反应工程复习要点.doc

《反应工程复习要点.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《反应工程复习要点.doc（4页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、燃烧 ，就是燃料和氧化剂之间产生剧烈的氧化反映， 并且燃烧化学反应受到流动、 扩散和传热过程的影 响，特别是在工业窑炉内进行的燃烧过程更加复杂。烧成 ，就是把原料或坯件置于窑炉内经受高温处理通过十分复杂的物理化学反应最后变成人们所需的硅 酸盐产品。化学反应速率 ：单位时间内单位反应区域内物料量的变化。反应量（单位时间×单位反应区） 转化率（反应率） ：表示反应过程中的小时的反应物摩尔量与初始反应混合物中该细分的摩尔量之比。 均相反应 是指在均一的气相或液相中进行的化学反应， 如气体燃料和空气充分混合后的燃烧就是典型的 均气反应过程。分为简单反应和复杂反应。基元反应 ：任何化学反应的发

2、生都必须以反应物分子之间的相互碰撞或直接作用为前提， 如果在碰撞时 一步就能直接转变为生成物分子，则称该反应为基元反应简单反应 又称单一反应， 是指一组特定的反应物只形成一组特定的生成物的化学反应。它可以是基元反应，也可以是非基元反应。大多数的无机反应属于简单反应，例如碳酸钠与氢氧化钙的反应。简单反应 的特点是只需要用一个化学反应方程式和一个动力学方程式便能加以描述。 具有幂函数型的化学反应动 力学模型。复杂反应 又称多个反应， 是指反应混合物中同时进行几组不同的反应， 因此要用几个动力学方程式才能 加以描述。 复杂反应都是非基元反应， 即由两个或两个以上的基元反应组合而成的。 复杂反应具有双

3、曲 函数型的动力学模型。反应级数 是指动力学方程式中浓度项的幂指数。 一般情况下， 级数在一定温度范围内保持不变， 它的绝 对值不超过三，可以是零或分数，也可以是负数。反应级数的实验室测定 ：根据处理实验数据的方法不同，可以分为积分法，微分法，半衰期法。 反应速率常数 K 是反应物浓度等于 1 时的反应速率 ,故称为反应的比速率。 · （） ：频率因子（常数）；：活化能，；（）；： 反应活化能表示为使反应物分子“激发”到活化能状态所需给予的能量。反应活化能 它表示为使反应物分子 “激发” 到活化状态所需给予的能量， 只有活化分子之间的碰撞才能 发生化学反应，活化能的大小是表明化学反应

4、进行难易程度的标志。非均相反应特点 ：1 参加反应的物料处于不同的相态之中，化学反应发生在不同相的相界面上，因此必 然存在物质传递问题。化学反应速率受到传质过程的制约，而化学反应的结果又改变了物料的浓度分 布，从而反过来又对传质过程产生影响2 化学反应速率受到温度的影响，而反应的热效应又改变了反应区域的温度分布，彼此交替作用，使得化学反应过程和传热过程紧密地结合在一起。同时传热和传 质过程也是伴生的，这就使得非均相反应比均相反应要复杂得多 3 非均相反应的种类很多，工业生产 中常见的有气固催化反应，气固非催化反应，还有气液反应，液固反应，和液液反应等。 在硅酸盐工业中大量出现的主要的非均相反应

5、是气固反应 4 气固反应一般需要经过经历五个步骤， 假设以气相反应物 A（g）和固相反应物 B（s）的化学反应为例，生成的产物为气相产物F（ g）和固相产物 S（s） 即： A（g）+ B（s）= F（g）+S（s）非均相反应步骤包括 ：1A（g）由气相主体向固体颗粒 B（s）2 A （ g）在产物 S（s） 相内的扩散 3在相 界面上 A（g）与 B（s）的化学反应 4 产物 F（ g）在产物 S（s） 相内的扩散 5 产物 F（g）由固体颗粒表 面向气体主体传递。实际情况不一定都包括五步，例如无气态产物生成时就不考虑第（4）和第（ 5）步骤。无固态产物生成时尚不必考虑第（2）和第（ 4）步

