第八章流固相非催化反应
八章固相反应(西北工业大学-刘智恩)
1．分析固态相变的阻力。
2．分析位错促进形核的主要原因。
—3．下式表示含n 个原子的晶胚形成时所引起系统自由能的变化。
))(/3/2βαλan Es Gv bn G +-∆-=∆式中：∆Gv —— 形成单位体积晶胚时的自由能变化；γα/β —— 界面能；,Es —— 应变能；a 、b —— 系数，其数值由晶胚的形状决定。
试求晶胚为球形时，a 和b 的值。
若∆Gv ，γα/β，Es 均为常数，试导出球状晶核的形核功∆G*。
4．A1-Cu合金的亚平衡相图如图8-5所示，试指出经过固溶处理的合金在T1，T2温度时效时的脱溶顺序；并解释为什么稳定相一般不会首先形成呢。
5．x Cu＝的Al-Cu合金(见图4-9)，在550℃固熔处理后。
α相中含x Cu ＝，然后重新加热到100℃，保温一段时间后，析出的θ相遍布整个合金体积。
设θ粒子的平均间距为5 nm，计算：(1) 每立方厘米合金中大约含有多少粒子(2) 假设析出θ后，α相中的x Cu＝0，则每个θ粒子中含有多少铜原子(θ相为fcc结构，原子半径为nm){6．连续脱熔和不连续脱熔有何区别试述不连续脱熔的主要特征7．试述Al-Cu合金的脱熔系列及可能出现的脱熔相的基本特征。
为什么脱溶过程会出现过渡相时效的实质是什么8．指出调幅分解的特征，它与形核、长大脱溶方式有何不同【9．试说明脱熔相聚集长大过程中，为什么总是以小球熔解、大球增大方式长大。
10．若固态相变中新相以球状颗粒从母相中析出，设单位体积自由能的变化为108J/m2，比表面能为1J/m2，应变能忽略不计，试求表面能为体积自由能的1％时的新相颗粒直径。
！11．试述无扩散型相变有何特点。
12．若金属B熔入面心立方金属A中，试问合金有序化的成分更可能是A3B还是A2B试用20个A原子和B原子作出原子在面心立方金属(111)面上的排列图形。
13．含碳质量分数w c＝及w c＝的甲5 mm碳钢试样，都经过860℃加热淬火，试说明淬火后所得到的组织形态、精细结构及成分。
非均相化反应器.pptx
1
1 ] 0.21
s tanh 3s 3s 4.38 tanh(3 4.38) 3 4.38
第35页/共99页
A的吸附速率：vA ka pAv ka 'A (14.1.22)
表观反应速率：rs ksA ks 'P
(14.1.23)
P的脱附速率： vP kPP kP ' pPv
A P v 1
(14.1.24) (14.1.25)
第15页/共99页
第一节 固相催化反应器
1.反应物吸附过程控制
rA vA ka pAv ka 'A
（三）固相催化反应的宏观动力学 球形固体催化剂内反应物A的浓度分布
催化剂 颗粒
dr
Rr
0
流体边界层
流体中浓度 cA cA＋dcA
cAs cAb
流 体 中 浓 度
0
Rr 0 rR
第半26径页位/共置99页
第一节 固相催化反应器
1.球形催化剂的基本方程 A从r＋dr面的进入量：
dr
Rr
0
De
4π(r
第一节 固相催化反应器
(4)微孔的结构与孔体积分布 (5)颗粒堆积密度( ρb )
固体催化剂填充层的密度（质量与填充层体积之比） (6)填充层空隙率(εb)
固体催化剂填充层内空隙体积与总体积之比。
第8页/共99页
第一节 固相催化反应器
二、固相催化反应过程
固相催化反应的发生场所：
催化剂的表面（外、内表面）
第33页/共99页
第一节 固相催化反应器
【例题利用直径为0.3cm的球形硅铝催化剂进行 粗柴油的催化分解反应，该反应可以认为一级 反应，且在630℃时的本征动力学方程为－rA= 7.99×10-7pA mol/(s•cm3)。已知粗柴油的有效扩 散系De=7.82×10-4 cm2/s，试计算该催化反应的 催化剂的有效系数。
化学反应工程
1 xB
tf 0
(1
xB
)E(t)dt
将全混流的停留时间分布密度
E(t)
1
( t )
e tm 代入上式，
得
tm
1 xB
tf 0
(1
xB )
1 tm
( t )
e tm dt
1 xB
tf 0
(1
xB )
如果考虑各种阻力同时起作用，对于颗粒大小不变的反 应，总体速率为
dnA dt
1 b
dnB dt
4
RS2cAg
[
1 kG
RS (RS RC ) RC Deff
RS2 ]1 RC2 k
对于颗粒缩小的反应，可得
dnA dt
1 b
dnB dt
4
RC2
c
Ag
[
1 kG
1 ]1 k
上述讨论的球形颗粒，如颗粒为其他形状，例如平板形、 圆柱形，相应的计算式见表7-1。
t tf
1
( RC RS
)2
1 (1
xB )
二、化学反应控制
当反应过程为化学反应控制时，与颗粒大小不变时的情 况完全一样，故式（7-28）仍可适用。
t
B RS
bM BkCAg
1 1
xB
1/3
B RS
bM BkCAg
1
RC RS
当固相反应物完全反应时，RC=0， xB =1，完全反应时
对流化床反应器，有颗粒不被吹出和颗粒被吹出两种情 况。
