冶金反应工程学 课件（下）

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1、冶金反应工程学,第五章 填充床反应器,1、流一固相反应器 可以分为：固定床； 移动床； 流化床。,2、填充床： 是指有固体粒子作填充物与流体作相对运动，分为固定床和移动床。 （1）固定床：固体粒子在床层内是静止的，流体从下至上掠过床层。 （2）移动床：固体粒子缓慢移动，与流体作顺流或逆流流动。 共同特点：气流流动可以看作活塞流。,本章内容: 第一节 填充床反应器的类型及应用 第二节 填充床反应器的传输特性 第三节 移动床反应器操作特性解析,第一节 填充床反应器的类型及应用,1、类型 （1）催化反应器：多用于石化领域。 （2）非催化填充反应器，又可分为： 竖式与卧式； 绝热与换热式；或 单层与多

2、层反应器。 用途：焙烧炉、反射炉、多膛炉、鼓风炉。,2、用途 （1）鼓风炉：高炉和炼铜、炼铅、炼锌的鼓风炉； （2）反射炉：炼钢平炉，炼铜反射炉等； （3）多膛炉：炼钼领域有应用； （4）渗滤浸出：氧化铜的废矿和低品位矿的堆浸。,第二节 填充床反应器的传输特性,1、床层的传输特性 （1）粒径：dp 体积当量直径： 面积当量直径：,比表面积当量直径： 实测：平均粒径： 其中： 为级别为i的粒子所占比例。 为级别为i的粒子直径，筛分数据，两层筛孔的算术平均值。,（2）形状系数 ：非球形粒子外表面积与相同体积球形粒子表面积之比。,（3）空隙率 ：床层中自由空间体积与整个床层体积之比。 影响 的因素：

3、 越大， 越大。 形状系数： 越大， 越小。,大小均一的粒子： 在0.25950.476之间；粒子大小不一时， 大大减小。 在床层靠近壁面1-2个粒径处， 较大。 （4）床层当量直径：de de=4RH 水力学半径的定义式为： 床层比表面积： 即单位体积床层中粒子外表面积。,2、填充床的流体力学 （1）流速及流速分布： 填充床中流体的流速在径向是均匀分布的。所以流过填充床的流体可看作活塞流，或考虑适当的“返混”系数。 粒子间的流体的流动速度为： 其中：u0以空床面积为基准计算的空床流速。,（2）流体流过床层的压力损失： 一般可用厄根方程描述： 其中， 。,第三节 移动床反应器操作特性解析,移动

4、床反应器在冶金中有广泛应用，如矿石的焙烧、球团的烧结和直接还原等用的竖炉，炼铁高炉，铜和铅熔炼用的鼓风炉炉身部分等。与固定床比较，移动床内固体物料缓慢移动，可以实现连续加料排料的稳定态操作，获得高的反应效率。与流化床比较，固体物料移动缓慢，磨损和粉化率小。此外，固体物料停留时间相当均匀，操作弹性大，即使气流速度变比较大，床层的密度也可看作常数。,一、移动床反应器操作解析概述 近年来对移动床反应器研究非常活跃，主要包括以下几万面， 1、移动床反应器内的传输现象 移动床反应器内的传输现象的研究内容包括气体通过固体填充床层流动时的流速分布及其阻力计算、气体和颗粒间的传热、传质系数的估价、流体相和颗粒

5、相的有效导热系数以及它们在床层内的各自的混合现象等。,2、床层内传热过程解析 床层内传热过程模型有拟均相和二相模型两类。前者是认为流体和固体间传热速度很大，从而假定任意位置上两相温度相等来建立模型的“;后者是认为流体和固体间传热速度有限，分别就两相建立热量平衡方程“。忽略颗粒内部导热阻力及温度对物性值影响的一维模型可得到解析解，但是，考虑颗粒内部发热和导热阻力以及温度对物性值影响时，即使是一维模型，也由于基本微分方程的非线性，必须作为两端边界问题数值求解。,3、床层内颗粒移动规律 大量可视化实验表明，在移动床上部，颗粒大体上均匀向下移动，而在其下部，由于出口的缩流作用，越靠近出口，壁面附近的颗

