固相催化反应器教学课件PPT.ppt

一、固相催化反应器的发展背景及催化剂工业 的发展方向 二、固相催化反应与固体催化剂 三、固相催化反应过程 四、固相催化反应器的设计与操作,主要内容,一、固相催化反应器的发展背景,20世纪以来，化学工业的品种和规模的巨大增长无不借助催化剂，从世纪初合成氨的工业化、50年代以后石油化学工业和高分子工业的兴起、乃至60年代以后解决环境保护问题都和使用催化剂有关，现代化的化工和石油加工过程约90%是催化过程。,催化剂工业的发展方向,更新原料路线，采用更廉价的原料（资源有效利用） 缓和工艺操作条件，达到节能降耗的目的（节能） 开发新产品，提高产品的收率，改善产品的质量（开发新产品） 消除环境污染（环境保护）,化学反应的分类 无论是自然界还是实际生产过程中，存在各种各样的化学反应，通常为了便于研究和应用，将化学反应进行分类。下表中给出了常见的化学反应分类、方法和种类，一些可能同时属于两个或者更多的反应种类。,催化反应体系的分类,按催化反应体系物相的均一性分类 1.均相催化 所有反应物和催化剂分子分散在一个相中。 2.多相催化 催化剂与反应物处于不同的相，催化剂与反应物有相界面将其隔开。 3.酶催化 兼有均相催化和多相催化的一些特性。,多相催化的相组合,二、固相催化反应与固体催化剂 （一）催化反应的特征及其在环境工程中的应用,催 化 剂： 催化剂是一种物质，它能加速反应的速率而不改变该反应的标准gibbs自由焓变化。 催化反应：涉及催化剂的反应称催化反应。均相催化反应、非均相催化反应 应 用：有机废气的催化氧化处理(pt，mn-cu，mn-fe)； 低浓度废水、污染地下水的高级氧化处理(tio2)； 高浓度有机废水的催化湿式氧化； 硝酸根废水、硝酸盐污染地下水的催化还原处理(fe)。,工业上常用的催化剂的形式,有机废气净化催化剂,油田气蒸汽转化制氢催化剂,炼厂气加氢脱硫催化剂,镍催化剂,催化剂本身在反应前后不发生变化，催化剂能够反复利用，所以一般情况下催化剂的用量很少。 催化剂只能改变反应的历程和反应速率，不能改变反应的产物。 对于可逆反应，催化剂不改变反应的平衡状态，即不改变化学平衡关系。 催化剂对反应有较好的选择性，一种催化剂一般只能催化特定的一个或一类反应。,催化反应的基本特征：,(1)活性物质：催化剂中真正起催化作用的组分，它常被分散固定在多孔物质的表面。（金属、金属氧化物） (2)载体（担体）：载体常常是多孔性物质，主要作用是提供大的表面和微孔，使催化活性物质附着在外部及内部表面。 (3)促进剂：改善催化剂活性（氨催化合成铁催化剂 ca o） (4)抑制剂：抑制催化剂活性，增强稳定性（银催化剂中加入卤化物控制乙烯的完全氧化）,（二）固体催化剂 1. 固体催化剂的组成 活性物质、载体、助催化剂、抑制剂,(1)比表面积(as) (specific surface area) 单位质量催化剂具有的表面积,以as表示。 大多数固体催化剂的比表面积在51000m2/g之间。 (2)孔体积(vg)和孔隙率( p) 每克催化剂内部微孔所占的体积。 孔隙率是固体催化剂颗粒孔容积占总体积的分率。 (3)固体密度( s )和颗粒密度( p ) ： 固体密度( s ) ：指催化剂固体物质本身的密度。 颗粒密度( p ) ：指单位体积固体催化剂颗粒（包括孔体积）的质量。,2.固体催化剂的物理性状,(4)微孔的结构与孔体积分布 (5)颗粒堆积密度( b ) 固体催化剂填充层的密度（质量与填充层体积之比） (6)填充层空隙率(b) 固体催化剂填充层内空隙体积与总体积之比。,三、固相催化反应过程,固相催化反应的发生场所：,反应物的外扩散；反应物的内扩散；反应物的吸附； 表面反应；产物的脱附；产物的内扩散；产物的外扩散,流体主体,边界层,扩散过程 动力学过程 (表面过程),催化剂的表面（外、内表面）,操作方式：固定床催化反应器多用于气-固催化反应，其一般操作方式是气体从上而下通过床层。 