情景二反应器的设计和优化子情景三固定床反应器设计69课件

情景二反应器的设计和优化子情景三固定床反应器设计煤化工技术专业教学资源库咨询1计划2决策和实施3检查45评价固定床的设计和计算1.1学生汇报导航完成情况1.2各组展示第二课堂成果1.3教师深化背景知识2.1各组讨论制定完成计划3.1根据计划制定方案4.1各组展示诠释方案成果5.1组间互评答疑5.2教师评价3.2根据方案完成任务教学实施过程第二课堂任务成果汇报任务：枣庄涂料厂用连续操作管式反应器生产醇酸树脂，反应物己二酸与己二醇投料比为等摩尔比，用硫酸作为催化剂，若每天处理2400kg己二酸，试计算转化率为0.8时所需空间时间和反应器体积？参考计算过程：1、反应器空时计算；2、物料处理量的计算；3、反应器体积的计算。

教学目标专业能力目标1、能根据生产要求对固定床反应器进行工艺计算和设计优化。知识目标1、掌握气固相催化反应动力学基本运算；2、掌握催化剂的基本概念与使用方法；3、掌握固定床反应器工艺计算。素质目标1、具有创新能力；2、具有发现问题解决问题的能力；3、具有数学计算能力；4、具有团队精神和与人合作能力；5、具有较强表达能力。山东滕州辰龙能源集团50000吨/年环氧乙烷生产装置（二段空气氧化法），计算第一反应器规格（反应器体积VR、反应器管数n、传热面积、床层压力降）。工作任务原料气：C2H43.5%、O26%、CO27.7%、N282.8、C2H4Cl微量。物性数据：热导率λf=0.1273kj/（m·h·K）、黏度2.6Pa·s、密度7.17kg/m3。操作条件：T=523K；P=0.981MPa；x=20%；S=66.6%；空速5000h-1；反应器列管27mm*2.5mm、长6m、催化剂高度5.7m；催化剂球形dp5mm，反应器年运行7200h，回收率90%。咨询计划决策和实施检查12345评价固定床反应器设计及计算资讯计划决策和实施检查评价3、固定床反应器设计。2、气固相催化反应动力学；1、固体催化剂；资讯计划决策和实施检查评价1、固体催化剂（1）催化作用与催化剂催化剂基本特征能加快化学反应速率，但它本身并不进入化学反应的计量；对反应具有选择性（反应类型、反应方向、产物的结构）；只能加速热力学上可能进行的化学反应，而不能加速热力学上无法进行的反应；只能改变化学反应速率，不能改变化学平衡的位置；同样程度的加速正逆反应速率。催化剂是一种能够与反应物相互作用，加速反应的速率而不改变反应的标准自由焓变化,且反应终结时本身保持不变的化学物质。资讯计划决策和实施检查评价催化剂的组成固体催化剂主催化剂maincatalyst共催化剂助催化剂载体supportcarrier又称活性组分结构型助催化剂调变型助催化剂扩散型助催化剂毒化型助催化剂类别化学形态催化剂举例催化反应举例导体过渡金属Fe,Ni,Pd,Pt,Cu加氢，脱氢，氧化，氢解半导体氧化物或硫化物V2O5,Cr2O3,MoS2,NiO,ZnO,Bi2O3氧化，脱氢，加氢，氨氧化绝缘体氧化物盐Al2O3,TiO2,Na2O,MgO,分子筛NiSO4,FeCl3,分子筛,AlPO4脱水，异构化，聚合，烷基化，脂化，裂解资讯计划决策和实施检查评价资讯计划决策和实施检查评价助催化作用传热和稀释作用支撑作用稳定化作用分散作用载体作用活性炭硅胶硅藻土碳化硅资讯计划决策和实施检查评价催化剂的性能3转化率表示法CA%=反应物A转化掉的量/流经催化床层进料中反应物A的总量×100%1反应速率表示法2反应速度常数表示法催化剂的表示方法活性资讯计划决策和实施检查评价

选择性（S%）选择性因素（选择度）催化剂选择性资讯计划决策和实施检查评价化学稳定性耐热稳定性抗毒稳定性机械稳定性催化剂稳定性资讯计划决策和实施检查评价2、工业催化剂的制备沉淀法浸渍法滚涂法混合法热熔融法锚定法离子交换法单组分沉淀法；共沉淀法；均匀沉淀法；超均匀沉淀法；导晶沉淀法…湿混法；干混法…过量浸渍法；等体积浸渍法；孔容浸渍法；等孔容浸渍法流化喷洒浸渍法；蒸汽相浸渍法多次浸渍法；浸渍沉淀法…资讯计划决策和实施检查评价沉淀法

