任务8设计固定床反应器

任务8固定床反应器设计工作任务

根据化工产品的生产条件和工艺要求进行固定床反应器的工艺设计。预备知识

固体催化剂的的基础知识。12.1固体催化剂基础知识化学催化可分为均相催化和非均相催化两大类。当催化剂与反应物处于同一相，没有相界面存在时，其催化系统为均相催化系统；当催化剂与反应物处于不同相中，催化反应在界面上进行的催化系统称为非均相催化。12.1.1催化作用与催化剂12.1.1.1催化作用的定义与基本特征（1）催化作用定义

催化剂是一种物质，它能够加速化学反应的速率而不改变该反应的标准自由焓的变化，这种作用称为催化作用。（2）催化剂的基本特征①催化剂只能加速热力学上可能进行的化学反应。②催化剂能够加速化学反应速率，但它本身并不进入化学反应的计量。③催化剂对反应具有选择性。④催化剂只能改变化学反应速率，即缩短到达平衡的时间，而不能改变平衡的位置。⑤催化剂既能同等程度的加速正反应及逆反应速率。12.1.1.2催化剂组成与功能绝大多数工业催化剂的组分：活性组分、助催化剂、载体（1）活性组分活性组分有时由一种物质组成，有时则有多种成分组成。活性组分一般为过渡金属。（2）助催化剂一些本身对某一反应没有活性或活性很小，但添加少量于催化剂之中却能使催化剂具有所预期的活性、选择性或稳定性的物质，称为助催化剂。助催化剂可分为：结构性助催化剂和电子型助催化剂。（3）载体

载体是固体催化剂所特有的组分。

负载型催化剂：将活性组分、助催化剂组分负载于载体上所得的催化剂。

作用：增大催化剂的比表面积、提高耐热性和机械强度。（4）抑制剂

在活性组分中添加添加少量的物质，便能使活性组分的催化活性适当调低，甚至在必要时大幅度地下降，称为抑制剂。12.1.1.3催化剂性能与标志（1）活性催化剂的活性是指催化剂改变反应速率的能力，即加快反应速率的程度。①比活性一般来说，催化剂的表面积越大，催化活性越高。可用单位表面积上的反应速率即比表活性来表示活性的大小。②转化率在一定条件下可以用转化率来表示催化剂的活性，转化率高活性高，转化率低活性低。③空时收率空时收率是指单位时间内单位催化剂（单位体积或单位质量）上生成目的产物的数量。（2）选择性

催化剂的选择性是指催化剂促使反应向所要求的方向进行而得到目的产物的能力。（3）使用寿命

催化剂的使用寿命是指催化剂在反应条件下具有活性的使用时间，或活性下降经再生而又恢复的累积使用时间。

催化剂寿命越长，使用价值越大。

催化剂的活性随时间变化的规律：①成熟期②稳定期③衰老期（4）机械强度和稳定性

影响催化剂机械强度的因素很多，主要有催化剂的化学组成、物理结构、制备成型方法及使用条件。

工业上对于固定床反应器主要考虑压碎强度，流化床反应器则主要考虑磨损强度。

工业催化剂还需要耐热稳定性及抗毒稳定性好。（5）其他物理性状①形状与尺寸②比表面积每克催化剂的表面积sg，单位m2/g③孔容积每克催化剂中孔隙的体积，Vg，单位mL/g。④孔径分布、平均孔径或然孔径或然孔径：在实际催化剂的孔径分布中出现概率最大的孔径值。⑤孔隙率指催化剂颗粒孔隙体积与催化剂颗粒总体积之比。⑥空隙率指催化剂床层的空隙体积与催化剂床层体积之比。⑦真密度催化剂颗粒中固体实体的密度。⑧表观密度包括催化剂颗粒中的孔隙容积时该颗粒的密度。⑨堆积密度催化剂质量与催化剂床层体积之比。12.1.2工业催化剂的制备1.沉淀法借助沉淀反应，用沉淀剂（如碱类物质）将可溶性的催化剂组分（金属盐类）转化为难溶化合物，再经分离、洗涤、干燥、焙烧、成型等工序制得成品催化剂。2.浸渍法制备步骤：①抽空载体；②载体与被浸渍溶液接触；③除去过剩的溶液；④干燥；⑤煅烧及活化。3.混合法

