1、第四章 气态污染物控制设备设计与应用【课时安排】4.1吸收设备的设计与应用 1学时4.2吸附设备的设计与应用 1学时4.3冷凝设备 1学时4.4气固催化反应器 1学时总计 4学时【掌握内容】1基本概念：气液相平衡、吸附平衡、吸附等温线2化学吸收的气液平衡3双膜理论4吸附理论吸附平衡和吸附速率5气固催化反应动力学【熟悉内容】1吸收传质速率方程2各种吸收设备3固定床吸附器的设计计算4气固相催化反应器的设计计算【教学难点】1气液相平衡2化学吸收的气液平衡3双膜理论4吸附理论吸附平衡和吸附速率5气固催化反应动力学6气态污染物的催化净化工艺【教学重点】1物理吸收和化学吸收的异同2化学吸收的气液平衡3双膜
2、理论4不同吸附过程（物理、化学）的异同点5吸附理论吸附平衡和吸附速率6气固催化反应动力学7气态污染物的催化净化工艺【教学目标】1掌握不同吸附过程（物理、化学）的异同点2常见的吸附剂及特点3吸附理论吸附平衡和吸附速率【教学内容】4.1吸收设备的设计与应用【授课时间】1学时【教学手段】课堂讲授【教学过程】一、吸收设备液体吸收过程是在塔器内进行的。为了强化吸收过程，降低设备的投资和运行费用，要求吸收设备满足以下基本要求：（1） 气液之间应有较大的接触面积和一定的接触时间；气液之间扰动强烈，吸收阻力低，吸收效率高；（2） 气流通过时的压力损失小，操作稳定；（3） 结构简单，制作维修方便，造价低廉；（4
3、） 应具有相应的抗腐蚀和防堵塞能力。所以，正确地选择吸收设备的型式是保证经济有效地分离或净化废气的关键。分类：目前，工业上常用的吸收设备的类型主要有表面吸收器、鼓泡式吸收器、喷洒吸收器三大类。在每一大类中还根据吸收器的结构，气液两相接触方式的不同再分成多种型式的吸收器。这将在每一大类吸收设备介绍中给预必要的阐述。1表面吸收器凡能使气液两相在接触表面（静止液面或流动的液膜表面）上进行吸收操作的设备均属表面吸收器。有水平液面的表面吸收器、液膜吸收器、填料吸收器和机械膜式吸收器。2鼓泡式吸收器鼓泡式吸收器中气体以气泡形式分散于液体吸收剂中。形式很多，基本上分为以下几类：连续鼓泡式吸收器、板式吸收器、
4、活动（浮动）填料吸收器（湍球塔）、液体机械搅拌吸收器。主要吸收设备有板式塔（如泡罩塔、筛板塔、浮阀塔等），湍球塔（即活动填料塔）等。3喷洒吸收器该吸收器中液体以液滴形式分散于气体中。分为三类：空心（喷嘴式）喷洒吸收器、高器速并流喷洒吸收器、机械喷洒吸收器。主要吸收设备有喷洒吸收塔、喷射吸收塔和文丘里吸收塔等。参考书P204，表9-4列出了几种主要吸收设备类型及特点。（解释）更详细的参考林肇信主编大气污染控制工程。二、吸收设备的设计（一）吸收设备的设计计算依据和步骤1设计计算依据 单位时间内所处理的气体流量； 气体的组成成分； 被吸收组分的吸收率或净化后气体的浓度； 使用何种吸收液； 吸收操作的
5、工作条件，如工作压力、操作温度等。其中多数情况下是设计者选定的，但是确定时要考虑到经济效益，取最佳条件。2设计步骤（1） 吸收剂的选择：吸收剂性能的优劣是决定吸收操作效果的关键之一。要求： 对溶质的溶解度大，以提高吸收速度并减少吸收剂的需用量；对溶质的选择性好，对溶质组分以外的其它组分的溶解度要很低或基本不吸收； 挥发性低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失； 操作温度下吸收剂应具有较低的粘度，且不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气流接触状况； 对设备腐蚀性小或无腐蚀性，尽可能无毒； 要考虑到价廉，易得，化学稳定性好，便于再生，不易燃烧等经济和安全因素。大气污染治理工程中，常见气态污染物与
