第九章气-液-固三相反应工程
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《气-液反应工程》PPT课件
不同的传质模型对液相一侧的传质过程进行修正，传质 速率形式上跟双膜论相同 NA=kL（CAi－CAL），但不同传质 模型的kL定义不同，如表6－6所示。
－新鲜液体在界面上的停留时间；
－界面更新率，
9/17/2021
17
1）不同传质模型的吸收速率NA计算公式相同，其中kL的定义不 同； 2）渗透论较为精确，但数学计算复杂；双膜论数学计算简单， 结果和渗透论相近，工程计算中一般用双膜论； 3）表面更新论停留在理论阶段，因为目前S无法测定。
式中
，ρ－溶液密度，M－溶液平均分子量
对于稀溶液，M近似等于溶剂的分子量M0，可得Hi和Ei
的近似关系：
（6－7）
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9
3. Ηi、Ei和温度的关系
（6－8）
4. Ηi、Ei和压力的关系 1935年苏联学者克里契夫斯基提出如下关系式：
（6－9）
－i在溶液中的偏摩尔容积，可查文献得到。
NA′= kL（CAi－CAL）
（CAi－CAL）= -DAL（直线DE的斜率）
︱DD′的斜率︱ ＞︱ DE的斜率︱ ，则有NA＞NA’。 化学反应加强了气－液相间的传递过程。“加强”的基准是相
同条件下的物理吸收速率NA’。 化学反应在整个传递过程中的作用可以区分为多种情况。
9/17/2021
22
1. 化学反应可忽略的过程
34
2. 液相一侧吸收速率 液相一侧吸收速率NA等于A在界面上向液相方向的
扩散速率：
(6-31)
9/17/2021
35
二、一级不可逆反应
1. 液相一侧吸收速率 (1) 扩散－反应方程
rA=k1CA ， 扩散－反应方程为：
(6-32)
－新鲜液体在界面上的停留时间；
－界面更新率，
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1）不同传质模型的吸收速率NA计算公式相同，其中kL的定义不 同； 2）渗透论较为精确，但数学计算复杂；双膜论数学计算简单， 结果和渗透论相近，工程计算中一般用双膜论； 3）表面更新论停留在理论阶段，因为目前S无法测定。
式中
，ρ－溶液密度，M－溶液平均分子量
对于稀溶液，M近似等于溶剂的分子量M0，可得Hi和Ei
的近似关系：
（6－7）
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9
3. Ηi、Ei和温度的关系
（6－8）
4. Ηi、Ei和压力的关系 1935年苏联学者克里契夫斯基提出如下关系式：
（6－9）
－i在溶液中的偏摩尔容积，可查文献得到。
NA′= kL（CAi－CAL）
（CAi－CAL）= -DAL（直线DE的斜率）
︱DD′的斜率︱ ＞︱ DE的斜率︱ ，则有NA＞NA’。 化学反应加强了气－液相间的传递过程。“加强”的基准是相
同条件下的物理吸收速率NA’。 化学反应在整个传递过程中的作用可以区分为多种情况。
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1. 化学反应可忽略的过程
34
2. 液相一侧吸收速率 液相一侧吸收速率NA等于A在界面上向液相方向的
扩散速率：
(6-31)
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二、一级不可逆反应
1. 液相一侧吸收速率 (1) 扩散－反应方程
rA=k1CA ， 扩散－反应方程为：
(6-32)
《化学过程工艺学》第七章 气液固三相
8 年产6万吨料浆法磷铵国产化装置
1995年化工部科技进步一等奖
9 磷酸污水封闭循环处理技术与装置研究
1992年国家科技进步三等奖
10 磷酸污水封闭循环装置研究
1991年四川省科技进步奖
11 二水法磷酸-中和料浆浓缩法制磷铵中间试验
1986年化工部科技进步一等奖
12 中和料浆浓缩法4000吨/年粉状磷酸铵中间试验