将几种组分用机械混合的方法制成多组分催化剂。混合的目的是促使物料间的均匀分布，提高分散度。4.熔融法

熔融法是在高温条件下进行催化剂组分的熔合，使之成为均匀的混合体、合金固溶体或氧化物固溶体。在熔融温度下金属、金属氧化物都呈流体状态，有利于它们混合均匀，促使助催化剂组分在活性组分上的分布。

制备程序：①固体的粉碎；②高温熔融或烧结；③冷却、破碎成一定的粒度；④活化。5.离子交换法

离子交换法是利用载体表面上存在着可进行交换的离子，将活性组分通过离子交换交换到载体上，然后经过适当的后处理，如洗涤、干燥、焙烧、还原，最后得到负载型金属催化剂。（三）催化剂制备新进展（1）纳米技术

主要特征是：材料的基本构成是数个纳米直径的微小粒子。（2）气相淀积技术

气相淀积是利用气态物质在一固体表面进行化学反应后在其上生成固态淀积物的过程。（3）膜催化剂

膜催化剂将化学反应与膜分离结合起来，甚至以无机膜作催化剂载体负载催化剂活性组分及助催化剂，把催化剂、反应器及分离膜构成一体化设备。（4）微乳化技术

用微乳化技术制备催化剂的关键是在微乳中形成催化剂的活性组分或载体。12.2气固相催化反应动力学基础（一）气固相催化反应速率的表示反应速率定义式：对于气固相反应，反应区域的选择有以下几种：①选用催化剂体积，速率单位为：②选用催化剂质量，速率单位为：③选用催化剂堆积体积，速率单位为：（二）气固相催化反应过程

经历以下七个步骤：①反应组分从流体主体向固体催化剂外表面传递（外扩散过程）；②反应组分从催化剂外表面向催化剂内表面传递（内扩散过程）；③反应组分在催化剂表面的活性中心吸附（吸附过程）；④在催化剂表面上进行化学反应（表面反应过程）；⑤反应产物从催化剂表面的活性中心脱附（脱附过程）；⑥反应产物从催化剂内表面向催化剂外表面传递（内扩散过程）；⑦反应产物从固体催化剂外表面向流体主体传递（外扩散过程）；

速率控制步骤：某一步骤的速率与其他各步的速率相比要慢得多，以致整个反应速率取决于这一步的速率，该步骤称为控制步骤速率。1.化学吸附速率的一般表达式活性中心;A组分在活性中心上的吸附可表示为组分A的覆盖率空位率对于吸附过程，吸附速率可表示为：脱附式：脱附速率为：吸附过程的净速率：吸附达平衡时，则满足：得吸附平衡方程为：2.朗格缪尔吸附模型（理想吸附模型）基本假设：①催化剂表面各处的吸附能力是均匀的，各吸附位具有相同的能量；②被吸附物仅形成单分子层吸附；③吸附的分子间不发生相互作用，也不影响分子的吸附作用；（1）固体吸附剂仅吸附A组分吸附式为：吸附速率：脱附速率：

且净吸附速率：吸附达平衡时：

令，称为吸附平衡常数，则有：（吸附等温方程）（2）若A组分在吸附时发生解离则吸附式为吸附速率脱附速率净吸附速率当达到平衡时则有（3）对于n个组分在同一吸附剂上被吸附时