6、适宜的吸收剂的组合见表9-5，书P208，结合表中内容，说明以下几点：a水是常用的吸收剂。常用于净化煤气中的CO2和废气中的SO2、HF、SiF4以及去除NH3和HCL等。优点：加压和低温下吸收，降压和升温下解吸，价廉易得，流程设备简单。缺点：净化效率低，设备庞大，动力消耗大。b碱金属钠、钾、铵或碱土金属钙、镁等的溶液，也是很有效的吸收剂。它们能与气态污染物SO2、HCL、HF、NOx等发生化学反应，因而吸收能力大大增加，净化效率高，液气比低。例如用水或碱液净化气体中的H2S时，理论值可推算出：H2S在PH=9的碱液中的溶解度为PH=7的中性水的50倍；H2S在PH=10的碱液中的溶解度为PH
7、=7的中性水的500倍。缺点：化学吸收流程长，设备较多，操作也较复杂，吸收剂价格较贵，同时由于吸收能力强，吸收剂不易再生。 （2）温度和压力：通常温度降低，压力升高，则气体溶解度增大。实际中，要考虑加压、冷却所需的费用及工艺上造成的经济效益问题。 （3）确定吸收剂的用量根据生产经验，Ls=(1.12)GB(Ls/GB)min;对于低浓度气体的吸收，L=(1.12)G(L/G)min。 （4）根据物料平衡、相平衡、传质速率方程式和反应动力学方程式确定吸收设备主要尺寸。 （5）压损的计算（二）填料塔的设计（伴有化学吸收过程）1 填料的选择作用：可为气液传质提供良好的传质条件。基本要求： 具有较大的
8、比表面积和良好的润湿性； 有较高的孔隙率（多在0.45-0.95）； 对气流的阻力较小； 填料的尺寸要适当，通常不应大于塔径的1/101/8； 耐腐蚀，机械强度大，造价低，堆积密度小，稳定性好等。 书P209，表9-6（提供）几种填料的特性数据。2 液泛气体于填料塔的压降液泛气速：是填料塔正常操作气速的上限。当空气气速超过液泛气速时，填料塔持液量迅速增加，压降急剧上升，气体夹带液沫严重，填料塔的正常操作被破坏。填料塔的压降影响动力消耗和正常操作费用。影响压降和液泛气速的因素很多，主要有填料的特性、气体和液体的流量及物理性质等。目前工程设计中应用最广泛的是埃克特（Eckert）等人提出的填料塔压
9、降、液泛和各种因素之间的关联图。见书P210，图9-12 ，填料塔泛点和压降的通用关联图。3 填料塔塔径的计算D取决于处理的气体量Q和适宜的空塔气速u0，即： （9.68）D塔径，m；Q处理气量，m3/s；u0空塔气速，m/s。Q一定时，如果空塔气速小，塔径就大，则动力消耗少，但设备投资高；如果空塔气速大，塔径就小，则动力消耗大，但设备投资少。根据生产经验： 由ut确定，u0=0.660.80 ut，其中ut为液泛速率。 有关手册中查得。 另外需注意，由上式算出的塔径应进行圆整，按照国内压力公称直径（JB115373），1m，间隔为200mm。4 最小吸收剂用量Lsmin的计算设化学反应的方程
10、式为：，作物料衡算有： （9.69） 对于快速反应与瞬间反应，可忽略不计，吸收最小用量相当于CB1=0时的吸收剂用量，即： （9.70）式中：CA1、CA2分别为气体入口与出口处溶液中组分A的摩尔浓度，Kmol/m3；CB1、CB2分别为气体入口与出口处溶液中组分B的摩尔浓度，Kmol/m3；CG1、CG2分别为气体入口与出口处气体中组分A的摩尔浓度，Kmol/m3。P211，例9.4：一逆流操作的填料塔中，用清水吸收混合气中的氨。混合气流率为300Kmol/m2h，某氨含量y1=5%，出塔净化器含量y2=0.1%（均为摩尔分率）。操作条件下气液平衡关系服从亨利定律，y=1.2x，实际液气比为