沉淀剂加入金属盐类溶液，得到沉淀后再进行处理（广泛用于高含量的非贵金属、金属氧化物、金属盐催化剂或催化剂载体。）金属盐溶液NaOH(Na2CO3)沉淀洗涤活化成型干燥焙烧研磨催化剂

沉淀时金属盐类的选择:一般选用硝酸盐（大都溶于水）贵金属为氯化物的浓盐酸溶液铼选用高铼酸（H2Re2O7）沉淀时沉淀剂的选择:易分解挥发除去（氨气，氨水，铵盐，碳酸盐等）；形成的沉淀物便于过滤和洗涤（最好是晶型沉淀，杂质少，易过滤洗涤）；沉淀剂的溶解度要大（这样被沉淀物吸附的量就少）；沉淀物的溶解度应很小且无污染非晶型沉淀一般应立即过滤(防止进一步凝聚包裹杂质）一般洗涤到无OH-,NO3-除去湿沉淀中的洗涤液热分解除去挥发性物质，或发生固态反应，微晶适度烧结在一定气氛下处理使金属价态发生变化晶型沉淀陈化有助于获得颗粒均匀的晶体（吸附杂质较少）资讯计划决策和实施检查评价浸渍法将载体放进含有活性物质的液体中浸渍载体（如Al2O3）的沉淀洗涤干燥载体的成型用活性组份浸渍干燥焙烧分解活化还原负载型金属催化剂资讯计划决策和实施检查评价滚涂法：将活性组分粘浆置于可摇动的容器中，无孔载体小球布于其上，经过一段时间的滚动，活性组分便逐渐粘附在载体表面。为了提高涂布效果，有时还要添加粘结剂。由于活性组分容易剥离，滚涂法已不常用。混合法：为了改善混合的均匀性，增加催化剂的表面积，提高丸粒的机械稳定性，可在固体混合物料中加入表面活性剂。由于固体粉末在同表面活性剂溶液的相互作用下增强了物质交换过程，可以获得分布均匀的高分散催化剂热熔融法：借高温条件将催化剂的各个组分熔合成为均匀分布的混合体、氧化物固体溶液或合金固体溶液，以制取特殊性能的催化剂。一些需要高温熔炼的催化剂都用这种方法。离子交换法：利用离子交换的手段把活性组分以阳离子的形式交换吸附到载体上。锚定法：将活性组分（比做船）通过化学键合方式（比做锚）定位在载体表面（比做港）上。资讯计划决策和实施检查评价2、气固相催化反应动力学基础反应物从气流主体扩散到催化剂颗粒的外表面-外扩散反应物从外表面向催化剂的孔道内部扩散-内扩散反应组分在催化剂表面的活性中心吸附-吸附过程在催化剂内部孔道内组成的内表面上进行催化反应-化学反应反应产物在催化剂表面上脱附（脱附过程）产物从催化剂内表面扩散到外表面-内扩散产物从外表面扩散到气流主体-外扩散资讯计划决策和实施检查评价A+σ→A

σ化学吸附速率的表达活性中心：固体催化剂表面能够与气相分子发生反应的原子。以符号σ表示资讯计划决策和实施检查评价Langmuir吸附模型1、催化剂表面活性中心的分布是均匀的；2、吸、脱附活化能与表面覆盖率无关；3、每个活性中心只能吸附一个分子；4、吸附的分子之间互不影响。基本假定：资讯计划决策和实施检查评价焦姆金（ТЕМКИН）吸附模型与Langmuir吸附模型不同，ТЕМКИН模型认为吸附及脱附活化能与表面覆盖率呈线性关系。资讯计划决策和实施检查评价资讯计划决策和实施检查评价资讯计划决策和实施检查评价弗鲁德里希（Freundlich）吸附模型比焦姆金吸附模型更进一步，Freundlich模型认为吸附及脱附活化能与表面覆盖率并非呈线性关系，而是对数关系。资讯计划决策和实施检查评价资讯计划决策和实施检查评价双曲线型本征动力学方程基于理想吸附假定，得到双曲型（Hougen-Watson）型方程。1、在吸附、反应、脱附三个过程中必有一个最慢，这个最慢的步骤被称为控制步骤，代表了本征反应速率；2、除控制步骤外的其它步骤均处于平衡状态；3、吸附和脱附都可以用Langmuir吸附模型描述。资讯计划决策和实施检查评价在理想吸附推导基础上，将吸附和脱附过程用焦姆金或弗鲁德里希模型表示，可以得到幂函数型本征动力学方程。其型式为：幂函数型本征动力学方程资讯计划决策和实施检查评价3、固定床反应器的计算固定床反应器内的流体流动体积相当直径dv，即采用体积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径：dv=（6Vp/π）式中Vp