ZL96117727.6 ZL85104948.6 ZL01107215.63 ZL200510022154.1 ZL200510021390.1 ZL200610021647.8 ZL03117215.6 ZL99117405.4 ZL02245379.2 ZL02221221.3 ZL03135410.6
氮磷钾三元复肥生产方法
梁 斌，邱礼有，江礼科
内冷式转鼓熔融喷浆造粒机
梁 斌、张全忠、罗俊国、郭志坚、 刘钟海
具有规则通道的规整催化剂
梁 斌、蒋 炜、胡俊文、张全忠
一种甲醇裂解制CO和H2反应用新型催化剂
储伟，慈志敏，徐士伟，戴晓雁
四川大学本科生课程化学工艺学
专利号
ZL02113425.1
ZL95111247.3
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（2）回转床造粒与干燥
（3）微泡气浮系统
分离液体中的悬浮物
石油、印染、电镀、皮革、造纸等污水处理
原
溶 气 水
选矿
悬 浮
水
物
颗粒产品
磷铵的回转氨化造粒机 1筒体；2管梁；3挡轮组；4驱动装置； 5托轮；6挠性胶板；7料浆洒器；8氨分布器
反应，干燥，造粒 反应，传质，传热与传动
r = (11~15)/sqrt(D)
实现
第2章 气液固反应
2 气—液—固三相反应工程气—液—固三相反应是反应工程中的一个新兴领域，具有巨大的现实及潜在的应用价值。
应用:石油加工中的加氢反应煤化工中的煤的加氢催化液化反应使用固相为催化剂的三相催化反应矿石的湿法加工过程中,固相为矿石的三相反应发酵及抗生素生产过程中的三相反应。
2.1 气—液—固三相反应的类型及宏观动力学2.1.1 气—液—固三相反应的类型2.1.1.1 按反应物系的性质分为下列类型：⑴固相是反应物或是产物的反应。
固体为催化剂而液相为反应物或产物的反应（占大多数）。
⑵液相为惰性相的气—液—固催化反应，液相作为热载体。
⑶气体为惰性相的液—固反应，空气起搅拌作用。
2.1.1.2 气—液—固反应器按床层中颗粒的运动状态分成：⑴固体处于静止的固定床⑵固体处于运动的悬浮床。
1）固定床气—液—固三相反应器反应器中固体是静止不流动的。
根据气流和液流的方向，有三种操作方式：气体和液体并流向下流动并流向上流动逆流流动在不同的流动方式下，反应器中的流体力学、传质和传热条件是不同的。
滴流床（或涓流床）反应器：液体向下流动，以一种很薄的液膜形式通过固体催化剂；气体以连续相以并流或逆流流动（通常是气流和液流并流向下流动），这种反应器对石油加工中的加氢反应特别有利。
滴流床反应器的优点：在平推流下操作，可获得较高转化率。
液固比(或液体滞留量)很小，可使均相反应的影响降至最低。
液层很薄，使总的液层阻力比其它类型的三相反应器要小。
并流操作不存在液泛问题。
压降比鼓泡反应器小。
滴流床反应器的缺点：在大型滴流床反应器中，低液速操作时液流径向分布不均匀。
如沟流、旁路，可能引起固体催化剂润湿不完全，并且引起径向温度不均匀，形成局部过热，使催化剂迅速失活并使液层过量气化。
催化剂颗粒不能太小，而大颗粒催化剂存在明显的内扩散影响，组分在液相中的扩散系数比在气体中的扩散系数低许多倍，催化剂孔隙中充满着液相，内扩散的影响比气－固相反应器更为严重。
化学反应工程第5章 固定床气-固相催化反应工程
固定床反应器优缺点
① 固定床中催化剂不易磨损； ② 床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的 反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应 器容积来获得较大的生产能力。 ③ 由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适 当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化 率，在大规模的化工生产中尤为重要。 ① 固定床中的传热较差； ② 催化剂的更换必须停产进行。
6—瓷球；
7—催化剂； 8—中心管；
颗粒固定床，欧根（Ergun）公式：
H v 2 (1 ) P f ds 3 f 150 / Rem 1.75 Rem d sv (1 )
ΔP－床层阻力,Pa H－床高,m v－空床流速,m/s μ－气体粘度,Pa•s ρ－气体密度,kg/m3 ds－颗粒体积表面积平均直径, μm ε－空床孔隙率,%