11、最小液气比的2倍，试计算清水用量和出塔氨水浓度x1。解：属于低浓度气体吸收，且气液平衡关系服从亨利定律，则：最小液气比：清水用量： 出塔氨水浓度：总评：题型较简单，要求各公式的含义必须明确。5 伴有化学反应的吸收塔塔高的计算现讨论有化学反应的气液逆流接触型吸收塔的计算，吸收塔内的浓度变化，如图9-13所示。 设在液相内进行的反应为。已知：CAL=0，气液相的摩尔流率为GL（Kmol/m2h）；L为吸收液的密度，Kmol/m3；L/L为吸收液的体积流率，m3/m2h。首先对吸收塔任意界面作塔上部的物料平衡，则得下式： （9.71）亦为塔的操作线方程。（推导过程略）塔高可按下式计算： （9.74a
12、） （9.74b）几种情况：（1）传质过程受气相阻力控制时，即PAi=0，则： （9.75）（2） 传质过程受液相阻力控制时，PAi=PA，CAi=CA*= PA/H，9.74b中CAi可根据操作线关系由CB求知，由于也用CB关联式表示，采用图解积分法对9.74b进行塔高计算。（3） 气液两相传质阻力均不可忽略（气液两相传质阻力均存在）时，关系成立，依此，以塔内不同的PA分别求出相应的PAi，再根据式9.74a计算出塔高Z。化学反应级数可按拟一级反应或近似地按瞬时反应用解析法求解塔高Z，相应计算方法如下：a 快速不可逆拟一级反应吸收（满足塔底310条件）。结合P213，相应部分讲解说明即可！4
13、.2吸附设备的设计与应用【授课时间】1学时【教学手段】课堂讲授【教学过程】一、吸附过程的工艺流程（一）工艺流程分类1、按吸附剂在吸附器中的工作状态分为：固定床、移动床（超吸附）、沸腾流化床和多床串联（包括模拟移动床）。穿床速度：气体通过床层的速度是划分反应床类型的主要依据。（1）穿床速度低于吸附剂的悬浮速度，颗粒处于静止状态，属于固定床范围；（2）穿床速度大致等于吸附剂的悬浮速度，吸附剂颗粒处于激烈的上下翻腾状态，并在一定时间内运动，属于流化床范围；（3）穿床速度远远超过吸附剂的悬浮速度，固体颗粒浮起后不再返回原来的位置而被输送走，属于输送床范围。2、按操作过程的连续与否分为：间歇式、连续式。
14、3、按吸附床再生的方法分：升温解吸循环再生（变温吸附）、减压循环再生（变压吸附）、溶剂置换再生等。（二）常见的几种吸附流程1、固定床吸附流程（见图10-4）优点：设备结构简单，吸附剂磨损小；缺点：间歇操作，操作必须周期性地变换，因而操作复杂，劳动强度高；设备庞大，生产强度低；吸附剂导热性差，因而升温及变温再生困难。2、移动床吸附流程（见图10-5）特点：吸附剂在下降过程中，经历了冷却、降温、吸附、增浓、汽提-再生等阶段，在同一设备内完成了吸附、脱附（再生）过程；吸附过程是连续的，多用于处理稳定、连续、大气量的废气；吸附剂在移动过程中有磨损。3、流化床吸附流程（见图10-6）二 吸附装置的设计（
15、一）常见的吸附器 （详见P257）（二）固定床吸附器的设计计算设计计算应包括确定：（1）吸附器的型式；（2）吸附剂的种类；（3）吸附剂的需要量；（4）吸附床高度；（5）吸附周期；等。以上参数的选择应从吸附平衡、吸附传质速率及压降来考虑。1、设计依据废气的流量、性质及污染物浓度，国家排放标准。2、吸附器的确定对吸附器的基本要求：具有足够的过气断面和停留时间；良好的气流分布；预先除去入口气体中污染吸附剂的杂质；能够有效的控制和调节吸附操作温度；易于更换吸附剂。3、吸附剂的选择（同：工业吸附剂应具备的条件）依据：等温吸附线（得到或测出）须满足条件：对所处理污染物选择性强； 比表面积大； 吸附容量大；
