第五章气－固相催化反应工程

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5-2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。

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： • ①等体积圆球的直径： • ②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： ③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 • ①当Rem<10（滞流）： >>1.75 • ②当Rem>1000（完全湍流）： <<1.75 • ③若颗粒大小不均匀; • ④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、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Rem<10， • 当Rem>1000, • (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L>100ds时，可略去轴向返混的影响； • L<100ds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 • XA～T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） • XA～T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： • ① • ②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（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： • ①绝热温升的物理意义：由（5-60）知，当XA2-XA1＝1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。 • ②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，Tb2>T0,耐热（低CO交换、甲烷化，注意yAO要低） • （-△HR）↑,则∧↑可能， Tb2>T0,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 • ③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；绝热操作线为直线，∧为常数，即Tb-Tb1＝∧（XA-XA1）(4-75) • ④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。 • ⑤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，再进一步催化合成最终产品，如一步法生产二甲醚。（固定床复合催化剂；气——液——固三相淤浆床双功能催化剂）。

5-31 催化一蒸馏： • 5-32 膜催化：催化转化和产品分离组合起来的过程。 • 5-33 超临界化学反应：利用超临界流体作为反应介质的优良特性。

第五章 气－固相催化反应工程