流固相非催化反应

1、流固相非催化反应第1页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四第一节流固相非催化反应的分类及特点 8-1 分类：气固相非催化反应（按物相分五类）；液固相非催反应（按物相分五类）.8-2 特点：反应类型的多样性：类型不同，工艺流程不同，工程操作参数不同，反应器不同。固相物料的多样性：固相物料物性不同，对输送、供料、在反应器中流动状况不同，并影响反应体系的宏观动力学行为。反应器型式的多样性：固体颗粒的转化率高：不应使用固相返混严重的反应器，须采用逆流接触设备须兼备传热效率高、固体转化率良好的反应器。对可逆放热气固相非催化反应，存在最佳温度问题。气固相非催化反应温度高；第2页，共22

2、页，2022年，5月20日，11点17分，星期四8-3 流固相非催化反应的研究方法 器内过程：化学反应过程（反应动力学问题）；传递过程（物理效应或宏观传递效应）研究步骤：反应模型（主要模型：收缩未反应芯模型；整体反应模型；有限厚度反应区模型；微粒模型；单孔模型；破裂芯模型）。用模拟方法冷模试验研究两相流动行为，测验有关数据，建立经验或半径验数学方程（模型过于简化，常与实际不一致）。用逐级效大法。 热模试验研究反应参数对反应性能的影响，获取设计参数，检验反应动力学和冷模试验结果。第3页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四第二节流固相非催化反应模型8-4 收缩未反应芯模型：（缩

3、芯模型）1、要点：反应只在固体颗粒内部产物与未反应固体的界面上进行；反应表面由表及里不断向固体颗粒中心收缩，未反应芯逐渐缩小。第4页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四8-4 收缩未反应芯模型：（缩芯模型）2、两种情况：颗粒大小不变（反应过程中有固相惰性物残留或有新的固相产物生成），反应界面不断内移。固体反应物无孔时或反应速率很快、流体扩散非常慢时。）颗粒不断缩小不生成固体产物，无惰性物残留；产物仅为流体。第5页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四8-4 收缩未反应芯模型：（缩芯模型）对情况：与气固相催化反应过程类似，整个反应过程由5个步骤组成：a反应物

4、外扩散过程b反应物内扩散过程c表面化学反应过程d产物内扩散过程e产物外扩散过程。（无流体产物，仅有固相应物时：仅有a、b、c）对情况：仅有a、b、c三步。第6页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四第三节粒径不变时缩芯模型的总体速率8-8 宏观反应速率对流固相非催化反应：A(f)+bB(s) fF(f)+sS(s)假设：等温球形颗粒；拟定态过程（反应界面不动的定态过程；界面移动速度流体反应物扩散速率）；对A 为一级不可逆反应。一、外扩散速率、内扩散速率、表面化学反应速率：第7页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四8-8 宏观反应速率二、总体速率的一般计算式

5、：式(8-2)中 可由的扩散过程的物料衡算导得： （8-7）据加和法则：式（8-9） 第8页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四8-8 宏观反应速率三、未反应芯半径Rc与反应时间t的关系：据(8-11)和导得： (8-12)联立（8-9）、（8-11）并积分：第9页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四8-8 宏观反应速率四、固相反应物B的转化率XB与Rc的关系：据XB定义： (8-13)五、 的关系：将(8-13)带入(8-16): 可见，当颗粒完全反应时， 故第10页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四8-9 流体滞流膜扩散控制 的

6、浓度分布：对不可逆反应， 注：由（8-21）知：若 强化总体速率措施： 。第11页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四8-10固体产物层（或惰性残留物层）内扩散控制 的浓度分布：对不可逆反应， Note：由（8-25）知：若强化总体速率措施： 。第12页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四8-11 化学反应控制 的浓度分布：对不可逆反应， Note：由（8-29）知：若强化总体速率措施： 。第13页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四第四节 颗粒缩小时综芯模型的总体速率A(f)+bB(s) fF(f)两个步骤：气膜扩散；外表面化学反应

7、由8-9得，球形颗粒：第14页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四8-12 流体滞流膜扩散控制 特点：扩散面积随颗粒缩小而缩小；外扩散传质系数因颗粒缩小也随之改变。 （8-36） 第15页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四8-13化学反应控制：与颗粒大小不变时相同（8-28）适用8-14宏观反应过程与控制阶段的判别：* 总体速率：颗粒不变（8-9）；颗粒缩小（8-38） 第16页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四8-14宏观反应过程与控制阶段的判别 反应控制步骤的判别：由实验观察温度、反应时间、颗粒大小对过程的影响。考察温度对不同

8、控制步骤及总体速率的影响：温度对化学反应速率影响最明显。第17页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四8-14宏观反应过程与控制阶段的判别考察气速对总体速率的影响：总影响显高，则为外扩散控制。考察 关系：否则，内扩散控制第18页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四8-14宏观反应过程与控制阶段的判别观察 关系：第19页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四第六节超细颗粒的化学气相合成与液相合成8-18超细颗粒化学气相合成：化学气相淀积法（CVD）:用固体原料，在气相中通过化学反应合成物质的基本粒子，再经过成核和生长两阶段合成粒子，薄膜、晶须和晶体等固体材料的工艺过程。一、CVD的基本类型：一般式五种类型：热解还原氧化置换歧化 第20页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四8-18超细颗粒化学气相合成：二、CVD的主要技术：据化学反应的激活能形式不同，分四种:常压化学气相沉淀技术（热能激活）减压化学气沉淀技术（热能激活）等离子增强化学气相沉淀（低温等离子体中的载能电子激活)金属有机化合物化学气相沉淀第21页，共22页，2022年，5月20日，11点17分，星期四8-19 超细颗粒的化