其净速率通式为

吸附等温方程为：（三）本证动力学方程

推导步骤：①确定反应所经历的步骤；②决定控制步骤，该步骤的速率即为反应过程的速率；③由非速率控制步骤达到平衡，列出吸附等温式；④将上述平衡关系得到的等式代入控制步骤式，并用气相组分的浓度或分压表示，即得到动力学表达式。双曲线形本征动力学方程候根-瓦特森假设：①在吸附-反应-脱附三个步骤中必然存在一个控制步骤，该控制步骤的速率便是本征反应速率；②除了控制步骤外，其他步骤均处于平衡状态；③吸附和脱附过程属于理想过程，即吸附和脱附过程可用朗格缪尔模型加以描述。12.3.1固定床反应器内流体的流动12.3.1.1催化剂颗粒直径与形状系数

球形颗粒直接用直径来表示其大小；而非球形颗粒常用与球形颗粒作对比所得到的相当直径来表示其大小。颗粒的形状是用形状系数来表示的。（1）体积相当直径式中dV—体积相当直径，m；Vp—非球形颗粒的体积，m3。12.3固定床反应器设计（2）面积相当直径式中da—面积相当直径，m；Ap—非球形颗粒的外表面积，m2。（3）比表面相当直径式中Sv—非球形颗粒的比表面积，。则

式中ds—比表面相当直径，m。

在研究流体力学时，常用体积相当直径；而在研究传质传热时，常用面积相当直径。

12.3.1.2平均直径与形状系数式中dp—颗粒的平均直径，m；xi—各种筛分粒径所占的质量分数；di—质量分数为xi的筛分颗粒的平均直径，m。其中—同一筛分颗粒上下筛目尺寸，m。

形状系数

式中Aa—与球形颗粒等体积的非球形外表面积，m2。

形状系数反映了非球形颗粒与球形颗粒的差异程度。对球形颗粒来说；对非球形颗粒，＜1。

三种相当直径间的关系为：

实验结果表明，空隙率在径向上分不是不均匀的。空隙率在贴壁处达到最大值，而床层中部空隙率较小。将器壁对空隙率分布的影响以及由此造成的对流流动、传热、传质的影响称为壁效应。12.3.1.3床层空隙率与径向流速分布

床层空隙率是指颗粒间的自由体积与整个床层体积之比。式中

—床层空隙率

—催化剂颗粒密度，Kg/m3

—催化剂床层堆积密度，Kg/m312.3.1.4流体在固定床中的流动特性（1）流动特性床层内流体的流动分为两部分：一部分是流体以平均流速沿轴向作理想置换流动；另一部分为流体的径向和轴向的混合扩散，包括层流时的分子扩散和湍流时的涡流扩散。（2）气体的分布在气固相反应器中，流体在径向上的分布式不均匀的，因此，提高床层内气体流速分布的均匀性对降低返混，提高反应器生产能力和反应选择性具有重要意义。提高气体分布均匀性的方法有：①催化剂大小要均匀；②消除气体初始动能。12.3.1.5流体流过固定床层的压降压降产生的原因

—流体与颗粒表面间的摩擦阻力

—流体在通道内的收缩、扩大与撞击颗粒、变向分流等引起的局部阻力。压降的计算（欧根公式）

流体在圆管中等温流动时的压力降

当

＜10时为层流，；当＞1000时为充分湍流，。设计要求：ΔP≤15%P（操作）工业上降低压力降的办法：↑ε、↓L、↓uO、↑dS等。12.3.2固定床反应器中的传质与传热12.3.2.1固定床反应器中的传质固定床反应器中的传质过程包括：外扩散、内扩散、混合扩散（轴向扩散和径向扩散）轴向扩散是由于催化剂颗粒粒度分布而引起的；径向扩散则是由于催化剂床层空隙率引起的。催化反应的总速度12.3.2.2固定床反应器中的传热传热过程分析

整个固定床的传热包括：颗粒内传热、颗粒与流体间的传热、床层与壁间的传热；

在工程计算中，一般进行简化处理：催化剂颗粒假设为等温体，忽略颗粒内部、颗粒在流体间和床层径向传热阻力，床层的传热阻力全部集中在管壁处。床层对壁总传热系数

假设床层为等温体（Tm），总传热速率方程为：

当床层被加热时：