6、骤。研究非均相反应方法： 1、非均相反应过程的拟均相化， 即把非均相反应过程当作均相反应过程来处理， 常采用两种处理方法：（ 1）效率因子法：以化学动力学为基础，将传递过程的影响通过效率因子作修 正（ 2）表观动力学法：将化学反应规律和传递过程归并在一起，求取反应的总结果。2、控制环节的 方法：若某一步骤的阻力比其他不走的阻力大得多，化学反应速率就基本由这一步确定，未反应速率 的控制环节。燃烧反应步骤 1 氧扩散到燃料的表面 2扩散的氧被燃料表面所吸附 3被吸附的氧与固体反应生成被吸附 的产物 4 产物自表面解吸 5 被解吸的产物姿表面扩散开去 烧结 是由于加热使粉末体颗粒相互粘结， 经过迁移

7、扩散导致物体致密化的过程， 烧结发生在单纯的固体 物料之间，称为固相烧结，而由液相参与的烧结称为液相烧结流动传质 指在表面张力作用下由于变形，流动引起传质扩散传质 ：质点（或空位）在浓度梯度推动下传递物质，称为扩散传质烧结三阶段 ，最初阶段（烧结初期），中间阶段（烧结中期），最后阶段（烧结后期）。烧结初期主要 是由于颗粒的粘附作用引起颗粒间的键合和重排过程， 空隙变形和缩小， 但颗粒间仍以点接触为主， 总 表面积没有缩小，烧结中期包含着“颈部”互相连接，直到形成封闭的孔隙，烧结后期则可能最终排除 封闭的孔隙，得到致密的烧结体。反应装置类型 ：一、按物料流动形态分类 1 平推流反应器（ PFR）

8、 2全混流反应器（ CSTR ）（ CMR ）3 多级组合反应器 4 扩散流反应器。 二，按气固两相接触方式分类 1 固定床反应器 2 移动床反应器 3 流化 床反应器 4喷腾床反应器。三、按结构特征分类 1 立窑：窑体呈垂直竖立的圆桶状 2隧道窑：窑体呈长 方形，水平放置，由窑墙，窑顶和窑车围成码烧坯体的窑内空间，如同隧道，故得此名称。 3 回转窑： 窑体是一个倾斜放置的回转式圆筒。 4 池窑：窑体是一个水平放置的砖砌方形结构，窑内熔制玻璃料的 部分如同长方形的浴池 5 倒焰窑： 窑体是砖砌的方形或圆形构造物， 窑内底座分布若干吸火孔， 使烟气 经此孔和烟窗排放。物料的流动： 分为理想流动和

9、非理想流动， 平推流和全混流是两种典型的理想流动模型， 而偏离这两种 模型的流动都称为非理想流动。流动模型：平推流模型、全混流模型、扩散模型平推流 是指物料在反应器内沿流动方向起头并进地向前流动， 如同活塞在汽缸里朝前移动一样。 它的特 点是，垂直于物料流动方向上的任何截面上，所有的物系参数（如浓度和温度等）都是均匀的，即同一 个截面上各处的温度，压力，浓度和流速都分别相等，因而物料颗粒在反应器中的停留时间都相等，并 且等于全部物料通过反应器所需要的时间，沿流动方向上的物料彼此完全不混合。全混流 是指刚进入反应器的物料颗粒与已经存留在器内的物料颗粒能在瞬间达到完全混合的一种模型。 特点：整个反

10、应器内各处的物理性质都是均匀一致的且和出口处的物料性质相同， 换言之反应器中各处 温度和浓度都相同， 且分别等于出口的物料温度和浓度。 但是物料颗粒在反应器内的停留时间却长短不 齐，形成一个停留时间分布扩散模型 即在平推流流动中叠加一个涡流扩散项，用一个轴向有效扩散系数De 来表示一维的返混，并且作如下简化假设。 1与流体流动方向垂直的每个截面上具有均匀的径向浓度 2 在每个截面上和沿流体 流动方向，流体速度和扩散系数均为一恒定值 3 物料浓度为流动距离的连续函数返混 ：进入连续操作反应器中的物料颗粒在器内的停留时间长短不一， 不同停留时间颗粒的混合称返混。 返混 主要是指时间概念上的逆向混合

11、， 它与一般的搅拌混合是不同的两个概念。 通常把包含层流引起的 不均匀流动在内的返混现象称为广义的返混，而把不包含这种层流流动在内的返混称为狭义的返混 停留时间： 物料从进入反应器时起到离开反应器时止所经历的时间停留时间分布 对除平推流以外的各种连续式操作反应器， 由于存在返混， 同时进入反应器的物料颗粒在 器内的停留时间有长有短，形成一种分布，称为停留时间分布。停留时间分布测定： 阶跃示踪法（）和脉冲示踪法（）停留时间分布函数， 停留时间密度函数 ：物料在反应器中的停留时间分布是一个随机过程， 为了进行定 量描述，根据概率统计理论采用两种概率分布， 即停留时间分布函数 （）和停留时间密度函数