6、粒下移速度越滞后于中心部颗粒。Gardne及高桥等分别根据塑性理论，由滑移线的力学解析得到了可以预测颗粒流动区和死区分界线的数学模型。 4、移动床反应器操作过程数学模型 在上述三方面研究基础上，已发表许多针对具体移动床反应器操作过程的数学模型，其中有认为断面均匀的一维模型和考虑断面分布的二维模型等。由于多数解析是针对气固两相逆流式移动床进行的，故都是把物质流和热流两个两端边界值问题联立，借助于试差法数值求解的。,二、逆流式移动床反应器等温操作解析 1、模型假定 (1)床层内气固两相温度相同且均匀一致;(2)颗粒和气流两相在半径方向上均没有组成分布;(3)颗粒移动为活塞流。气流有混合扩散影响;(

7、4)操作在稳定态下进行。 2、基本方程的导出,设想在逆流式移动床反应器中进行反应。就床层内zz十dz微小区间，分别对两相中的反应物列物料衡算式。对于气相中的A成分有 按基本物料衡算方法，列出等式并整理得 式中u0为气流的空塔流速;Dz为A成分的轴向混合扩散系数。,对于颗粒相中的B成分有 类似的方法可得到 式中MB和GB0分别为B物质的摩尔质量和物料入口处B成分的质量通量。,式(1)和式(2)即为本模型的基本方程，其边界条件为 式中CA0，CA0-分别为气流入口的外侧和内侧A的浓度。由于基本方程是非线性的，只能数值求解。但忽略气流中的混合扩散影响时，可以解析求解。,这时，式 (1)及其边界条件简

8、化为 2、解析方法、结果及讨论 RA*的表达式依反应类型和选用的宏观动力学模型而不同，通常是CA和XB的函数。例如，对于可用未反应核模型描述的球形颗粒，发生一级可逆反应时,式中rp为颗粒半径;kgA为边界层内A的传质系数;De为产物层内的有效扩散系数;kr和K分别为化学反应速度常数和平衡常数;CAe为A的平衡浓度。 将式 (6)和式 (7)代入式 (2)和式 (4)并引入下列无因次变量:,整理后可得到 式 (10)的边界条件为: 由式(10)出发，可以解析求得逆流式移动床反应器等温操作过程的许多信息:,(1) 床层内A的浓度(或CA)和B的转化率(或XB)间的关系。式 (10)中的两式相除得:

9、 在=1和 = 1 区间积分上式得到 式 (13)可以计算，物料初始转化率为零 (=l)和限定出口气体浓度(1)情况下，床层内A成分浓度(1或CA)和B的转化率 (或XB)间的关系。,(2) 床层内B的转化率分布，所需床层高度和入口气流中A浓度的确定 将式 (13)代入式 (10)的第二式得到 将式 (14)分离变量，并在=0及=1范围积分 令,并将左侧积分出来，整理得到 式 (16)可以计算，物料初始转化率为零 (=l)和限定出口气体浓度 (1)情况下，床层内转化率 (或XB)的轴向分布，从而可以确定核条件下，为达到一定出口较化率所需要的床层高度 ( ) ，再根据式(13)确定相应的入口气流

10、浓度(或CA0)要求。,第六章 流化床反应器,本章内容包括: 第一节 概述 第二节 流化床反应器的优缺点 第三节 流化床反应器数学模型概述,1、流态化的形成过程 固定床阶段：流速流小时，流体向上通过粒子间隙，粒子不动。 流态化阶段：流速达某一极限时，流体通过床层的压力降与重力刚好平衡，粒子悬浮起来，可自由流动像流体一样，该极限速度称为临界流化速度。,2、流化床的结构 （1）散式流化床：液固系流化床，流体与固体密度差不大，umf不大，床层膨胀均匀。 聚式流化床：气固系流化床，气速umf后出现气泡，气速愈高，气泡造成扰动愈激烈。 所谓流化大都是指聚式流化床。 （2）,（3）粒子大小： 粗粒流动床：

11、60目的粒子构成床层，uumf不多时开始流化。床层中没有气泡，只有旋涡构成的空洞。 细粒流化床：200目的粒子构成床层，床层存在大量气泡，气泡上升时相互合并，造成床层激烈波动。,（4）气泡的作用： 沸腾床：大量气泡在分布板上生成，在上升时合并，在床面上破裂。 节涌：床层直径小，高径比大时，气泡可长大至和床层直径具有相同大小，床层中一层或几层粒子被分隔开，上下运动。 3、气流输送：气流速度大于所有粒子的终端速度时，粒子就会被气流夹带，这种状态称为气流输送。,第二节 流化床反应器的优缺点,1、优点 （1）床层内温度比较均匀； （2）流动平稳，相连设备间可以自流，故操作易于连续化； （3）传热系数大

