固定床反应器设计组

关于固定床反应器设计组第1页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三1.定义：凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置。固体催化剂颗粒堆积起来所形成的固定床层静止不动，气体反应物自上而下流过床层，进行反应的装置称作固定床反应器。

一、固定床反应器定义

第2页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三催化剂作用的定义与基本特征定义：催化剂是一种物质，它能够加速化学反应的速率而不改变反应的标准自由焓的变化，这种作用称为催化作用。基本特征：1、催化剂能够加快化学反应速率。2、催化剂对反应具有选择性3、催化剂只能加速热力学上可能进行的化学反应，而不能加速热力学上无法进行的反应。4、催化剂只能改变化学反应的速率，而不能改变化学平衡的位置。5、催化剂不改变化学平衡，意味着既能加速正反应，也能同样程度加速逆反应，这样才能使其化学平衡常数保持不变第3页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三催化剂的组成与功能组成：活性成分：是催化剂的主要成分，是起催化作用的根本性物质，没有活性组分，就不存在催化作用。助催化剂：本身对某一反应没有活性或活性很小但添加少量于催化剂中却能使催化剂具有所期望的活性载体：是催化活性组分的分散性黏合物或支撑体，是负载活性组分的骨架抑制剂:调低催化剂活性。第4页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三催化剂性能与标志影响催化剂活性的因素1、活性：比活性、转化率、空时收率2、选择性：催化剂的选择性是指催化剂促使反应向所要求的方向进行而得到目的的产物的能力。计算式：选择性=×100％3、使用寿命：是指催化剂在反应条件下具有活性的使用时间4、机械强度和稳定性生成目的的产物所消耗的原料量参加反应所消耗的原料量第5页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三工业催化剂的制备：目前，工业上使用的固体催化剂的制备方法有沉淀法、浸渍法、机械混合法、离子交换法、熔融法催化剂的成型：催化剂的成型方法通常有破碎成型、挤条成型、压片成型及生产球状成品成型技术一般固定床中球型催化剂的阻力最小，不规则者甚大。制备方法新进展1.纳米技术2、气相淀积技术3、膜催化剂4、微乳化技术5、化学镀等其他方法第6页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三气固相催化反应动力学基础气固相催化反应过程：外扩散内扩散吸附表面反应脱附内扩散外扩散化学吸附速率的一般表达式：活性组分，用表示表面过程第7页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三吸附模型朗缪尔吸附模型

包括四个基本假设：1、催化剂表面各处的吸附能力是均匀地，各吸附位具有相同的能量；2、被吸附物仅形成单分子层吸附；3、吸附的分子间不发生相互作用，也不影响分子的吸附作用；4、所有吸附的机理是相同的。第8页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三固定床反应器设计催化剂颗粒的直径和形状系数催化剂形状有：球形、圆柱形、片状、环状、无规则等催化剂粒径大小：球形颗粒用直径表示，非球形颗粒习惯上常用语球形颗粒做对比的相当直径表示用形状系数Φs表示其与圆球形的差异程度第9页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三1.催化剂颗粒的直径和形状系数形状：催化剂颗粒，如球形、圆柱形、片状、环状、无规则等。球形颗粒：直径；非球形颗粒：相当直径。形状系数：即与非球形颗粒体积相等的圆球的外表面积与非球形颗粒的外表面积之比。对于球形颗粒，；对于非球形颗粒，。形状系数说明了颗粒与圆球的差异程度。第10页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三2.混合颗粒的平均直径及形状系数

当催化剂床层由大小不一、形状各异的颗粒组成时，计算混合颗粒的平均粒度及形状系数。混合颗粒平均直径：算术平均直径法、调和平均直径法。算术平均直径法：调和平均直径法：注意：在固定床和流化床的流体力学计算中，用调和平均直径较为符合实验数据。结论：大小不等且形状也各异的混合颗粒，其形状系数由待测颗粒所组成的固定床压力降来计算。同一批混合颗粒，平均直径的计算方法不同，计算出来的形状系数也不同。第11页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三3.床层空隙率及径向流速分布

空隙率的定义：催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比。讨论空隙率的意义：催化剂床层的重要特性之一，它对流体通过床层的压力降、床层的有效导热系数及比表面积都有重大的影响。影响床层空隙率大小的因素：颗粒形状、颗粒的粒度分布、颗粒表面的粗糙度、充填方式、颗粒直径与容器直径之比等。壁效应：器壁对空隙率分布的这种影响及由此造成对流动、传热和传质的影响。一般工程上：达达8时，可不计壁效应，故工业上通常要求。第12页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三3.床层空隙率及径向流速分布

