第五章气－固相催化反应工程课件

第五章气－固相催化反应工程

第五章气－固相催化反应工程1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

第一节概述5-1气固相催化反应器的基本类型：25-1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固定床绝热式：35-1气固相催化反应器的基本类型5-1气固相催化反应器的基本类型45-2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：5-2基本设计原则：

自学（要求）。二个条件，五个基本原则555-3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。5-3催化反应器的数学模型数学模型分类情况：6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）第二节固定床流体力学5-4固定床的物理特性：75-4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：③等比表面积圆球的直径：85-4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：二、混合颗粒的平均直径及形状系数95-4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：三、固定床的当量直径：105-4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：四、固定床的空隙率及径向流速分布115-4固定床的物理特性：空隙率与径向流速分布：5-4固定床的物理特性：空隙率与径向流速分布：125-5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一、流动特性：135-5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修正摩擦系数：145-5单相流体在固定床中的流动及压降①当Rem<10（滞流）：>>1.75②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①当Rem<10（滞155-5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三、影响固定床压降的165-5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)。5-5单相流体在固定床中的流动及压降3、对压降影响十175-7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一、固定床中径向及轴向185-7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195-7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）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20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：

第四节绝热式固定床催化反应器5-13绝热温升215-13绝热温升简化方法：①②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绝热温升简化方法：225-13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绝热温升有关讨论：235-13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。5-13绝热温升③当yAO较小（即低浓进气），或yAO虽较24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。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255-27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。

5-27强制振荡非定态周期催化反应过程三、循环流化床反应器265-28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）。5-28催化——吸收耦联催化、吸收一体化。275-29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。5-29催化——吸附耦联催化、吸附一体化。285-30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）。

5-30催化——催化耦联在一个反应器内，使用一种双295-31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。5-31催化一蒸馏：30第五章气－固相催化反应工程

第五章气－固相催化反应工程31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

第一节概述5-1气固相催化反应器的基本类型：325-1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固定床绝热式：335-1气固相催化反应器的基本类型5-1气固相催化反应器的基本类型345-2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：5-2基本设计原则：

自学（要求）。二个条件，五个基本原则5355-3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。5-3催化反应器的数学模型数学模型分类情况：36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）第二节固定床流体力学5-4固定床的物理特性：375-4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：③等比表面积圆球的直径：385-4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：二、混合颗粒的平均直径及形状系数395-4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：三、固定床的当量直径：405-4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：四、固定床的空隙率及径向流速分布415-4固定床的物理特性：空隙率与径向流速分布：5-4固定床的物理特性：空隙率与径向流速分布：425-5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一、流动特性：435-5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修正摩擦系数：445-5单相流体在固定床中的流动及压降①当Rem<10（滞流）：>>1.75②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①当Rem<10（滞455-5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三、影响固定床压降的465-5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)。5-5单相流体在固定床中的流动及压降3、对压降影响十475-7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一、固定床中径向及轴向485-7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495-7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）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50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：

第四节绝热式固定床催化反应器5-13绝热温升515-13绝热温升简化方法：①②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绝热温升简化方法：525-13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绝热温升有关讨论：535-13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。5-13绝热温升③当yAO较小（即低浓进气），或yAO虽较54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