1、第五章第五章 气固相催化反应工程气固相催化反应工程 5-15-1气固相催化反应器的基本类型气固相催化反应器的基本类型：固定床固定床（绝热式、连续换热式）；（绝热式、连续换热式）；流化床流化床 固定床连续换热式固定床连续换热式：反应、换热同时进行：反应、换热同时进行 化）侧型烧咀（烃类蒸气转外热管式：顶部烧咀；中小型氨合成）三套管并流冷管式：（合成等的甲醇合成、环氧乙烷外冷列管式：反应热大)固定床绝热式固定床绝热式：应、换热间隔进行。段。径向；轴径向。反多段：二段，三段，四线。平衡曲线，最大温度曲，耐热；，起始活性，甲烷化）；，加氢；中低度；可逆放热反应（单段：绝热温升较小，入口入口cgcgOO
2、ttttCOCOMCCO,2)(,)(:2变换，过热水蒸气冷激非原料气冷激式甲醇合成大型装置氨原料气冷激式冷激式：催化重整、乙苯脱氢中间加热（吸热反应）氧化）：（中间冷却（放热反应）间接换热式CO、SO 5-35-3催化反应器的数学模型：催化反应器的数学模型：非理想流动模型。动模型；据流动状况分：理想流型；二维模型。据床温分布分：一维模。活性校正系数化学动力学控制拟均相影响）；（传递过程对反应速率相据反应动力学分：非均数学模型分类方法 数学模型分类情况：数学模型分类情况：以最基础的一维、拟均相、平推流模型为基础，按以最基础的一维、拟均相、平推流模型为基础，按各类反应器实际情况，计入轴向返混、径
3、向温差和浓各类反应器实际情况，计入轴向返混、径向温差和浓差、相间及颗粒内部的传质和传热，差、相间及颗粒内部的传质和传热，List5-1List5-1。处理具体问题时，应针对具体反应过程及反应器的处理具体问题时，应针对具体反应过程及反应器的特点进行分析，选用合适的模型。特点进行分析，选用合适的模型。5-4 5-4 固定床的物理特性：固定床的物理特性：一、非中空固体颗粒的相当直径与形状系数：一、非中空固体颗粒的相当直径与形状系数：*颗粒的相当直径：颗粒的相当直径：等体积圆球的直径：等体积圆球的直径：等外表面积圆球的直径：等外表面积圆球的直径：（固定床传热、传质中）（固定床传热、传质中）31PP)6
4、V(dPPSD等比表面积圆球的直径：等比表面积圆球的直径：形状系数：形状系数：ppvPPvsVSSSVsd;66,PSSS);65(,6p5.1ppspsSVddD)75(,)(2ppsDd 二、混合颗粒的平均直径及形状系数：二、混合颗粒的平均直径及形状系数：*算术平均直径：算术平均直径：*调和平均直径：调和平均直径：);85(,d1pniiidx);95(,11niiipdxd 三、固定床的当量直径：三、固定床的当量直径：psseHeddSRd)1(32)1(3244)105()1(6)1(sppedVSS水水力力半半径径：HReHRS总总润润湿湿面面积积床床层层空空隙隙体体积积润润湿湿周周
5、边边有有效效截截面面积积 四、固定床的空隙率及径向流速分布：四、固定床的空隙率及径向流速分布：定义定义：对床层压降、床层有效导热系数，比表面积影响大对床层压降、床层有效导热系数，比表面积影响大 的的影响因素影响因素：，整整个个床床层层体体积积颗颗粒粒间间的的自自由由体体积积空空隙隙率率)(直直径径比比充充填填方方式式，颗颗粒粒与与容容器器表表面面粗粗糙糙度度，颗颗粒粒形形状状，粒粒度度分分布布，f 空隙率与径向流速分布：空隙率与径向流速分布：:u)(rrr）（、一、流动特性：一、流动特性：孔道几何形状相差甚大，相互交联、弯曲。孔道总孔道几何形状相差甚大，相互交联、弯曲。孔道总体积并非自由体积，
6、死角处流体静止。旋涡数目多，体积并非自由体积，死角处流体静止。旋涡数目多，由滞流由滞流湍流明显，有的滞流，有的湍流。湍流明显，有的滞流，有的湍流。二、单相流体通过固定床的压降：二、单相流体通过固定床的压降：将流体在空圆管中流动时的压降公式，加以合将流体在空圆管中流动时的压降公式，加以合理修正而成。理修正而成。*公式公式:);135(,)1(20LdsufptM 修正摩擦系数：修正摩擦系数：)145(,75.1150emMRf)155(),11()11(0GdudRstsem 当当Rem10Rem1.75 1.75 当当Rem1000Rem1000（完全湍流）：（完全湍流）：1.75 1.75
7、若颗粒大小不均匀若颗粒大小不均匀;若若 不够大时，应考虑壁效应的影响。不够大时，应考虑壁效应的影响。（5-195-19）（）（5-205-20）emR150);165(,)1(15022032LdupsemR150);175(,)1(75.120Ldsuptstdd 三、影响固定床压降的因素：三、影响固定床压降的因素：1 1、两方面因素、两方面因素 2 2、G G与与L L、A A有密切关系：对一定的有密切关系：对一定的VRVR（床层体积）（床层体积）在可能范围内，在可能范围内，dtdt（床层直径）（床层直径）、相应、相应L L（床层高度）（床层高度）有利于有利于p;p;但不利于高压容器制造。