RS，颗粒初始半径；CAg，流体主体中反应物浓度；CAS，颗粒外表面的浓度； CAC，颗 粒中心的浓度； CFS，颗粒外表面产物的浓度； CFC，颗粒中心产物的浓度。
化学反应工程期末复习资料
复习重点1. 一级连串反应AS K 1K 2P 在全混流釜式反应器中，则目的产物P 的最大浓度 =max ,P C ______、=opt τ______。
（22/1120]1)/[(+K K C A 、211K K ） 2. 一级连串反应AS K 1K 2P 在平推流反应器中，则目的产物P 的最大浓度=max ,P C _______、=opt t ______。
（)]/([21122k k k k k -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛、1212)/ln(k k k k -） 3. 一级连串反应AS K 1K 2P 在间歇式全混流反应器中，则目的产物P 的最大浓度=max ,P C _______、=opt t ______。
（)]/([21122k k k k k -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛、1212)/ln(k k k k -）4.全混流反应器的空时τ是_______与_______之比。
（反应器的有效容积、进料流体的容积流速）6.全混流反应器的放热速率G Q =______________。
（p r A C v H r V ρ0))((∆--）7.全混流反应器的移热速率r Q =______________。
（)()1(000P m P c v U A T T c v UA T ρρ+-+）9.全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为_______、_______。
（r G Q Q =、dT dQ dT dQ G r 〉）18. 对于反应级数n ＜0的反应，为降低反应器容积，应选用_______反应器为宜。
（全混流）19. 对于反应级数n ＞0的反应，为降低反应器容积，应选用_______反应器为宜。
（平推流）21.对于可逆的放热反应，使反应速率最大的反应温度=opt T _______。
（)()1(ln )(002'001012A A R A A C C E k C E k R E E χχ+---）22. 对于可逆的放热反应，达到化学反应平衡时的温度=e T _______。
化学反应工程流固相非催化反应器学习PPT教案
当
lC
0，
t
B L2
2bDeC Ag
则：
t
1 lC
2
L
又： xB
1 2 AlC B 2 AL B
1 lC L
最后：
t
x
2 B
2、圆柱体颗粒，灰层扩散控制
底半径为R，高为L，扩散、反应主要集中在侧面，上、下底可忽略。
对灰层中的A作物料衡算，在厚度为r rC r R处，取厚度为dr、
2! t m 3! t m 4! t m
即求解 x B
例4：某气固相非催化反应，固体物料置于移动炉箅上，与错流过的气体反 应物作用。已知加料组成（体积分率）为：半径为50μm的颗粒占20%， 100μm的颗粒占30%，150μm的颗粒占30%，200μm的颗粒占20%，四种 粒度的完全反应时间（min）分别为：5、10、15及20，计算停留时间为 8min及16min所达到的转化率。
R 3kG
t1 1
x B1
，
5 1
0.5
1 10min
t2 2
xB2
，t2 0.98 2
1 R1 2 R2
2
R2 R1
1
4 10 2
20min
t2 0.98 20 19.6min
⑵灰层扩散控制
t
1
31
xB
2 3
21 x，B
B R2
bCAg 6De
t1
1
31
0.5
2 3
又：
t1
1
1
0.58
1 3
0.251
1
1
t1 0.251
4
2 2 1 2 2
R1 4 2 R2 2
流固相非催化反应
2023
《流固相非催化反应》
CATALOGUE
目录
流固相非催化反应概述流固相非催化反应动力学流固相非催化反应的工程应用流固相非催化反应的影响因素流固相非催化反应的优化与控制展望未来的研究方向
流固相非催化反应概述
01
定义与特点
流固相非催化反应指的是在流动状态下，固体物质之间或固体与气体之间发生的非催化反应。
成熟阶段
03
近年来，随着纳米科技和微流控技术的发展，流固相非催化反应的研究已经进入了一个全新的阶段，各种新型的反应器和工艺流程不断涌现。
流固相非催化反应动力学
02
VS
反应速率是描述化学反应快慢的物理量，通常以单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。在流固相非催化反应中，反应速率受到多种因素的影响，如温度、压力、浓度、粒径等。
优化反应流程
通过实现绿色生产，减少对环境的污染，提高企业的竞争力。
实现绿色生产
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有机物光解
选择合适的催化剂，如金属氧化物、硫化物等，以促进有机物的光解反应。
催化剂选择
