化学反应工程

1、7. 多相催化反应器的设计与分析 许多重要的化学产品如氨、硫酸、硝酸、甲醇、甲醛、氯乙烯及丙烯脂等，都是通过多相催化反应而合成得到的。石油炼制和其他能源工业进行产品深度加工的主要方法，也是通过多相催化，如催化裂化、催化重整等。当今环境保护问题日趋严重，工业废气的污染广泛为人们所关注，多相催化为处理工业废气的方法之一，典型的例子是汽车尾气净化器。总之，催化反应广泛用于各个工业部门和环境保护，据统计工业化学反应约有80%左右属于催化反应。 17.1 固定床内的传递现象7.1.1固定床内的流体流动床层空隙率：单位体积床层内的空隙体积（未被催化剂占据的体积，不含催化剂颗粒内的体积） 表征床层结构的主要

2、参数为床层空隙率，床层空隙率的大小与颗粒形状、粒度分布、颗粒直径与床直径之比以及颗粒的充填方法等有关。在与器壁的距离为12倍颗粒直径处的空隙率比其它部位的空隙率大，此即为壁效应。 为减少壁效应的影响，要求床层直径至少要大于颗粒直径的8倍以上。2床层空隙率3床层阻力降流体流过固定床时所产生的压力损失主要来自两方面:一方面是由于颗粒的粘滞曳力，即流体与颗粒表面间的摩擦;另一方面是由于流体流动过程中孔道截面积突然扩大和收缩，以及流体对颗粒的冲击及流体的再分布而产生。 流体在固定床中的流动，与空管中的流体流动相似，只是流道不规则而已。故此可将管中流体流动的压力降计算公式修正后用于固定床。4床层阻力降下

3、式为常用的固定床压力降计打公式：式中颗粒直径按与颗粒比外表面积当直径计算。摩擦系数f与雷诺数的关系如下 ：5床层阻力降当Re1000时,流体在床层中呈湍流流动，摩擦系数近似等于1.75。 床层压力降影响最大的是床层的空隙率和流体的流速，两者稍有增加,都可使压力降产生较大的变化。所以，想方设法使床层的空隙增大至关重要。 由公式计算得到的压力降一般是对新催化剂的预期压力降。在催化剂使用过程中会发生破损和粉化现象，使粒度减小，空隙率降低，从而使床层阻力增加。 67.2 固定床反应器的数学模型 最常用的固定床反应器的数学模型 是一维拟均相活塞流模型。一维：只考虑流动方向上的浓度与温度变化。拟均相：对于

4、多相催化反应，认为流体主体与催化剂颗粒表面与内部不存在浓度差温度差。将传递过程的影响归于一个催化剂活性校正系数。活塞流：流体在固定床内的流动状况与活塞流十分接近，因之可采用活塞流模型。 7固定床反应器的数学模型反应器设计过程中使用的宏观动力学方程是用本征动力学方程与催化剂活性校正系数的乘积代之。催化剂活性校正系数校正的内容有： 外扩散的影响、内扩散的影响、催化剂中毒情况、催化剂还原情况、催化剂的衰老情况等。根据该模型，即可建立固定床反应器的物料衡算方程与热量衡是方程。根据方程便可对反应器进行分析与计算。873 绝热式固定床反应器 固定床绝热反应器有单段与多段之分。所谓单段绝热反应器，是指反应物

5、料在绝热情况下只反应一次;而多段则是多次在绝热条件下进行反应，反应一次之后经过换热以满足所需的温度条件，再进行下一次的绝热反应。每反应一次，称为一段，一个反应器可做成一段，也可以将数段合并在一起组成一个多段反应器。9绝热式固定床反应器 单段绝热反应器优点：结构简单；空间利用率高；造价低。但是，对于一些热效应大的反应，由于温升过大，反应器出口温度可能会超过允许的温度。对于可逆放热反应，反应器的轴向温度分布会远离最佳温度分布，从而造成反应器的生产能力降低，甚至会由于化学平衡的限制而使反应器出口达不到所要求的转化率。因此，单段绝热反应器的使用受到了一些限制，单段绝热反应器适用于下列场合： (1)反应

6、热效应较小的反应，(2)温度对目的产物收率影响不大的反应;(3)虽然反应热效应大，但单程转化率较低的反应或者有大量惰性物料存在，使反应过程中温升小的反应， 10绝热式固定床反应器多段绝热反应器多用以进行放热反应，适用于以下反应：（1）反应热效应大； （2）有最佳操作温度； （3）单程转化率高。按段间换热方式不同分为以下三类：（1）间接换热式； (2）原料气冷激式；（3）非原料气冷激式。后两类又可总称为直接换热式。该类型反应器示意图如下图所示：11绝热式固定床反应器图7.3多段固定床绝热反应器(补充动画）产品原料(a)(b)(c)原料产品原料冷激剂产品（a)间接换热式；（b）原料气冷激式；（c）

7、非原料气冷激式12固定床绝热反应器的催化剂用量确定催化反应器为完成一定的生产任务所需要的催化剂量，是反应器设计的基本内容之一。如反应器截面积一定，也就能确定催化剂床层高度。设反应器在恒压下进行单一反应，则式（7.11）可略去，联立求解式（7.9）、式（7.10）及式（7.12），便可确定达到规定的最终转化率所需的床层高度。由于是绝热反应，床层与外界没有热交换，式（7.10）右边第二项为零，固可简化为 （7.21）13固定床绝热反应器的催化剂用量式（7.9）式（7.21）相除得Cpt 为反应混合物得定压比热容，为温度及组成得函数，其他物理量为常数。若以平均温度及平均组成下的比热容代替，则式（7.22）右边为常数，积分之有 (7.22)（7.23）14固定床绝热反应器的催化剂用