AI ：
基础模型
AII： AI +轴向返混
BII ： BI+轴向返混
AIII： AI ＋径向分布
二维模型
BIII ： BI＋径向分布
BIV ： BIII＋轴向返混
AIV： AIII ＋轴向返混
第二节 固定床流体力学
固定床中进行催化剂反应时，同时发生传热及 传质过程，后两者又与流体在床层内的流动状况密 切有关。为了研究固定床中化学反应的宏观反应过 程，进行合理的反应器结构设计，必须先讨论固定 床的传递过程，即固定床中的流体力学、传热及传 质问题。
固 定 床
L0
L
起 始 流 化
L
膨 胀 床
Lf
L
鼓 泡 床
Lf
节 涌 气 力 输 送
Lmf
流体
流体
流体
流体
气液固三相反应共42页文档
பைடு நூலகம்
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
气液固三相反应
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
•
27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
•
28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
第九章 固定床反应器
28
在非球颗粒充填的床层中，同一截面上的ε值， 除壁效应影响所及的范围外，都是均匀的。 但球形或圆柱形颗粒充填的床层，在同一横截面 上的 ε 值，除壁效应影响所及的范围外，还在一 平均值上下波动。 由于壁效应的影响，床层直径与颗粒直径之比越 大，床层空隙率的分布越均匀。 通常所说的床层空隙率指的是平均空隙率。
29
3. 固定床的当量直径de
de＝4RH
流道有效截面积 床层空隙体积 RH = = ≈ 流道润湿周边长 总的润湿面积 S e
de—当量直径，m；
ＲＨ—水力半径，m。
Se_床层比外表面积
Se (1 ) Sp 6(1 ) Vp ds
30
9.2.2固定床反应器中流体流动的特性
∑
在固定床、流化床流体力学计算中常采用调和平均直径。
26
2.床层空隙率*
• 表征床层结构的主要参数为床层空隙率。是指颗粒 间自由体积与整个床层体积之比。 B ε＝(床层自由体积)/(床层体积) 1 P • B -催化剂床层堆积密度，即单位体积催化剂床层 具有的质量，Kg/m3；堆积密度ρB＝固体的质量/床 层的体积。 • P -催化剂的表观密度，即单位体积催化剂颗粒 具有的质量，Kg/m3。颗粒密度ρp＝固体的质量/颗 粒的体积。 • 空隙率的大小会影响流体的流动(压降)、传质及传 热。
7
固定床反应器缺点*
• ①固定床中的传热较差； • ②催化剂的再生、更换均不方便， 催化剂的更换必须停产进行。 • ③不能使用细粒催化剂
8
9.1.2 固定床反应器的构型
• 固定床反应器分类* • 固定床反应器按反应中与外界有否热量交换可以 划分为两大类：绝热式和换热式。 • 绝热式:单段绝热床、多段绝热式反应器 • 换热式：对外换热式和自身换热式。
在非球颗粒充填的床层中，同一截面上的ε值， 除壁效应影响所及的范围外，都是均匀的。 但球形或圆柱形颗粒充填的床层，在同一横截面 上的 ε 值，除壁效应影响所及的范围外，还在一 平均值上下波动。 由于壁效应的影响，床层直径与颗粒直径之比越 大，床层空隙率的分布越均匀。 通常所说的床层空隙率指的是平均空隙率。
29
3. 固定床的当量直径de
de＝4RH
流道有效截面积 床层空隙体积 RH = = ≈ 流道润湿周边长 总的润湿面积 S e
de—当量直径，m；
ＲＨ—水力半径，m。
Se_床层比外表面积
Se (1 ) Sp 6(1 ) Vp ds
30
9.2.2固定床反应器中流体流动的特性
∑
在固定床、流化床流体力学计算中常采用调和平均直径。
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2.床层空隙率*
• 表征床层结构的主要参数为床层空隙率。是指颗粒 间自由体积与整个床层体积之比。 B ε＝(床层自由体积)/(床层体积) 1 P • B -催化剂床层堆积密度，即单位体积催化剂床层 具有的质量，Kg/m3；堆积密度ρB＝固体的质量/床 层的体积。 • P -催化剂的表观密度，即单位体积催化剂颗粒 具有的质量，Kg/m3。颗粒密度ρp＝固体的质量/颗 粒的体积。 • 空隙率的大小会影响流体的流动(压降)、传质及传 热。