提高光能利用率，降低能耗，是实现有机物光解的重要研究方向。
光能利用效率
有机物光解
流固相非催化反应在燃料燃烧领域具有广泛的应用，如煤、石油、生物质等燃料的燃烧反应。
燃料燃烧反应
燃料燃烧反应
通过优化燃料与空气的混合比例、燃料预处理、反应温度等条件，提高燃烧效率，减少能源浪费。
燃烧效率提高
流固相非催化反应可用于控制燃料燃烧过程中的污染物排放，如硫氧化物、氮氧化物等。
污染物控制
流固相非催化反应的影响因素
04
温度
升高温度通常会促进化学反应的进行，因为这增加了分子碰撞的能量和频率，提高了反应速率。然而，过高的温度可能导致物质分解或产生其他副反应。
化学反应工程(ChemicalReactionEngineering)
§1-1化学反应工程
第一节 化学反应工程 一、化学反应工程的研究对象
化学反应工程是化学工程学科的一个重要分支，主要包括 两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计分析。
反应动力学--研究化学反应进行的机理和速率，以获得工 业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息，如反应模式、 速率方程及反应活化能等。其中速率方程可表示为：
化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学
§1-1化学反应工程
例如： so2 o2 为钒 一 气固催s化o反3 应
化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学
§1-1化学反应工程
三、反应过程的举例
化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学
§1-1化学反应工程
无论对于放热过程，还是吸热过程，催化剂与 反应物气体存在温差。 就整个反应器而言，如反应器内的浓度和温度 随位置变化，需将化学反应与传递现象综合起 来考虑。
四、化学反应工程作用
对于化学产品和加工过程的开发、反应器 的设计放大起着重要的作用。运用化学反应工程 知识可以： 提高反应器的放大倍数，减少试验和开发周期。
Chapter Ⅰ绪 论 Chapter Ⅰ绪 论 Chapter 1 Introduction
§1-1 化学反应工程 §1-2 转化率、收率和选择性 §1-3 化学反应器的类型 §1-4 反应器的操作方式 §1-5 反应器的设计与基本过程 §1-6 工业反应器的放大
化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学
高等化学反应工程_福建农林大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
高等化学反应工程_福建农林大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.效率因子法将反应特性和( )特性对表观反应速率的影响做了区分。
参考答案:传递2.传热准数的物理意义是反应器的传热能力和反应物料( )之比。
参考答案:比热容3.化学反应吸收的总传质系数不仅与气膜传质分系数和液膜传质分系数有关，还和化学反应( )因子有关。
（增强/衰弱）参考答案:增强4.某反应器的停留时间分布的无量纲方差约为0.01，则可判断此反应器中流体流动状况接近于( )理想流动模型。
（全混流/平推流）参考答案:平推流5.活化能E反映了反应速率对( )的敏感程度。
（温度/浓度）参考答案:温度6.利用实验反应器测得的动力学数据建立反应动力学模型一般要经过模型筛选、实验数据处理和( )三个步骤。
参考答案:模型的显著性检验7.催化剂颗粒内的孔区分为和粗孔。
参考答案:微孔8.当催化剂的配方确定后，影响Thiele模数数值和内部传递作用大小的主要因素是催化剂的粒度和由催化剂内部孔道结构和大小决定的。
参考答案:有效扩散系数9.通常气固相催化反应的主要温差出现在催化剂外部，而浓度差常出现在催化剂。
（内部/外部）参考答案:内部10.当催化剂的配方确定后,影响内部传递作用大小的主要因素是催化剂粒度以及由催化剂内部孔道结构和大小决定的。
参考答案:有效扩散系数11.均相反应器的特征是在反应器内存在（）种相态参考答案:一12.右图所示的是那种反应器（）【图片】参考答案:釜式反应器13.对于气固系统，热阻和温度梯度主要在催化剂外部。
参考答案:正确14.催化剂内部的传质过程、传热过程和化学反应过程之间，既不是串联过程，也不是平行过程，而是传递和反应同时发生并交互影响的过程。
参考答案:正确15.对于平行孔模型来说，颗粒有效扩散系数与颗粒孔隙率的平方成反比。
参考答案:错误16.对于换热列管式固定床反应器，采用较小的管径主要是为了( )。
参考答案:消除径向温度梯度17.在间歇反应器中进行等温二级反应A→B，当时，求反应至所需时间为( )秒。
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据(8-11)