12、，对壁面或内插热交换管有较大传热系数； （4）粒子较细，内扩散阻力可以消除；高速运动，外扩散阻力可以消除，所以反应速率得以提高； （5）便于自动控制和大规模操作。,2、缺点 （1）气体以气泡的形式构成沟流，通过床层，造成气一固接触不良，要求气体转化率高时则很困难； （2）受粒子运动影响，气体与活塞偏离较大； （3）粒子在床层内是完全混和流，有停留时间分布，对产品质量均一性及提高转化不利； （4）细粒子易被夹带，要附加良好的吸尘设备； （5）内部构件易于磨损； （6）反应放热量大，粒子易烧结、结块造成堵塞。,第三节 流化床反应器数学模型概述,一、流化床数学模型 如上所述，流化床反应器内气固两相的

13、运动及其相互间的传质传热过程十分复杂，是目前国内外十分活跃的研究领域，至今尚有一些基本规律没有搞清。随着对流化床内上述现象认识的深化，已发表了许多流化床反应器的数学模型，主要有以下三种类型: 1、单相模型。 忽略床层内气泡的存在，把床层作为一个均匀分散相处理。通常是分别假定床层内颗粒和气体的流动混合状态后，来建立数学模型的。这是较简单的模型。,2、两相模型 把流态化床层看成是由颗粒浓度很低的气泡相和乳化相并联构成的，分别考虑两相内的颗粒和气体浓度及相互间的物质交换等，并假定两相内的流动混合状态的基础上来建立数学模型的。模型考虑了床层内气泡存在这个事实，较为接近实际。但是，没有考虑气泡的具体形态

14、，仅用一个抽象的交换系数来描述两相间的物质交换。该模型的三个主耍参数是并联的两相各自占据的床层断面积分数、相间物质交换系数和乳化相内的混合扩散系数。,3、鼓泡床模型 实质上是改进的两相模型，模型中考虑了床层内气泡的具体形态，试图从基本原理上预测两相间物质交换系数。Murray J. D. 等根据流体力学理论计算单个气泡周围的气体和固体颗粒的流线，发现气泡周围存在环隙边界区，称之为“泡晕“或交换区。国井等提出用有效气泡径来表示流化床的各个特性，使气泡、“泡晕“和乳化相间的气体交换得到了更具体地说明。,二、间歇式等温非催化反应流化床反应器的操作解析 1、模型假定 在推导基本方程中假定:(1)床层内

15、气流为活塞流，颗粒完全混合;(2)过程在等温非稳态下进行;(3)床层内仅进行如下的非催化气固反应。,2、基本方程式的导出及求解 取床层内任意zzdz微小区间，就气体组分A的物料衡算式为 由于颗粒处于完全混合状态，就整个床层对颗粒侧B组分的物料衡算为 式中、At和Lf分别为流化床床层空隙率、断面积和高度。,(1),将上式整理可得 式中Rf为以固体B的转化率表达的反应速度;B为固体反应物中B成分的摩尔密度。,(2),式(1)和式(2)的初始和边界条件分别为 式(1)式(3)即为本模型的基本方程。由于式中RA*计算式通常是依反应类型而异的CA和XB的复杂函数，故需要计算机求数值解。但在普通的流化床操

16、作中，满足下列条件 故式 (1)可变成下面的常微分方程:,（3）,（4）,若反应可用未反应核模型描述，则引入下列无因次量: 基木方程式可改写成无因次形式: 相应的边界条件可改为,（5）,（6）,（7）,式 (6)中第一式在上式条件下积分得 将此式代入式 (6)第二式并积分得 在式 (7)条件下再次积分得 这样，只要已知 的函数形式，则数值积分式（9），就可求得达到一定转化率所需要的操作时间。,（8）,（9）,第七章 金属和溶渣的接触方式,本章主要内容包括: 第一节 渣钢反应的动力学表达式 第二节 渣一金间的接触方式 第三节 对几种接触方式解析解的分析,第一节 渣钢反应的动力学表达式,1、一般式 其中，重要参数的计算方法为： （1） （2）,2、换算成百分比的形式 液一液相反应一般是恒容反应，所以有： 将上式转化为百分形式，即可得到实际应用时的速率式：,