如果固定床与外界换热，床层非恒温，存在着径向温度分布，则床层中径向流速分布的变化比恒温时还要大；当管内数增大时，径向流速分布要趋向平坦。如图所示。管式催化床内直径一般为25～40mm，而催化剂颗粒直径一般为5～8mm，即管径与催化剂颗粒直径比相当小，此时壁效应对床层中径向空隙率分布和径向流速分布及催化反应性能的影响必须考虑。孔隙率分布第13页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三4、流体在固定床中流动的特性流体在固定床中的流动情况较之在空管中的流动要复杂得多。固定床中流体是在颗粒间的空隙中流动，颗粒间空隙形成的孔道是弯曲的、相互交错的，孔道数和孔道截面沿流向也在不断改变。空隙率是孔道特性的一个主要反映。在床层径向，空隙率分布的不均匀，造成流速分布的不均匀性。流速的不均匀造成物料停留时间和传热情况不均匀性，最终影响反应的结果。由于固定床内流动的复杂性，至今难以用数学解析式来描述流速分布。结果：工艺计算中常采用床层平均流速的概念。第14页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三4、流体在固定床中流动的特性流体在固定床中流动时，由于本身的湍流、对催化剂颗粒的撞击、绕流、以及孔道的不断缩小和扩大，造成流体的不断分散和混合，这种混合扩散现象在固定床内并非各向同性。因而通常把它分成径向混合和轴向混合两个方面进行研究。径向混合可以简单理解为:由于流体在流动过程中不断撞击到颗粒上，发生流股的分裂而造成.轴向混合可简单地理解为:流体沿轴向依次流过一个由颗粒间空隙形成的串联着的“小槽”，在进口处，由于孔道收缩，流速增大，进到“小槽”后，由于突然扩大而减速，形成混合。固定床内径向混合示意图第15页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三固定床中流体流动行为的描述固定床中的流体流动，可以用简单的扩散模型进行模拟。流动由两部分合成：一部分流体以平均流速沿轴向作理想置换式的流动；另一部分为流体的径向和轴向的混合扩散，包括分子扩散（滞流时为主）和涡流扩散（湍流时为主）。结果：根据不同的混合扩散程度，将两个部分迭加。第16页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三流体流过固定床层的压力降

流体流过固定床层的压力降，主要是由于流体与颗粒表面间的摩擦阻力和流体在孔道中的收缩、扩大和再分布等局部阻力引起。当流动状态为滞流时，摩擦阻力为主；当流动状态为湍流时，以局部阻力为主。常用压降公式：埃冈（Ergun）修正摩擦系数修正雷诺数第17页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三5、固定床中的传质与传热1、固定床中的传质

2、固定床中的传热

第18页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三固定床中的传质固定床反应器中的传质过程：

外扩散、内扩散和床层内的混合扩散。因为气固相催化反应发生在催化剂表面，所以反应组分必须到达催化剂表面才能发生化学反应。在固定床反应器中，由于催化剂粒径不能太小，故常常采用多孔催化剂以提供反应所需要的表面积。结果：反应主要在内表面进行，内扩散过程则直接影响着反应过程的宏观速率。第19页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三固定床中的传热床层的传热性能对于床内的温度分布，进而对反应速率和物料组成分布都具有很大影响。由于反应是在催化剂颗粒内进行的，固定床的传热实质上包括了颗粒内的传热、颗粒与流体之间的传热以及床层与器壁的传热等几个方面。反应器中的温度分布：轴向温度分布不均径向有显著的温度梯度固定床反应器内的传热过程第20页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三固定床反应器内的传热过程

（1）反应热由催化剂内部向外表面传递；（2）反应热由催化剂外表面向流体主体传递；（3）反应热少部分由反应后的流体沿轴向带走，主要部分由径向通过催化剂和流体构成的床层传递至反应器器壁，由载热体带走。注意：上述的每一步传热过程都包含着传导、对流和辐射三种传热方式。传热过程处理和计算方法

第21页，讲稿共24页，2023年5月2日，星期三

处理方法对于这样复杂的传热过程，根据不同情况和要求，作不同程度的简化处理。如多数情况下，可以把催化剂颗粒看成是恒温体，而不考虑颗粒内的传热阻力。除了快速强放热反应外，也可以忽略催化剂表面和流体之间的温度差。床层内的传热阻力是不能忽视的。为了确定反应器的换热面积和了解床层内的温度分布，必须进行床层内部和床层与器壁之间的传热计算。针对不同的要求也有不同的计算方法。如为了计算反应器的换热面积，可以不计算床层内径向传热，而采用包括床层传热阻力的床层对壁给热系数计算；为了了解床层径向温度分布，必须采用床层有效导热系数和表观壁膜给热系数相结合计算床层径