16、 具有较好机械强度、热稳定性及化学稳定性。4、吸附区高度的计算常用两种：穿透曲线法；希洛夫近似法。（1）穿透曲线（透过曲线）法（A）吸附负荷曲线在流动状态下，气相中的吸附质沿床层不同高度的浓度变化曲线，或在一定温度下吸附剂种吸附的吸附质沿床层不同高度的浓度变化曲线称为。结合补图10-1，分析一下床层内吸附质浓度在整个操作过程的变化。说明：横轴Z吸附剂床层高度；横轴X吸附剂的吸附负荷；X0吸附剂原始浓度（或反复再生过的吸附剂中残留的吸附质浓度）；Xe吸附剂达到饱和时的负荷；0床层开始吸附的时间；b达到破点的时间；e全床达到吸附平衡（饱和）的时间。（a）图：0； （b）图：=；（c）图：=+： （
17、d）图：=b：（e）图：b； （f）图：e：（B）穿透曲线（透过曲线） 在一定时间内，分析床层中流出气体的浓度，即从研究流出物浓度随时间的变化关系来达到研究吸附床层中浓度变化的情况穿透曲线（透过曲线）。（见图10-10）（C）穿透曲线法假设条件：等温吸附，等温吸附线为线型； 低浓度污染物的吸附； 传质区高度比床层高度小得多。设：吸附过程中，吸附剂及不可吸附气体(载气)不变化，气体中吸附质的无溶质基浓度用Y（即吸附质/载气）表示，吸附剂上吸附质的无溶质基浓度用X表示（即吸附质/吸附剂）表示。则一段时间后流出物总量：Wa = WeWb (kg/m2) -10.17其中：WaZ a段（传质区段）的流
18、出物量那么在吸附区内，从穿透点到吸附剂基本失去吸附能力，吸附剂所吸附污染物的质量为： -10.18定义：f 穿透点出现时，传质区内仍具有吸附能力面积的比率，可表示为： -10.19从而（1-f）为传质区内吸附剂的饱和度。f意义：f的大小反映了在到达破点时床层的饱和度。f愈大，吸附饱和的程度愈低，传质区形成所需的时间愈短。f介于01之间，一般在0.40.5左右。设吸附床的高度为Z，则传质区高度： -10.20Za的计算公式推导如下：传质区形成后在床区内向前移动一段距离等于Za（传质区高度）所需的时间a -(a) 传质区形成并移出床层所需的时间e -（b）令f为传质区形成所需的时间，则传质区移动等
19、于床层总高Z距离，所需时间为e-f，因此，传质区高度Za为 -（c）由于吸附波形成后尚有f这一部分面积未吸附，因此传质形成时间f要小于传质区移动Za距离的时间a。当f=0时，则表示吸附波形成后，传质区已达饱和，f =a；当f=1时，表示传质区里吸附剂基本上不含吸附质，f很短，0。所以可得： f=（1- f）a - (d)将（d）、（a）、（b）代入（c）有由此可见，由穿透曲线确定了Wa、We和f，便可确定Za。（D）穿透曲线的绘制： （2）希洛夫近似法间歇固定床持续时间的计算（A）希洛夫公式（希洛夫方程）假设条件：吸附速率无穷大，即吸附质进入吸附层即被吸附（传质不是在一个面上进行，传质前沿为一
20、垂直Z轴的直线，传质区高度Za为无穷小）；达到穿透时间时，吸附质进入床层的吸附质量等于该时间内吸附床的吸附量（动活性等于静活性，饱和度=1）。于是，有平衡关系式： -10.26显然，吸附床的穿透时间b与吸附床高度Z关系是通过原点的直线，如图10-12所示：1线（纠正）。而实际穿透时间要小于吸附速率无穷大时的穿透时间，其差值为0，故上式修正为：=K(Z-Z0) 或 =b -0 -10.27式中：Gs 载气通过床层的流率，kg/m2.s；b吸附床的穿透时间（保护作用时间）。Z0吸附剂中未被利用部分的长度，亦称为“死层”；0=KZ0，K为吸附层的保护作用系数， -Z关系曲线，（如图10-12所示：2