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固定床反应器缺点*
• ①固定床中的传热较差； • ②催化剂的再生、更换均不方便， 催化剂的更换必须停产进行。 • ③不能使用细粒催化剂
8
9.1.2 固定床反应器的构型
• 固定床反应器分类* • 固定床反应器按反应中与外界有否热量交换可以 划分为两大类：绝热式和换热式。 • 绝热式:单段绝热床、多段绝热式反应器 • 换热式：对外换热式和自身换热式。
(优选)化学反应工程第九章生化反应工程基础
（优选）化学反应工 程第九章生化反应工 程基础
第1页，共37页。
9.1 概述
生化反应工程是生物化学工程的一个分支，是生物技术实现产
业化的关键之一。 生物技术是应用生物学、化学和工程学的基本原理，利用生物体
（包括微生物、动物细胞和植物细胞）或其组成部分（细胞器和酶） 来生产有用物质，或为人类提供某种服务的技术。
第23页，共37页。
一般认为符合工业生产要求的固定化生物催化剂应满足：
①选用的载体应对细胞或酶无毒性，有合适的孔径、孔率、比表 面积和几何形状，既要使细胞不泄漏或少泄漏，还要具有良好的 通透性；
②固定化方法简单，制备条件温和，尽量减少酶活损失，且应易于成型 ，使其外型能满足生化反应器要求；
③单位体积细胞或酶含量高，以增大反应器生产能力；
第26页，共37页。
多种型式的生化反应器： （１）机械搅拌型 （２）气体提升型
第27页，共37页。
（３）液体喷射环流型
（４）固定床生化反应器
（５）流化床生化反应器 （６）膜反应器
第28页，共37页。
2 生化反应器的计算
（１）间歇反应器 将式（10-1）代入间歇反应器的设计方程。由于酶反应是液相恒
第19页，共37页。
4 氧的消耗速率
氧的消耗速率亦称摄氧率（OUR），它表示单位体积培养液中 ，细胞在单位时间内消耗（或摄取）的氧量，即
描述氧消耗速率的一个重要参数是比耗氧速率 ，亦称呼吸 强度。它表示单位菌体浓度的氧消耗速率，即
对于一般微生物反应，氧消耗量=基质燃烧需氧量-细胞燃烧需氧 量-代谢产物燃烧需氧量
第7页，共37页。
2 单底物酶催化反应动力学——— 米氏方程
对于典型的单底物酶催化反应，例如 其反应机理可表示为
第1页，共37页。
9.1 概述
生化反应工程是生物化学工程的一个分支，是生物技术实现产
业化的关键之一。 生物技术是应用生物学、化学和工程学的基本原理，利用生物体
（包括微生物、动物细胞和植物细胞）或其组成部分（细胞器和酶） 来生产有用物质，或为人类提供某种服务的技术。
第23页，共37页。
一般认为符合工业生产要求的固定化生物催化剂应满足：
①选用的载体应对细胞或酶无毒性，有合适的孔径、孔率、比表 面积和几何形状，既要使细胞不泄漏或少泄漏，还要具有良好的 通透性；
②固定化方法简单，制备条件温和，尽量减少酶活损失，且应易于成型 ，使其外型能满足生化反应器要求；
③单位体积细胞或酶含量高，以增大反应器生产能力；
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多种型式的生化反应器： （１）机械搅拌型 （２）气体提升型
第27页，共37页。
（３）液体喷射环流型
（４）固定床生化反应器
（５）流化床生化反应器 （６）膜反应器
第28页，共37页。
2 生化反应器的计算
（１）间歇反应器 将式（10-1）代入间歇反应器的设计方程。由于酶反应是液相恒
第19页，共37页。
4 氧的消耗速率
氧的消耗速率亦称摄氧率（OUR），它表示单位体积培养液中 ，细胞在单位时间内消耗（或摄取）的氧量，即
描述氧消耗速率的一个重要参数是比耗氧速率 ，亦称呼吸 强度。它表示单位菌体浓度的氧消耗速率，即
对于一般微生物反应，氧消耗量=基质燃烧需氧量-细胞燃烧需氧 量-代谢产物燃烧需氧量
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2 单底物酶催化反应动力学——— 米氏方程
对于典型的单底物酶催化反应，例如 其反应机理可表示为