8、此时，轴但不利于高压容器制造。此时，轴向流动改为径向流动，有利于向流动改为径向流动，有利于pp。;A(LG度度的的颗颗粒粒物物性性粒粒度度、形形状状、表表面面粗粗糙糙（床床层层空空隙隙率率）床床层层截截面面积积）、（床床高高）、床床层层方方面面：（质质量量流流速速）等等物物性性，、流流体体方方面面：3 3、对压降影响十分显著：对压降影响十分显著：4 4、粒径、形状：重要影响因素。、粒径、形状：重要影响因素。当当Rem10Rem1000,Rem1000,(筛析范围相同筛析范围相同)。p,;12sdp。sdp1;ps，一、固定床中径向及轴向混合有效弥散系数：一、固定床中径向及轴向混合有效弥散系数：
9、*流体流径固定床时，因不断分散与汇合形成一流体流径固定床时，因不断分散与汇合形成一定程度的径向及轴向混合；径向比轴向更显著；当定程度的径向及轴向混合；径向比轴向更显著；当发生化学反应、与外界换热时，更甚。发生化学反应、与外界换热时，更甚。*用用pecletpeclet准数准数PePe表示径向、轴向混合有效弥散表示径向、轴向混合有效弥散系数系数DrDr、DeDe：)385(),)(ADudDudPrffsrser)385(),)(BDudDudPlffslsel 二、固定床反应器中的轴向返混：二、固定床反应器中的轴向返混：当当L100dsL100ds时，可略去轴向返混的影响；时，可略去轴向返混的
10、影响；L100dsL 绝热条件下，组分绝热条件下，组分A A完完全反应时，混合气体温度升高的数值。全反应时，混合气体温度升高的数值。绝热温升的影响因素：由（绝热温升的影响因素：由（5-65-6）知：）知：混合气体初始组成混合气体初始组成yAOyAO，则，则可能，可能，Tb2T0,Tb2T0,耐耐热（低热（低COCO交换、甲烷化，注意交换、甲烷化，注意yAOyAO要低）要低）（-HRHR）,则则可能，可能，Tb2T0,Tb2T0,耐热（热效应耐热（热效应大的反应尤要注意，如甲烷化保证大的反应尤要注意，如甲烷化保证yAOyAO不超定值）不超定值）当当yAOyAO较小（即低浓进气），或较小（即低浓进
11、气），或yAOyAO虽较大，但虽较大，但XAXA不太大时，基本符合上述简化条件；绝热操作线不太大时，基本符合上述简化条件；绝热操作线为直线，为直线，为常数，即为常数，即Tb-Tb1Tb-Tb1（XA-XA1XA-XA1）(4-75)(4-75)当反应混合物组成变化很大，不符合简化条件，当反应混合物组成变化很大，不符合简化条件，不为常数，绝热操作线为曲线；此时，段分段计不为常数，绝热操作线为曲线；此时，段分段计算，每段用简化方法。算，每段用简化方法。对多段间接换热式反应器和多段原料气冷激式反对多段间接换热式反应器和多段原料气冷激式反应器，若忽略各段出口气体组成对应器，若忽略各段出口气体组成对值的
12、影响，则各值的影响，则各段绝热操作线斜率都相同。段绝热操作线斜率都相同。5-27 5-27 强制振荡非定态周期催化反应过程强制振荡非定态周期催化反应过程：一、一、强制周期操作强制周期操作：周期性改变进料组成、进料流量、反应温度。即：周期性改变进料组成、进料流量、反应温度。即：对催化反应过程进行瞬变的动态操作，以改变反应组对催化反应过程进行瞬变的动态操作，以改变反应组分在催化剂表面上的吸附态或吸附速率，从而促进反分在催化剂表面上的吸附态或吸附速率，从而促进反应速率。应速率。二、二、流向周期变换操作流向周期变换操作：进料流向强制周期换向操作。因流向周期变换操作进料流向强制周期换向操作。因流向周期变
13、换操作具有蓄热性能具有蓄热性能对自然操作的进料浓度要求大约降低对自然操作的进料浓度要求大约降低了一个数量级，流程简化、能耗低、适应性强。了一个数量级，流程简化、能耗低、适应性强。三、三、循环流化床反应器循环流化床反应器：催化剂颗粒由于循环流动而处于非定态，但床内温催化剂颗粒由于循环流动而处于非定态，但床内温度、浓度保持定态。度、浓度保持定态。用于高温操作和部分氧化等领用于高温操作和部分氧化等领域。域。催化、吸收一体化。催化、吸收一体化。催化与吸收分离过程同时进行；改变了传统的气一催化与吸收分离过程同时进行；改变了传统的气一固相催化合成反应中的平衡限制。如溶剂甲醇过程固相催化合成反应中的平衡限制
14、。如溶剂甲醇过程（smpsmp）。）。催化、吸附一体化。催化、吸附一体化。催化与吸附分离过程同时进行；如逆流气催化与吸附分离过程同时进行；如逆流气固固固涓流床甲醇合成反应器。固涓流床甲醇合成反应器。在一个反应器内，使用一种双功能催化剂，或两在一个反应器内，使用一种双功能催化剂，或两种不同功能的催化剂，将原料气经催化合成中间产种不同功能的催化剂，将原料气经催化合成中间产品，再进一步催化合成最终产品，如一步法生产二甲品，再进一步催化合成最终产品，如一步法生产二甲醚。（固定床复合催化剂；气醚。（固定床复合催化剂；气液液固三相淤浆固三相淤浆床双功能催化剂）。床双功能催化剂）。5-31 5-31 催化一蒸馏：催化一蒸馏：5-32 5-32 膜催化：膜催化：催化转化和产品分离组合起来的过程。催化转化和产品分离组合起来的过程。5-33 5-33 超临界化学反应：超临界化学反应：利用超临界流体作为反应介质的优良特性。利用超临界流体作为反应介质的优良特性。
