第五章 气-固相催化反应工程.ppt

1、第五章 气固相催化反应工程,第一节 概述,5-1气固相催化反应器的基本类型： 固定床（绝热式、连续换热式）； 流化床 固定床连续换热式：反应、换热同时进行,5-1气固相催化反应器的基本类型,固定床绝热式：,5-1 气固相催化反应器的基本类型,5-2基本设计原则：自学（要求）。二个条件，五个基本原则,5-3催化反应器的数学模型：,5-3 催化反应器的数学模型,数学模型分类情况： 以最基础的一维、拟均相、平推流模型为基础，按 各类反应器实际情况，计入轴向返混、径向温差和浓 差、相间及颗粒内部的传质和传热，List5-1。 处理具体问题时，应针对具体反应过程及反应器的 特点进行分析，选用合适的模型。

2、,第二节 固定床流体力学,5-4 固定床的物理特性： 一、非中空固体颗粒的相当直径与形状系数： * 颗粒的相当直径： 等体积圆球的直径： 等外表面积圆球的直径： （固定床传热、传质中）,5-4 固定床的物理特性：,等比表面积圆球的直径： 形状系数：,5-4 固定床的物理特性：,二、混合颗粒的平均直径及形状系数： * 算术平均直径： * 调和平均直径：,5-4 固定床的物理特性：,三、固定床的当量直径：,5-4 固定床的物理特性：,四、固定床的空隙率及径向流速分布： 定义： 对床层压降、床层有效导热系数，比表面积影响大 的影响因素：,5-4 固定床的物理特性：,空隙率与径向流速分布：,5-5 单

3、相流体在固定床中的流动及压降,一、流动特性： 孔道几何形状相差甚大，相互交联、弯曲。孔道总 体积并非自由体积，死角处流体静止。旋涡数目多， 由滞流湍流明显，有的滞流，有的湍流。 二、单相流体通过固定床的压降： 将流体在空圆管中流动时的压降公式，加以合理修正而成。 * 公式:,5-5 单相流体在固定床中的流动及压降,修正摩擦系数：,5-5 单相流体在固定床中的流动及压降,当Rem1.75 当Rem1000（完全湍流）： 1.75 若颗粒大小不均匀; 若 不够大时，应考虑壁效应的影响。 （5-19）（5-20）,5-5 单相流体在固定床中的流动及压降,三、影响固定床压降的因素： 1、两方面因素 2

4、、G与L、A有密切关系：对一定的VR（床层体积） 在可能范围内，dt（床层直径）、相应L（床层高度） 有利于p;但不利于高压容器制造。此时，轴 向流动改为径向流动，有利于p。,5-5 单相流体在固定床中的流动及压降,3、 对压降影响十分显著： 4、粒径、形状：重要影响因素。 当Rem1000, (筛析范围相同)。,5-7 固定床中流体的径向和轴向混合,一、固定床中径向及轴向混合有效弥散系数： * 流体流径固定床时，因不断分散与汇合形成一定程度的径向及轴向混合；径向比轴向更显著；当发生化学反应、与外界换热时，更甚。 * 用peclet准数Pe表示径向、轴向混合有效弥散系数Dr、De：,5-7 固

5、定床中流体的径向和轴向混合,5-7 固定床中流体的径向和轴向混合,二、固定床反应器中的轴向返混： 当L100ds时，可略去轴向返混的影响； L100ds的床层管床层（必须考虑轴向返混的影响）（实验室装置如此）,第四节 绝热式固定床催化反应器,5-13 绝热温升 XAT图：单一可逆放热反应，在单段绝热催化床 中的操作过程。平衡曲线；最佳温度线；绝热操作线 AB（A点：进口状态-初态1状态；B点：出口状态 终态2状态） XAT关系式：由整个催化床热量衡算导得：,5-13 绝热温升,简化方法： 将初态（Tb1,XA1）变温反应 终态（Tb2,XA2） 的过程视为初态（Tb1,XA1）等温反应 中间态

6、 （Tb1,XA2）升温 终态（Tb2,XA2）的过程。 简化后积分得： 式中， ， （5-61）绝热温升系数,5-13 绝热温升,有关讨论： 绝热温升的物理意义：由（5-60）知，当XA2-XA11时，Tb2-Tb1绝热条件下，组分A完全反应时，混合气体温度升高的数值。 绝热温升的影响因素：由（5-6）知： 混合气体初始组成yAO，则可能，Tb2T0,耐热（低CO交换、甲烷化，注意yAO要低） （-HR）,则可能， Tb2T0,耐热（热效应大的反应尤要注意，如甲烷化保证yAO不超定值）,5-13 绝热温升,当yAO较小（即低浓进气），或yAO虽较大，但 XA不太大时，基本符合上述简化条件；绝

7、热操作线 为直线，为常数，即Tb-Tb1（XA-XA1）(4-75) 当反应混合物组成变化很大，不符合简化条件， 不为常数，绝热操作线为曲线；此时，段分段计 算，每段用简化方法。 对多段间接换热式反应器和多段原料气冷激式反 应器，若忽略各段出口气体组成对值的影响，则各 段绝热操作线斜率都相同。,第九节 催化反应过程进展,5-27 强制振荡非定态周期催化反应过程： 一、强制周期操作： 周期性改变进料组成、进料流量、反应温度。即： 对催化反应过程进行瞬变的动态操作，以改变反应组 分在催化剂表面上的吸附态或吸附速率，从而促进反 应速率。 二、流向周期变换操作： 进料流向强制周期换向操作。因流向周期变

8、换操作 具有蓄热性能对自然操作的进料浓度要求大约降低 了一个数量级，流程简化、能耗低、适应性强。,5-27 强制振荡非定态周期催化反应过程,三、循环流化床反应器： 催化剂颗粒由于循环流动而处于非定态，但床内温 度、浓度保持定态。用于高温操作和部分氧化等领 域。,5-28 催化吸收耦联,催化、吸收一体化。 催化与吸收分离过程同时进行；改变了传统的气一 固相催化合成反应中的平衡限制。如溶剂甲醇过程（smp）。,5-29 催化吸附耦联,催化、吸附一体化。 催化与吸附分离过程同时进行；如逆流气固 固涓流床甲醇合成反应器。,5-30 催化催化耦联,在一个反应器内，使用一种双功能催化剂，或两 种不同功能的催化剂，将原料气经催化合成中间产 品