第四章-气固催化及其反应器...ppt

1、第四章气固催化反应及其反应器。气固催化反应是多相反应。实际反应速率与界面的大小和相之间的扩散速率有关。气固催化反应器，气固催化反应过程是化工生产中最常见的非均相反应过程，如基础化工原料工业中硫酸、硝酸、合成氨、甲醇和尿素的生产。1、气固催化反应过程，七个步骤：(1)气固催化反应过程分析，组分甲从颗粒的外表面通过微孔扩散到颗粒的内表面，组分甲吸附在颗粒的内表面；组分a在内表面发生化学反应，生成产物b；组分b在内表面脱附；组分b通过微孔从颗粒的内表面扩散到颗粒的外表面，反应产物b从颗粒的外表面扩散到气流体。反应组分a从气流体扩散到催化剂颗粒的外表面；叫做外部扩散过程；称为内部扩散过程；这三个步骤被

2、称为表面动力学(微观)过程。气固催化的整个宏观反应过程是外扩散、内扩散和表面动力学三个过程的综合。(2)外扩散过程，包括分子扩散和涡旋扩散。在工业规模的反应器中，流速高，涡流扩散占主导地位。当反应受外部扩散控制时，整个反应的速率等于扩散过程的速率。在稳定条件下，每单位时间和催化剂层体积的组分a的反应量等于组分a从主流体扩散到颗粒外表面的量，即催化剂层中组分a的反应速率，摩尔-1m-3(催化剂)千克外扩散传质系数，ms-1，千克=千克/室温硒催化剂层(外)比。m2m-3催化剂的形状系数球体为1，圆柱体为0.91，不规则颗粒为0.9，钙、碳、钙、硫气体主流中组分A的浓度和Molm-3 Pa主流中组

3、分A的分压。气体和粒子的外表面。和kg类似于吸收过程中的气膜传质系数，这取决于流体力学和气体。因为反应消耗了反应组分，进入微孔越深，反应物的浓度越小。该图显示了扩散过程中的浓度变化。(3)在内部扩散过程中，当微孔直径远大于气体分子的平均自由程时，气体分子相互碰撞的几率大于与孔壁碰撞的几率，这种现象称为体积扩散。当微孔直径小于气体分子的平均自由程时，气体分子与微孔壁碰撞的几率大于其他分子。这种扩散称为诺森扩散。颗粒内表面的催化反应速率取决于反应组分a的浓度。微孔口的浓度越高，反应速率越快；在微孔底部，浓度最小，反应速率也最小。在等温条件下，整个催化剂颗粒中每单位时间的实际反应量N1为：其中，Si

4、为每单位床体积催化剂的内表面积，ks为表面反应速率常数，f(cA，s)为由颗粒内表面浓度表示的动力学浓度函数。如果根据颗粒外表面反应组分的浓度ca，s和催化剂颗粒的内表面积计算，理论反应量N2为：内扩散效率因子实际上受内扩散的影响，如果内表面利用率的值接近或等于1，则反应过程为动力学控制；如果远远小于1，则是内部扩散控制。工业催化剂颗粒的内部扩散效率因子通常在0.20.8之间。设N1/N2=，称之为催化剂颗粒的内扩散效率因子，然后N2=ks Si f (cA，S)，以球形颗粒催化剂表面等温一级不可逆反应的内扩散效率因子为例，其中r为催化剂颗粒半径，m为Kv催化剂反应速率常数，s-1为De内扩散

5、系数m2s-1，公式中维数为1的数称为内扩散模量，也称为Seiler模量。是的，它们成反比，增加和减少。定义了催化剂颗粒半径R越大，内孔越小，扩散系数De越小，扩散系数De越大，扩散系数De越小，说明小颗粒大孔径催化剂有利于提高内扩散速率。催化剂体积反应速率常数千伏越大，反应速率越小，表明反应速率过高，内部扩散对整个过程的阻碍作用越严重。气固催化反应的每个过程的速度必须相等，宏观反应速度等于任何一步的速度。(4)气固催化反应的宏观动力学模型，由于上述公式含有难以确定的界面参数钙和硫，不能与气相中的各组分直接确定(-rA)，使用不便，需要进一步处理。以一级不可逆反应AB为例，(-Ra)=K(Ca

6、A，s-CaA *)，其中CaA *为工作温度。求解cA，S，并将其代入速度方程。上述方程是一级可逆反应的宏观反应速度方程或宏观动力学模型，它描述了总反应速度与其影响之间的关系。其中，外部扩散阻力、内部扩散阻力和cA-cA*代表反应过程的驱动力。可以判断过程的控制阶段是可以忽略的，整个反应过程是外部扩散控制。在工业催化反应器中，由于温度分布、浓度分布和压力分布的不同，在不同的“空间”甚至不同的“时间”可能有不同的控制阶段。(-Ra)=KSsi(CaA-CaA *)，整个反应过程由动力学控制。当，当，如果1表示整个反应过程属于内部扩散控制。当主气流的速度足够大，并且催化剂的活性和颗粒相对较大时，

7、通常会出现这种情况。1/kgSe可以忽略。当、和当=1时，意味着外部扩散和内部扩散都可以忽略，并可以改为。优点：接近活塞流，催化剂少，反应器体积小，选择性高。结构简单，操作方便，催化剂机械磨损小。2个固定床催化反应器，有三种类型：绝热、外部热交换和自热反应器。缺点：传热能力差，操作过程中催化剂无法更换。结构简单，适用于热效应小的简单反应，反应过程对温度变化不敏感，副反应少。例如，乙烯水合生成乙醇的反应。不适用于热效应大的反应。(1)绝热反应器，不与外界进行热交换。对于放热反应，反应过程中释放的热量完全用于加热系统中的材料。为了克服简单绝热反应器的缺点，催化剂层被分成几层，如图所示。其特征在于反

8、应区中的热交换。热载体或冷却剂是根据反应温度、反应热效应、操作条件和工艺对温度波动的敏感性来选择的。催化剂的颗粒直径不得超过管道内径的18%，通常使用直径为26毫米的颗粒。优点是传热效果好，容易保证温度均匀。缺点是结构复杂，难以在高压下操作。(2)管式反应器，一种在反应区用原料气体加热或冷却催化剂层的反应器。这种反应器广泛用于合成氨和二氧化硫的氧化。(3)非绝热自热管式反应器，3)流化床催化反应器，以及利用气流使固体颗粒悬浮运动并进行气-质相反应的装置。双体流化床由反应器和再生器组成。催化反应在反应区进行与固定床相比，流化床具有以下优点：可以使用小粒径的催化剂，降低内扩散阻力，催化剂表面利用率高；由于颗粒在流体中运动，颗粒与流体之间的界面不断被搅拌，界面不断更新，颗粒的湍动程度增加，因此其传热系数比固定床大得多，当大量反应热释放出来时，可以迅速传递；当催化剂必须定期再生时，特别是当催化剂活性迅速消失，需要及时再生时，它具有优势。少量气体以气泡形式通过床层，气团接触严重不均匀，导致气体反应不完全，转化率低；固体颗粒的运动方式接近全混流，停