21、线）式10.26、10.27为希洛夫方程（B）用希洛夫公式进行近似计算的设计程序选定吸附剂和操作条件，如温度、压力、气体流速等。对于气体净化，空床流速一般取0.10.6m/s，可根据已给处理气量选定。根据净化要求，定出穿透点浓度，在载气速率Gs一定的情况下，选取不同的吸附剂床层高度Z1、Z2、Zn，可根据已给处理气量选定。以Z为横坐标，为纵坐标，作Z -直线，则其斜率为K，截距为0。根据生产中计划采取的脱附方法和脱附再生时间、能耗等因素确定操作周期，从而确定所要求的穿透时间。用希洛夫公式计算所需吸附剂床层高度Z。若求出Z太高，可分为n层布置或分为n个串联吸附床布置。为便于制造和操作，通常取个床
22、层高度相等，串联床数n3。由气体质量流量G（kg/s）与气流速率Gs，求床层截面积A（m2） 若A太大，可分为n个并联的小床，则每个小床的截面积 由床层截面积A或A可求出床层直径D（圆柱形床）或边长B（正方形床）。求所需吸附剂质量。核算压降p。若p值超过允许范围，可采取增大A或减小Z的办法使p值降低。设计吸附剂的支承与固定装置、气体分布装置、吸附器壳体，各连接管口及进行脱附所需的附件等。5、吸附剂用量（纠正公式） -10.28式中：A吸附床横截面积， m2。考虑到装填损失，每次新装吸附剂量为（1.051.2）理论量。6、吸附周期（出现穿透的时间） -10.297、固定床降压 采用欧根（Ergu
23、n）方程计算（经验公式） -10.30式中：P通过床层的压降，Pa； Z床层高度，m； 气体的动力粘度，Pa/s； 颗粒层孔隙率，%； 气体密度，kg/m3； u床层进口横截面积处气体平均流速，m/s； dp吸附剂颗粒直径，m.某厂产生含CCl4废气，气量Q=1000m3/h，浓度为45g/m3，一般均为白天操作，每天最多工作8h。拟采用吸附法净化，并回收CCl4，试设计需用的立式固定床吸附器。 解：CCl4为有机溶剂，沸点为76.8，微溶于水，可选用活性炭作吸附剂进行吸附，采用水蒸气置换脱附，脱附气冷凝后沉降分离回收CCl4。根据市场供应情况选用粒状活性炭作吸附剂，其直径为3mm，堆积密度s
24、=300600g/l，孔隙率=0.330.43。选定在常温常压下进行吸附，维持进入吸附床的气体在20以下，压力为101325Pa。根据经验选取空床流速u=20m/min。将穿透点浓度定为50 mg/m3。以含CCl45g/m3的气流在所指定的条件下进行动态吸附实验，测定不同床层高度下的穿透时间，得到如下实验数据：以Z横、纵，作图得一直线(见例10-3，附图)。在所作直线上取两点（0.14，200），（0.35，651）于是 0=101min（查图）据该厂生产情况，考虑每周脱附一次，床层每周吸附 6天，每天按8 h计，累计吸附时间48h。 因而床层高度为： 取Z=1.4m立式圆筒吸附床的直径为：
25、 取D=1.0m所需吸附剂量 考虑到装填损失，取损失率为10%，则每次新装填吸附剂时需活性炭545726kg。压力降查20,101.325Pa条件下空气密度=1.2kg/m3,，此时气速 此压降可以接受，不必对吸附器床厚度作调整。设计吸附器壳（三）吸附剂再生的计算（以水蒸气脱附再生法为例）（自学）1、脱附吸附质时水蒸气的消耗量；2、干燥吸附剂时空气消耗量；3、加热空气所消耗的热量。4.3冷凝设备（自学）4.4气固催化反应器【授课时间】1学时【教学手段】课堂讲授【教学过程】催化转化：是指废气通过催化剂床层的催化反应，是其中的污染物转化为无害或易于处理与回收利用物质的净化方法。优点： 对不同浓度的
