氣固相催化反應(yīng)器ppt課件(已修改)
2025-05-11 02:16 本頁面
【正文】 第五章 氣 固相催化反應(yīng)器 一、反應(yīng)器類型 反應(yīng)器的選擇：動力學(xué)、反應(yīng)器性能 分為三類： 固定床 （最多） 流化床 （比較多）：反應(yīng)器內(nèi)固體粒子可以象流體一樣被流化起來。 移動床（較少）：固體顆粒自反應(yīng)器頂部連續(xù)加入，自上而下移動，由底部卸出。反應(yīng)流體與顆粒逆流接觸。 固定床反應(yīng)器 ? 反應(yīng)器內(nèi)填充有固定不動的固體顆粒，可以是催化劑，也可以是固體反應(yīng)物。或者說凡是流體通過不動的固體物料所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置都稱作 固定床反應(yīng)器 。 固定床催化反應(yīng)器 絕熱式 單段絕熱式 多段絕熱式 連續(xù)換熱式 外熱式 自熱式 優(yōu)缺點： ? ①床層內(nèi)流體流動接近平推流。（返混、催化劑少和較小的反應(yīng)器容積來獲得較大的生產(chǎn)能力） ? ②嚴(yán)格控制停留時間，溫度分布可以適當(dāng)調(diào)節(jié)，因此特別有利于達(dá)到高的選擇性和轉(zhuǎn)化率。 ? ③結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，催化劑磨損小。 ? ④傳熱較差。 ? ⑤壓力降大，因此壓力降受限制。 ? ⑥催化劑的更換必須停產(chǎn)進(jìn)行。 多段絕熱式固定床 間接換熱式 冷激式 原料氣冷激式 惰性氣體冷激式 (a)間接換熱式； (b)原料氣冷激式； (c)非原料氣冷激式 連續(xù)換熱式固定床 ? 根據(jù)換熱介質(zhì)的不同可分為 外熱式 和 自熱式 。 ? 外熱式： 用某種和反應(yīng)無關(guān)的熱載體加熱或冷卻反應(yīng)床層的反應(yīng)器。它一般用于強(qiáng)放熱或強(qiáng)吸熱反應(yīng)。其型式多用列管式，通常將催化劑放在管內(nèi)，管間通過載熱體，也有的與之相反。載熱體可根據(jù)反應(yīng)過程所要求的溫度，反應(yīng)熱效應(yīng)，操作壓力及過程對溫度的敏感度來選擇。一般采用強(qiáng)制循環(huán)進(jìn)行換熱。 ? 外熱式反應(yīng)器 的反應(yīng)管徑一般都比較小，多為 20～ 35mm。一方面是為了減小床層的徑向溫差，另一方面是為了單位床層體積具有較大的換熱面積，其優(yōu)點是床層軸向溫度分布比絕熱式反應(yīng)器均勻，其缺點是結(jié)構(gòu)比絕熱式反應(yīng)器復(fù)雜，催化劑裝填也不太方便。 ? 自熱式： 利用反應(yīng)熱來加熱原料氣使之達(dá)到要求溫度，再進(jìn)入催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)的自身換熱式反應(yīng)器。它只適用于熱效應(yīng)不太大的放熱反應(yīng)和原料氣必須預(yù)熱的系統(tǒng)。這種反應(yīng)器本身能達(dá)到熱量平衡，不需外加熱源或者外加熱介質(zhì)來冷卻反應(yīng)床層。 自熱式反應(yīng)器 的形式很多。一般是在圓筒形的容器內(nèi) 配置許多與軸向平行的管子（俗稱冷管），管內(nèi)通過 冷原料氣，管外放置催化劑，所以又稱管殼式固定床反應(yīng)器。 它按冷管的形式可分為單管、雙套管、三套管和 U型管反應(yīng)器幾種。在按管內(nèi)外流體的流向還有并流和逆流之分。 單管逆流式催化床及溫度分布示意圖 圖中 Tb催化劑層的軸向溫度， Ta為內(nèi)外冷管環(huán)隙內(nèi)（或單冷管管內(nèi)）的氣體溫度， Ti為內(nèi)冷管內(nèi)的氣體溫度。 