n B
V B
(4R3)
B M C M3 C
B
B
和 dAn1dBn4 BR2dC R
dt bdt bMC dt B
＊导得：dRC dt
R2
C
bMBCA(g8-1B2)
(RR)R 1
S
C
C
kR2 R D k
GS
S
eff
联立（8-9）、（8-11）并积分：
ddA nt4Rc2[1C Ag 1]
kk G
(83)8
8-12 流体滞流膜扩散控制
特点：
①扩散面积随颗粒缩小而缩小；
②外扩散传质系数因颗粒缩小也随之改变。
＊ ＊
t
yR2
Bi S
[1(R C)2]
(83)5
2bDC M R
B Ag
S
yR2
t f
2bB Di（M C S8-36）
＊
bkC M R
B Ag
S
＊ t
R
BS
f bkC M
B Ag
(82)8 (82)9
t
1(1x)13
(83)0
t
B
Nofte：由（8-29）知：若k ,C ,R ,则 t .
Ag
S
f
强化总体速率措施：k 。
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 由8-9得，球形颗粒：
据XB定义：
x
1
(
R C
)3
B (8-1R3)
五、xB与的t关系：将(8-13)带S 入(8-16):
t b M B B C A g { 3 R k S G x B 6 R D S e 2 f f[ 1 3 ( 1 x B ) 2 3 2 ( 1 x B ) ] R k S [ 1 ( 1 ( 1 x B ) 1 3 ] } ( 82k (C
SG
Ag
C )(81) As
C ,CA:未知
AS
C
ddntA
4R 2D
C
eff
dC
( A)
d
RRC
R
(82)未反应芯半径随时 化间
dn
A
dt
4R 2kC
C
AC
(83)
8-8 宏观反应速率
二、总体速率的一般计算式：
式(8-2)中 dC 可由Ａ的扩散过程的物料衡算导得：
( A)
d
R RC
R
dC
CC
( A) （A8S-7）AC
d RRC R(1R R)
R
C
C
S
据加和法则：式（8-9）
ddA nt4RS2[1RS(RS CAgRC)RS2 ]
k D R k2k
G
eff
C
C
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：
t B { R S[ 1 (R C ) 3 ] R S 2[ 1 3 (R C ) 2 (R C ) 3 ] R S [ 1 R C ] } b M B C A g3 k G R S 6 D e ff R S R S k R S
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：
B Ag
t1(1x)23
t
B
f
(82)3
8-13 化学反应控制：
第二节 流固相非催化反应模型
8-4 收缩未反应芯模型：（缩芯模型）
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。
8-4 收缩未反应芯模型：（缩芯模型）
2、两种情况： ①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。） ②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。
第八章流固相非催化反应
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：
①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。 ②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。 ③反应器型式的多样性： ④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。 ⑤气－固相非催化反应温度高；
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： ①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）。 ②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。 ③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：
8-4 收缩未反应芯模型：（缩芯模型）
对情况①：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②：仅有a、b、c三步。
可见，当颗粒完全反应时，RC0,x故B 1,
t B (R S R 2 S R S)
f bC M 3 k 6 Dk
B Ag G
ef f
(8 1)8
8-11 化学反应控制
Ａ的浓度分布：CCC;
Ag
AS
AC
对不可逆反应， C 0
AC
＊ tBR S [1(R C)]