26、污染物具有很高转化率； 污染物与主气流不需要分离，避免了可能产生的二次污染； 操作过程简化。缺点：催化剂较贵，且废气预热需耗一定能量，这样使净化处理的费用增加。一、催化作用概念：化学反应速度因加入某种物质而改变，而被加入物质的数量和性质，在反映终止时不变的作用称为催化作用。机理：通过加入催化剂，改变了反应历程，降低了反应物活化能，从而达到加快反应速度的目的。（此部分内容，结合曾学过的物化知识进行阐述）因为活化能的大小直接影响到反应速度的快慢，Arrhenius方程：表明反应速度是随活化能的降低而呈指数加快的。3、催化作用具有两个显著的特征：（1）催化剂能加速反应速度（正、逆）而不能使平衡移动；
27、（2）催化作用具有特殊的选择性。二、催化剂催化剂：凡能加速化学反应速度而本身的化学性质在反应前后保持不变的物质。（一）组成（1）按物质组成分：一种物质组成、几种物质组成。（2）按存在状态分：气态、液态、固态（工业上应用最广泛，最重要）。主活性组分：催化剂主体，可单独作为催化剂；助催化剂：（1）本身无活性(2)具有提高活性组分活性的作用；载体：起支撑活性组分的作用，使催化剂具有合适形状与粒度，从而有大的比表面积，增大催化剂活性，节约活性组分用量，并有传热、稀释和增强机械强度作用，可增加延长催化剂使用寿命。常用的载体材料：硅藻土、硅胶、活性炭、分子筛以及某些金属氧化物（如Al2O3、MgO等）多孔
28、性惰性材料。（二）催化剂的性能主要指：其活性、选择性和稳定性1催化剂的活性意义：衡量催化剂效能大小的标准。公式表示为：式中：A-催化剂活性， kg/(h.g)； W-产品质量， kg； t-反应时间， h； WR-催化剂质量， g。工业中，常把产品量换算为转化率X表示 2催化剂的选择性选择性是指若化学反应在热力学上有几个反应方向时，一种催化剂在一定条件下只对其中的一个反应起加速作用的特征，表示为： 活性与选择性是催化剂本身最基本的性能指标，是选择和控制反应参数的基本依据，二者均可度量催化剂加速化学反应速度的效果，但反映问题的角度不同。活性-催化剂对提高产品产量的作用；选择性-表示催化剂对提高原
29、料利用率的作用；3催化剂的稳定性（1）定义：催化剂在化学反应过程中保持活性的能力。（2）包括：热稳定性；机械稳定性：抗毒稳定性；三者决定了使用寿命（使用寿命表示了催化剂的稳定性）。（3）影响催化剂寿命的因素主要有：催化剂的老化和中毒。催化剂的老化：是指催化剂在正常工作条件逐步失去活性过程。引起失活的因素有：低熔点活性组分的流失；催化剂烧结；低温表面积炭结焦；内部杂质向表面迁移；冷热应力交替作用所造成的机械性粉碎等。须指出：温度对老化影响较大，工作温度越高老化速度越快，因此，在有催化剂参与的化学反应应在催化剂对化学反应速度发生明显加速作用的温度范围（活性温度）内选择合适的反应温度。中毒：是指反应
30、物中少量杂质使催化活性迅速下降的现象。中毒的化学本质是由于毒物比反应物对活性组分具有更强的亲和力。中毒又分为暂时性中毒：毒物与活性组分亲和力较弱，可通过水蒸气将毒物驱离催化剂表面，使其恢复活性（即催化剂再生）；永久性中毒：毒物与活性组分亲和力较强，催化剂不能再生。不同类型的反应和不同催化剂毒物不同，但对大多数催化反应来说，HCN、CO、H2S、S、AS、Hg、Pb等都是较强的毒物。因此，选择催化剂时应综合考虑到催化剂的上述几种性能在实际应用中，若选用催化净化法净化处理某一原料气，首先应了解反应物原料气中哪些是该反应所用催化剂的毒物及致毒剂量，若混有毒物，应先采用方法去除毒物，然后再进行催化净化