12、 （） 年令 是指存留在反应器内的颗粒从进入反应器到所考虑的瞬间为止已经停留的时间长短， 是针对仍然留 在反应器内的颗粒而言的寿命 是指物料颗粒从进入反应器到离开反应器止的这一段时间， 即颗粒在反应器内总共停留的时间， 是 针对已经离开反应器的物料颗粒而言的。平均停留时间 是指全部物料在反应器内的停留时间 固定床反应器 凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器。固定反应 器，他的反应速度较快，用较少量的催化剂和较小的反应器容积便可获得较大的的生产能力。描述固化床反 应器的数学模型很多，根据反应动力学可分为非均相和拟均相两类。按照流体流动的温度分布状况，又有一 维

13、模型和二维模型之分。固定床反应器有绝热式和连结式两种类型。流动过程 ：（一）固定颗粒的相当直径和床层空隙率；与颗粒外表面积、体积、比表面积相等的圆球直径 来表示颗粒的相当直径 空隙率： 固定床层中颗粒之间的空隙（自由体积）与整个床层体积之比称为空 隙率 =（床层的体积 颗粒占的体积 ）/床层的体积空隙率主要决定于颗粒的形状系数 和填充方法， 越小， 越大。当颗粒的粒度分布愈不均匀，所形成的床层空隙率就越小；颗粒表面越光滑，空 隙率就越小。（二） 流动特性 ：流体在床层中的孔道内流动时，由于孔道的不均匀性及孔道特性的改变，流体漩涡运动 的范围受到床层空间的限制，从而不断改变漩涡方向，在固定床层内

14、流动的流体的漩涡数目较之与床层直 径相等的空管中流动时要多得多。另一方面，在固定床层中存在部分死角，死角中的流体处于静止状态， 即使是流动中的流体，由于孔道截面积不同，有可能某一部分孔道内流体流动得快，而另一部分流动的慢。 由于这些因素，是的固定床中流体的流动状态由层流转入湍流时是一个逐渐过渡过程，二者之间存在着一 个不稳区，一部分区域的流体可能处于层流状态，另一区域则处于湍流。床层压降 ：一是流体与颗粒表面之间的摩擦层流；二是流体流动过程中颗粒间孔道截面积突然扩大和收 缩及流体对颗粒的撞击和流体的再分布高流速及薄层床中传热过程 ：固定床反应器床层的传热性能情况对于床层内的温度分布，以及生成产

15、物的速度和组成情况都有 决定性的意义。固定床的传热实质上包括了颗粒内传热、颗粒与流体间的传热以及床层与器壁的传热等。研 究固定窗的传热问题通常两种处理方法： （）分别测定床层的有效导热系数 和壁传热系数 （） 将和 合并测定整个固定床对壁的传热系数 。（一）颗粒与流体间的传热系数（二）固定床的 有效导热系数 （三）固定床壁的传热系数 及壁传热系数传质过程： （一）颗粒与流体间的传质 （ ） （）；、传质系 数，催化颗粒比表面积（二）固定床中液体的混合扩散：当液体流经固定床时，不断发生着分 散与汇合，这就形成了一定程度上的径向与轴向混合扩散（ ） 等温反应 当反应热效应不大，管径较细，管外用传热

16、良好的恒温流体连续控 温时，反应管内各处可近似地看 作等温，通常所谓的等温反应器就是指这种情况流化床反应器 是应用流化态技术建立的一种气固相或液固相反应装置， 即通过气体 （或液体） 的流动使 固体颗粒象流体一样流过反应器并完成化学反应过程流态化现象 是指固体颗粒依靠气体或液体而像流体一样流动的现象 流化床的结构： 流化床的基本结构包括：床层、气体分布器、内部构件和颗粒回收系统等四个部分。流化床的特点 1 固体颗粒悬浮在气体介质中， 气固两相接触面积较大、 有利于加快传热、 传质和化学反 应过程的速率 2 固体颗粒和其他介质之间存在强烈的相对运动，气固两相界面的传热和传质系数较大， 提高了反应

