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多孔介质的传热传质研究与化工、材料、能源、交通、环境、农业、建筑、地矿、机械、农药、食品等领域的科学与技术发展密切相关,是近20年国际学术界前沿研究课题之一。但将物理化学效应和多孔介质体系传输现象同时考虑的报道很少。
本文以守恒定律为理论基础,以连续介质观点为依托,研究了传质-多相化学反应共同作用时,颗粒填充床体系内的传递特性和反应规律。
文中分别在第二类和第三类两种边界条件下,对发生单一气体气固反应的多颗粒固定床体系,建立传质-多相化学反应数学模型。并应用有效容积法对模型离散求解,得到控制方程的矩阵形式。通过控制主要参数值,分析了不同机制、不同条件下颗粒物料床层体系内的质量传递规律和反应特性的变化规律。研究表明,当颗粒物料床层内的气固反应由外扩散控制时,反应气体的浓度分布很快达到稳定,而当在化学反应控制机制下,除非固体物料转化终了,否则浓度分布不可能达到稳定。
比较这两种边界条件下得到的计算结果,可知:当改变时间、化学反应速度和传质速度等重要参数时,两种边界条件下反应器内气体浓度的变化规律定性上基本一致。但在第三类边界条件下,对流速度较快、化学反应速率较慢时,反应器出口边界附近易出现反应气体浓度突然下降的现象;对流速度较慢而化学反应速率较快的条件下,反应器下游易出现气体回流的现象。而在第二类边界条件下则无此种边界层现象。
对于发生多组分气体气-固反应的多颗粒固定床体系,本文在考虑反应器与大气界面层(反应器边界层)阻力对传质影响的条件下,建立了反应气体和产物气体的传质-多相化学反应数学模型。解析求出CA*(-x,-t)和C*C(-x,-t)的函数形式,并讨论了不同条件下的反应器特性。
研究结果对反应器的设计与运行,以及实际操作中工艺参数的设定与优化有一定的理论参考价值。