31、。三 气固催化反应器类型与选择（一）气固催化反应器类型工业上应用最广泛固定床反应器优点：催化剂不易磨损，使用寿命长；反应气体与催化剂接触紧密，转化率高等。 缺点：床层轴向温度不均匀。固定床反应器：（1）绝热式：a)单段式；b)多段式；c)列管式；d)径向式（2）换热式。（二）气固反应器的选择一般设计和选型应遵循如下一般原则： 根据催化剂反应热的大小及催化剂的活性温度范围，选择合适的结构类型，保证床层温度控制在许可的范围内。 床层阻力应尽可能的小，（对气态污染物的净化尤为重要）在满足温度条件下，应尽量使催化剂装填系数大，以提高设备利用率，反应器应结构简单，便于操作，且造价低廉，安全可靠。指出：采
32、用催化净化法所处理的气态污染物（废气）具有风量大，污染物含量低，反应热效小的特点。因而选用单段绝热反应器（含径向反应器）。随后要讲的NOx催化转化，汽车尾气净化均采用该种反应器。四 固定床反应器的计算（重点讲）（一）流体在反应器内的流动模型返混：反应器内流体，在连续流动状态，不同停留时间的物料在各个流动界面上难免发生混合，这种现象称为返混。不利：使反应物浓度降低，反应产物浓度升高，从而降低了过程的推动，使转化率降低。如何克服？设计上采用增大催化剂的装置来补偿返混的消极影响。气固相催化反应器属于连续式反应器（连续进、出料）。目前有两种理论模型： 活塞流反应器特点：所有粒子通过反应器的时间完全相同
33、。 理想混合反应器特点：反应其出口的物料浓度与反应器内完全相同。理论反应器计算比较简单，故成为实际反应器的理论基础，因此工程上常将某些反应器作近似处理后，再进行设计计算。如流化床反应器、连续釜反应器理想混合型；固定床反应器（尤其径高比大的）活塞流型（二）固定反应器的计算计算方法：经验法；数学模型法 经验法利用实验或工厂现有装置所得的经验参数(Vsp,t等)来设计新的反应器的一种方法。优点：计算简便，设计可靠，应用广泛；不足之处：要求设计条件与原生产工艺条件或中间试验条件尽量保持一致。空间速度：单位时间内单位体积催化剂能处理的反应混合气体的体积量，即： -11.20式中： Qn0-标况下反应气体
34、初始体积流量， m3/h VR -催化床层体积， m3 Vsp-空间速度。 h-1意义： Vsp越大，通过单位体积催化剂的混合物量越多，生产强度愈大。接触时间：反应物通过床层的时间。此时取 不合理！ -11.21若在标况下计算接触时间，即标准接触时间()则： -11.22催化体积用量： 由式、可得： -11.23催化床层高 -11.24其中 （空隙率） s,p-催化堆积密度与颗粒密度， Kg/m3 数学模型产生发展于20世纪60年代。反应动力学方程；物料流动方程；物料衡算方程；热量衡算方程四个方程联立求解，从而求出指定条件下达到规定转化率所需催化剂体积等参数值。（三）固定床压力降气流通过颗粒层
35、固定床的压力降，可用欧根等温流动阻力公式估算： -11.31其中摩擦阻力系数为 而雷诺准数为 式中：P-床层压力降，Pa；L-床高， m；-气体密度，kg/m3；u0-空床速度，m/s；-床层空隙率，%；ds-颗粒的体积表面积平均直径，m；-气体粘度，Pas。设催化剂平均颗粒体积和外表面分别为Vp和Ap，则有 床层压力降公式中，表明空隙率对床层阻力影响较大，而空隙率主要由颗粒的大小和形状所决定，因此，催化剂的颗粒度和固定床的截面积无疑是影响床层阻力的关键因素。例题讲解：固定催化器内装1m高的活性氧化铝催化剂，填充密度（堆积密度）s为960kg/m3，真密度p为3000kg/m3，床层直径D为1m，处理气量为Vg=0.236 m3/s,催化剂平均直径dp=3.910m，气体密度=1.2 kg/m3，动力粘度1.8110-5Pa.s。求气体通过床层产生的压降P。解：催化器截面积空塔气速 床层空隙率 粒子雷诺准数 摩擦阻力系数 则压降
