dt t，颗粒直径，颗粒直径dpdp， Dt/dpDt/dp1818，分布良好，分布良好( (四四) )压降压降( (五五) )润湿率润湿率 内部润湿，或孔隙充满内部润湿，或孔隙充满 外部润湿，颗粒与液体，外部润湿，颗粒与液体， 有效接触的外表面积，有效接触的外表面积， 动持液量动持液量，外部润湿率，外部润湿率反应过程分析反应过程分析传递过

10、程传递过程涓流状态下涓流状态下( (一一) ) 气液界面气膜传质分系数气液界面气膜传质分系数k kG G( (二二) ) 气液界面液膜传质分系数气液界面液膜传质分系数k kL L( (三三) ) 液固界面、液固相间传质系数液固界面、液固相间传质系数涓流床中的传热涓流床中的传热反应过程分析反应过程分析二二 机械搅拌鼓泡三相反应器机械搅拌鼓泡三相反应器一般用于实验室研究一般用于实验室研究 气液接触气液接触 催化剂颗粒悬浮催化剂颗粒悬浮 最小转速最小转速 最大气速液泛最大气速液泛反应过程分析反应过程分析三三 淤浆床鼓泡反应器淤浆床鼓泡反应器没有搅拌，液体不连续流入或流出反应器没有搅拌，液体不连续流入

11、或流出反应器优点：优点： 1 细颗粒催化剂细颗粒催化剂 2 液体持液量大，液体全混液体持液量大，液体全混 3 温度易于控制温度易于控制要求：要求： 1 惰性液体的要求惰性液体的要求 2 催化剂耐磨损催化剂耐磨损 3 气相存在范混，但模拟计算时假设活塞流。气相存在范混，但模拟计算时假设活塞流。反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析( (一一) ) 颗粒完全悬浮临界气速颗粒完全悬浮临界气速u uc c1 1u uc cuut t, u, ut t 固体颗粒沉降速度固体颗粒沉降速度2 2u uc cCsCs3 3颗粒特性颗粒特性4 4液体特性液体特性5 5床层直径床

12、层直径6 6分布器，有无导流筒分布器，有无导流筒反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析( (二二) )气含率气含率g 冷态下测定的多冷态下测定的多 中国科学院山西煤炭化学研究所中国科学院山西煤炭化学研究所 g =f(Fr, Ga) P: 0.1010.785MPa T: 150210 根据实验数据，可得下列关联式：根据实验数据，可得下列关联式：782. 00353. 0679. 02570. 20884. 0429. 04463. 10602. 0927. 0310567. 1 1955. 00645. 0 ,/9310122. 3 0645. 00391. 0 ,/93.0cm/s

13、 210057. 5 0391. 0,/3 1RaGgRaGgRaGgDdGFrFrscmuDdGFrFrscmuDdGFrFrscmu时）湍流鼓泡区（时）过渡区（时）安静鼓泡区（反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析四四 三相流化床反应器三相流化床反应器流体连续地流出、流体连续地流出、流入反应器流入反应器气体、液体自下而上气体、液体自下而上通过反应器通过反应器反应过程分析反应过程分析( (一一) ) 流型流型 安静鼓泡区，安静鼓泡区， 湍流鼓泡区，湍流鼓泡区， 活塞流区，活塞流区， 过渡区过渡区反应过程分析反应过程分析( (二二) ) 液体临界流速液体临界流速 液固系统的临界流速气

14、液固系统的临界流速液固系统的临界流速气液固系统的临界流速( (三三) ) 气含率气含率在安静鼓泡区，并流向上三相流化床的气含率可表示为：在湍流鼓泡区或栓塞区：024. 0721. 0196. 0087. 0667. 031083. 4effLpLgGduu105. 0692. 0052. 0068. 074. 031048. 6effLpLgGduu反应过程分析反应过程分析1 1 气气液液固三相反应固三相反应气气液液固三相催化反应固三相催化反应, ,固相为催化剂固相为催化剂. .1) 1) 固定床气固定床气液液固反应器固反应器涓流床反应器涓流床反应器不同的流向不同的流向a)a)机械搅拌式反应器

15、机械搅拌式反应器 b)b)鼓泡反应器鼓泡反应器 c)c)三相流化床反应器三相流化床反应器d)d)三相携带床三相携带床 e)e)内环流反应器内环流反应器2) 2) 悬浮床气悬浮床气液液固反应器固反应器反应过程分析反应过程分析三相床中颗粒催化剂上反应过程为三相床中颗粒催化剂上反应过程为1)1)气相反应物从气相主体扩散到气气相反应物从气相主体扩散到气液界面的传递过程液界面的传递过程; ;2)2)气相反应物从气气相反应物从气液界面扩散到液相主体的传递过程液界面扩散到液相主体的传递过程; ;3)3)气相反应物从液相主体扩散到颗粒外表面的传质过程气相反应物从液相主体扩散到颗粒外表面的传质过程; ;4)4)

16、颗粒催化剂内同时进行反应和内扩散的宏观反应过程颗粒催化剂内同时进行反应和内扩散的宏观反应过程; ;5)5)产物从催化剂颗粒外表面扩散到液相主体的传质过程产物从催化剂颗粒外表面扩散到液相主体的传质过程; ;6)6)产物从液相主体扩散到气产物从液相主体扩散到气液界面的传质过程液界面的传质过程; ;7)7)产物从气产物从气液界面扩散到气相主体的传质过程液界面扩散到气相主体的传质过程; ;反应过程分析反应过程分析如：湍流流动，如：湍流流动，Re2100，Sc=0.63000时，实验获得的结果时，实验获得的结果:Sh=0.023Re0.83Sc0.33式中定性尺寸取管径式中定性尺寸取管径d圆管内对流给热的关联式圆管内对流给热的关联式Nu=0.023Re0.8Pr0.30.4反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析2 三相催化反应器三相催化反应器一一涓流床三相反应器涓流床三相反应器二二机械搅拌鼓泡三相反应器机械搅拌鼓泡三相反应器三三淤浆床鼓泡反应器淤浆床鼓泡反应器四四三相流化床反应器三相流化床反应器反应过程分析反应过程分析( (二二) )气含率气含率g 冷态下测定的多冷态下测定的多 中国科学院山西煤炭化学研究所中国科学院山西煤炭化学研究所 g =f(Fr, Ga) P: 0.1010.78