反应器13(1).ppt

1、任务6 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。,一、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。 （一）催化作用与催化剂 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 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。 催化剂对反应具有选择性。 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。 催化剂既能同等程度的加速正反应及逆反应速率。,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

3、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。,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。 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。 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。 空时收率 空时收率是指单位时间内单

4、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：成熟期稳定期 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

5、状 形状与尺寸 比表面积 每克催化剂的表面积sg，单位m2/g,孔容积 每克催化剂中孔隙的体积，Vg，单位mL/g。 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。 孔隙率 指催化剂颗粒孔隙体积与催化剂颗粒总体积之比。 空隙率 指催化剂床层的空隙体积与催化剂床层体积之比。 真密度 催化剂颗粒中固体实体的密度。 表观密度 包括催化剂颗粒中的孔隙容积时该颗粒的密度。 堆积密度 催化剂质量与催化剂床层体积之比。,（二）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

6、、成型等工序制得成品催化剂。 2.浸渍法 制备步骤：抽空载体；载体与被浸渍溶液接触；除去 过剩的溶液；干燥；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：固体的粉碎；高温熔融或烧结；冷却、 破碎成一定的粒度；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

7、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。,二、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

8、： 对于气固相反应，反应区域的选择有以下几种： 选用催化剂体积，速率单位为： 选用催化剂质量，速率单位为： 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： 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）； 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）； 反应组分在催化剂表面的活性中心吸附（吸附过程）； 在催化剂表面上进行化学反应（表面反应过程）； 反应产物从催化剂表面的活性中心脱附（脱附过程）； 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）； 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

9、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：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；被吸附物仅形成单分子层吸附；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：确定反应所经历的步骤；决定控制步骤，该步骤的速率即为 反应过程的速率；由非速率控制步骤达到平衡，列出吸附等温式；将上 述平衡关系得到的等式代入控制步骤式