非球形颗粒的体积面积相当直径da，即采用外表面积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径：da=（Ap/π）式中Ap

非球形颗粒的外表面积比表面相当直径ds，即采用比表面积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径：

ds=6Vp/Ap资讯计划决策和实施检查评价体积相当直径dv，即采用体积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径：dv=（6Vp/π）式中Vp

非球形颗粒的体积形状系数∮s，非球形颗粒的外表面积一定大于等体积的圆球的外表面积，因此，引入一个无因次系数∮s，称为颗粒的形状系数：∮s=As/Ap真密度，又称骨架密度，即催化剂颗粒中固体实体的密度，用ρp表示，单位为g/cm3。表观密度，又称假密度或颗粒密度，即包括催化剂颗粒中的孔隙容积，该颗粒的密度，记为ρs，单位为g/cm3。堆积密度，又称填充密度，是对催化床层而言的，即当催化剂自由地填入反应器中时，包括床层中的自由空间，每单位体积反应器中催化剂的质量，记为ρB，单位可用g/cm3、g/L或kg/m3表示。床层孔隙率ε的大小与下列因素有关：颗粒形状、颗粒的粒度分布、颗粒表面的粗糙度、充填方式、颗粒直径与容器直径之比等。资讯计划决策和实施检查评价资讯计划决策和实施检查评价床层压降：气体流动通过催化剂床层的空隙所形成的通道，与孔道周壁摩擦而将产生压降。压降计算通常利用厄根（Ergun）方程：影响床层压力降的最大因素：床层的空隙率流体的流速两者稍有增大，会使压力降产生较大变化。降低床层压降的方法：

增大床层空隙率，如采用较大粒径的颗粒；降低流体的流速，但要考虑这会使相间的传质和传热变差，需综合考虑。

双孔分布型催化剂是为了提高孔的利用率而设计的一种从表层向里具有由大到小的孔径的孔结构，这种结构既满足有较大的表面积的需要又有利于减小传质过程的阻力。所以，双孔分布型催化剂保留了大孔和小孔催化剂的优点，克服了各自的缺点。它具有许多小孔(小于20nm)．还有将反应物引向小孔的巨大输送孔道(20一100nm)，因而减小了其内扩散阻力，有利于反应物和产物的扩散，又由于有小孔的存在使催化剂保持足够的内表面，有利于表面反应的进行。资讯计划决策和实施检查评价传热：固定床中的传热组成颗粒内传热颗粒与流体间的传热，传热系数hP

床层与器壁的传热，传热系数hw、h0床层被加热时：（吸热反应）床层被冷却时：（放热反应）固定床反应器的工艺计算资讯计划决策和实施检查评价*固定床反应器工艺计算的内容：一是反应器的有效体积即催化剂装填量的计算，二是床高和床径的计算，三是传热面积和床层压力降的计算。ＶＲ的计算有经验法和数学模型法两种。经验法是根据空速、空时收率、催化剂负荷等数据，反推完成一定任务所需的催化剂装填量，比较简单。数学模型法按座标数目分有一维模型和二维模型；按相态分有拟均相模型和非均相模型。经验法：用实验室、中间试验装置或工厂现有装置中最佳条件测得的数据，如空速、催化剂的空时收率及催化剂的负荷等作为设计依据，按规定的生产能力计算并确定催化剂的用量、床高、床径等的计算。该法简单，但精确度较差。空速Sv：单位体积的催化剂在单位时间内所通过的原料的标准体积流量。接触时间τc：反应条件下，气体通过催化剂床层中自由空间所需要的时间。Ｓｖ—空间速度，h-1；qV0-入口条件下的体积流量，m3/h;ＶＲ—催化剂的体积，m3。资讯计划决策和实施检查评价空时收率Sw：单位质量或体积的催化剂在单位时间内所获得的目的产物量。催化剂的负荷Sg：单位质量的催化剂在单位时间内通过化学反应所消耗的原料量。床层线速度u:反应条件下气体通过催化剂床层自由截面的速率。床径计算（无内件时）式中：D-反应器直径，m；At