17、过程速率 3 固体颗粒处于强烈搅动状态， 床内温度容易维持均匀 4 固体颗粒可以方便地往返 输送，可以把物料的输送和化学反应过程合并在同一个反应装置内进行 流化床反应器缺点 1 气体流动状况容易产生不均匀的现象， 尤其是当较大气泡流过床层和出现沟流、 死 床以及节涌等不正常情况时，造成气固两相接触不良，故对流化床的结构设计和操作管理要求较高 2 固体颗粒接近于全混流运动， 停留时间不一， 也引起气体的部分返混， 影响了产品质量的均一性和反应 过程的转化率 3 固体颗粒容易相互撞击而破碎， 需要配备相应的颗粒回收系统和收尘装置， 此外， 固体 颗粒的撞击也会严重磨损反应器壁。流化床的传质传热（一

18、）颗粒与流体间的传热与传质 （）传热过程的特点及传热系数：流化床采用 气体与颗粒间的相对流速， 而流化床中的相对流速不大所以传热系数不高， 但是流化床中颗粒表面积大， 即旗鼓接触面积大，颗粒的循环速度高，颗粒需混合均匀，床层中颗粒热容远比气体高，这些都是流化 床中颗粒与流体间的传热系数不高但传热速率很高的原因，也是传热过程中的重要特点。（） 颗粒与流体间的传质 ：传质系数 是一个重要参数，根据传质速率的大小，可以判断过程的控制步骤（二）气泡相与乳化相间的传质 ：在流化床反应器中， 气泡相与乳化相间的 气体交换直接影响着乳化 相中颗粒表面上的气固反应过程， 相间传质速度与表面反应速度的快慢对于合

19、理选择床型和操作参数有 重要意义。流化床中的气固流动： 一、 流化床的流体力学 （一）流化床的压降 与临界流化速度 mf ， 临界流化速度 mf 又称最小流化速度是固定床阶段转变为流化床阶段的转折临界点 （二）流化床带出速度 与操作速度 ， 当气体流速增大到能使颗粒被气流带走时的速度成为带出 速度（或终端速度 ） 流化床实际采用的 与 mf 之比称流化数。一般 mf ，也有高达几十甚至几百的。 （三）床层的膨胀在气流速度增大时床层将发生膨胀现象，以膨胀比 来定量描述 。 二、鼓泡床理论（一） 气泡相与乳化相一般流化床反应器中都是少部分 气体流动于固体颗粒之间， 而大部分气体则以气泡的形式通过床

20、层的， 因此人们常把气泡与气泡以外的 密相床分别称作气泡相与乳化相。 （二）气泡结构与运动（三）乳化相中颗粒与气体的运动（）床层 中颗粒的流动：在浅床层中，颗粒在床中心下降，在外围上升，而且相当对称稳定，在一般床层中，颗 粒在中心处上升，在靠四周壁面处下降（）乳相中气体的流动：流化床存在四类区域，气泡区，泡晕 区，上流区和回流区。回转式反应器的气固运动： （一） 物料运动的特点： 当筒回转时，物料颗粒靠着摩擦力被筒壁带起， 带到一定高度即物料层表面与水平表面形成角度刚好大于物料的休止角时， 物料颗粒在重力作用下沿料 层表面滑落下来， 由于筒体倾斜， 所以物料不会落向原点而是向筒的低端移动了一个

21、距离， 如此往复前 进。（二）气体流动过程：气体可以是和物料作用方向相同的流动（顺流）也可以是和物料作用方向相 反的流动（逆流）。回转窑内的气流主要是燃料燃烧产生的烟气，从燃烧室这一段来看可以认为是受限 轴对称射流，由于一次空气流速高，二次空气流速低，其流型与流入制止环境的同轴射流类似：通道的 突然扩大引起在限制射流流通道的圆通到的角落处产生回流区。 回转时反应器的传热与传质：一、传热过程（一） 传热分析物料表面同气体：对流、辐射；物料：辐射；物料内部：导热；物料和窑壁：导热。（二）总有效传热系数 筒壁沿转动方向的温 度变化； . 、筒壁分别与气体及物料接触时的温度变化；、求总有效传热系数；、求蓄热因子最 大值；、结果讨论 二、质量传递过程： 回转窑中的质量传递是伴随着固体物质的分解、 固相反应和有液相存在下的固相反 应而进行的。