雙套管并流式催化床及溫度分布示意圖 圖中 Tb催化劑層的軸向溫度， Ta為內(nèi)外冷管環(huán)隙內(nèi)（或單冷管管內(nèi)）的氣體溫度， Ti為內(nèi)冷管內(nèi)的氣體溫度。 三套管并流式催化床及溫度分布示意圖 圖中 Tb催化劑層的軸向溫度， Ta為內(nèi)外冷管環(huán)隙內(nèi)（或單冷管管內(nèi)）的氣體溫度， Ti為內(nèi)冷管內(nèi)的氣體溫度。 二、反應(yīng)器設(shè)計原則 設(shè)計內(nèi)容 ? 化工設(shè)計：①選型；②確定最佳工藝操作條件；③化工尺寸計算。 ? 機(jī)械設(shè)計：①結(jié)構(gòu)設(shè)計；②強(qiáng)度計算 設(shè)計必備條件 ? ①反應(yīng)過程的熱力學(xué)數(shù)據(jù)（物性）； ? ②反應(yīng)體系的動力學(xué)數(shù)據(jù)（動力學(xué)方程）； ? ③反應(yīng)體系的傳遞屬性數(shù)據(jù)。 設(shè)計的基本方程 設(shè)計時應(yīng)遵循的基本原則 ? ①設(shè)計不單純是床層最佳化，根據(jù)工藝的特點和工程實際情況，應(yīng)用反應(yīng)工程的觀點來確定最佳工藝操作參數(shù)； ? ②設(shè)備結(jié)構(gòu)、維修，工程問題； ? ③高壓反應(yīng)器的填裝系數(shù)要高，流體分布均勻，壓力降小，內(nèi)置的一些部件要合理； ? ④機(jī)械強(qiáng)度與溫度應(yīng)力。 三、反應(yīng)器的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型 ? 根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)可分為 非均相 與 擬均相 兩類。根據(jù)催化床中溫度分布可分為 一維模型 和 二維模型 。根據(jù)流體的流動狀況又可分為 理想流動模型 和 非理想流動模型 。 ? 傳質(zhì)和傳熱過程對反應(yīng)速率的影響計入模型，稱為“ 非均相 ”模型。 ? 如果反應(yīng)屬于化學(xué)動力學(xué)控制，催化劑顆粒外表面上及顆粒內(nèi)部反應(yīng)組分的濃度及溫度都與氣流主體一致，計算過程與均相反應(yīng)過程一樣，故稱為“ 擬均相 ”模型。 ? 如果催化過程的宏觀動力學(xué)研究得不夠，只能按本征動力學(xué)處理，而將傳遞過程的影響、催化劑的中毒、結(jié)焦、衰老、還原等項因素合并成為“活性校正系數(shù)”和“壽命因子”，這種處理方法屬于“ 擬均相 ”模型。 三、反應(yīng)器的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型 ? 一維模型：只考慮反應(yīng)器中沿著流動方向的濃度差和溫度差。 ? 二維模型：若同時計入垂直于氣流動方向的濃度差和溫度差。 ? 一維擬均相平推流模型是最基礎(chǔ)的模型，在這個模型基礎(chǔ)上，按各種類型反應(yīng)器的實際情況，計入軸向返混、徑向濃度差及溫度差，相間及顆粒內(nèi)部的傳質(zhì)和傳熱。如下表 51所示。 四、固定床流體力學(xué) 顆粒的當(dāng)量直徑和形狀系數(shù) ? （ 1）體積當(dāng)量直徑 dV Vp=4/3πR3 dV =(6Vp/π)1/3 （ 2）等外表面積當(dāng)量直徑 Dp ppSDp= （ 3）等比表面積當(dāng)量直徑 ds 比表面： 23166p sVp s sS dSV d dpp= = =
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