应 用：石油化工、有机化工、废水/废气的催化处理。 特 点：催化反应大多数都伴随着热效应，反应器的温度控制是反应器操作的关键。 反应器类型：热交换方式可分为绝热式反应器、换热式反应器、自热式反应器等。,四、固相催化反应器的设计与操作 （一）固定床催化反应器,实验室专用小型固定床为管式反应器的形式，适用于气固相催化反应，催化剂评价与工艺条件选择以及宏观动力学实验，主要用于加氢、脱氢、烃化、芳构化、氨化等有机催化反应的研究和教学实验。,生物质流化床催化气化制氢装置,该装置主要包括空气压缩机、蒸汽发生器、流化床、固定床催化反应器。该流化床的处理能力为1kg/h左右，目前实验最高氢产率可达到130.28 g h2/kg biomass (松木锯末)。目前该装置主要用于生物质快速热解液化制取生物质热解油的研究。,催化剂床层,固定床用催化剂,要求： 催化剂的强度、粒度范围较大 形状不一的粒状催化剂易造成气流分布不均 颗粒尺寸过小会加大气流阻力，且成型困难,对已知原料组成和要实现的转化率,计算求出反应器的体积、催化剂的需要量、床层高度以及有关的工艺参数等。,设计简化模型： 一维拟均相理想模型（最简单的模型）的基本假设： 流体在反应器内径向温度、浓度均一，仅沿轴向变化，流体流动相当于推流式反应器。 流体与催化剂在同一截面处的温度、反应物浓度相同,固定床反应器设计的主要任务：,1.等温反应器的设计,反应速率方程,根据设计方程可求出m、继而可求出床层高度,物料衡算式的推导,对于厚度为dl的床层微体积单元,a的进入量： qna a的流出量： qnadqna a的反应量： a的积累量：0,物料衡算式 反应速率方程(温度、转化率),2.非等温固定床催化反应器的设计,（二）流化床反应器的设计与操作,颗粒的流化及流化态的各种形式,结构简单 传热效能高，床层温度均匀 气固相间传质速率较高 催化剂粒子小，效能高 有助于催化剂循环再生 催化剂和设备磨损大 气流不均时气固相接触效率降低 返混大，影响产品质量均一性,石油催化裂化 丙烯-氨氧化制丙烯腈 萘氧化制邻苯二甲酸酐 煤燃烧与转化 金属提取和加工,流化床反应器的特点,流化床反应器的重要应用,流化床反应器：催化剂颗粒处于流态化状态的反应器,1.固体粒子的流化态与流化床反应器,流化床的主要优点： 热能效率高，床内温度易于维持均匀； 传质效率高； 颗粒一般较小，可以消除内扩散的影响； 反应器的结构简单。 流化床的主要不足： 能量消耗大； 颗粒间的磨损和带出造成催化剂的损耗； 气固反应的流动状态不均匀，会降低气固接触面积； 颗粒的流动基本上时全混流，同时造成流体的返混，影响反应速率。,催化剂颗粒,反应气,流化床用催化剂,要求: 催化剂必须有良好的流动性能 微球颗粒直径为20-150m,2.流化床的设计,流化床反应器的设计模型 物料平衡式 热量平衡式 流体力学方程 动力学方程,建立数学模型的目的是要定量地分析影响流化床性能的各个参数之间的数学关系，解决反应器放大和控制以及相关的最优化问题。 模型的类别 （1）简单均相模型,全混流模型,活塞流模型,（2）两相模型,气泡相（活塞流） 乳化相（活塞流）,气泡相（活塞流） 乳化相（全混流）,（3）三相模型,气泡相上流相（气+固） 下流相（气+固）,气泡相 气泡云乳化相,其它还有气泡模型、四区模型等，有些模型还考虑了分布器和自由空间等的影响。,流化床的数学模型,以上各种模型，大多数以气泡直径作为模型参数，根据气泡直径是否可变分为以下几种情况： （1）各参数为常数，不随床高变化，也与气泡状况无关； （2）各参数为常数，不随床高变化，用一恒定不变的当量气泡直径作为模型的可调参数。 （3）各参数与气泡大小有关，气泡大小随床高变化。 迄今为止，已提出很多流化床数学模型，也有一些应用的实例与实际情况比较符合，但尚无一个被公认为可普遍使用的数学模型。,推流式反应器,又称活