第五章固定床气固相催化反应工程

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1、第五章固定床气-固相催化反应工程2021/6/24本章授课内容固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型固定床流体力学固定床热量与质量传递过程绝热式固定床催化反应器连续换热内冷自热式催化反应器连续换热式外冷及外热管式催化反应器薄床层催化反应器2021/6/24第一节固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型一、固定床气-固相催化反应器的基本类型图5-1单段绝热催化床2021/6/24图5-2多段固定床绝热反应器2021/6/24图5-3单一可逆放热反应三段间接换热式操作状况图5-4单一可逆放热反应三段原料气

2、冷激式操作状况图5-5单一可逆放热反应三段非原料气冷激式操作状况2021/6/24图5-6外冷管式2021/6/24催化铂重整是石油加工中的重要过程，它以石脑油为原料，可生产高辛烷值汽油和芳烃，其中的大部分反应都是强吸热反应，在绝热反应器中由于反应吸热而降低了反应气体的温度，必须采用三至四段反应器串联，中间由加热炉补充供热，一般重整催化床的入口温度为480℃~530℃。为了降低固定床反应器的压力降，一些重整流程采用径向流动反应器。2021/6/24连续换热式催化床中反应与换热过程同时进行。乙烯催化氧化合成环氧乙烷

3、、萘氧化制邻苯二甲酸酐及乙烯与乙酸气相氧化制乙酸乙烯脂等反应的反应热大，采用管式催化床，见图5-6，催化剂装载在管内，以增加单位体积催化床的传热面积。载热体在管间流动或汽化以移走反应热。合理地选择载热体是控制反应温度和保持稳定操作的关键。载热体的温度与催化床之间的温差宜小，但又必须移走大量的反应热。2021/6/24反应温度不同，选用的载热体不同。—般反应温度200℃~250℃时采用加压热水汽化作载热体而副产中压蒸汽。反应温度250℃~300℃时，可采用挥发性低的有机载热体如矿物油，联苯-联苯醚混合物；反应温度在

4、300℃以上采用熔盐作载热体，有机载热体和熔盐吸收的反应热都用来产生蒸汽。2021/6/24图5-7三套管并流式冷管催化床温度分布及操作条件2021/6/24图5-8侧壁烧嘴式转化炉图5-9径向流动催化反应器2021/6/24按照反应气体在催化床中的流动方向，固定床反应器可分为轴向流动与径向流动，轴向流动反应器中气体流向与反应器的轴平行，而径向流动催化床中气体在垂直于反应器轴的各个横截面上沿半径方向流动，见图5-9。径向流动催化床的气体流道短，流速低，可大幅度地降低催化床压降，为使用小颗粒催化剂提供了条件。径向流

5、动反应器的设计关键是合理设计流道使各个横截面上的气体流量均等。2021/6/24图5-10径向二段冷激氨合成塔图5-11径向二段间接热氨合成塔2021/6/24图5-10和图5-11是公司大型氨合成反应器的径向二段冷激式及径向二段间接换热式．径向催化床中也可以安装冷管。华东理工大学于二十世纪六十年代开发了800mm鼠笼冷管型径向氨合成反应器，于八十年代开发了丁烯氧化脱氢制丁二烯年产l.6万吨二段绝热段间喷水冷激的径向反应器，二十一世纪初开发了年产十万吨和二十万吨乙苯脱氢二段绝热轴径向反应器。轴径向催化床见图5-1

6、2，催化床由无分隔的二部分组成，上部是轴向催化床，下部是轴径向混合流动催化床，便于装卸催化剂。顶端不封闭且侧壁不开孔，气体作轴径向混合流动，主要部分仍用侧壁开孔调节以保证气体作均匀径向流动。2021/6/24二、固定床催化反应器的数学模型非均相模型：计入传质、传热过程对催化剂本征反应速率的影响拟均相模型：本征动力学控制传递过程的影响颗粒宏观动力学研究得不够，只能将还原流体分布不均等影响计入本征动力学，即“活性校正系数”，再计入失活（中毒、衰老）——“寿命因子”以颗粒宏观动力学为基础，再计入流体分布不均——“活性校

7、正系数”、失活“寿命因子”。2021/6/24一维模型—只考虑轴向（沿气流方向）的浓度及温差二维模型—同时考虑径向（垂直于气流方向）的浓差及温差2021/6/24理想流动模型—对于固定床气-固相反应器，指平推流模型非理想流动模型—平推流，再计入轴向返混最基础模型——一维、拟均相、平推流模型其数学处理最简单如模型中计入传递过程，二维，轴向返混等参数，其数学表达式越复杂，求解也越难。一般L﹥﹥dP，不计入轴向返混；而薄床层计入轴向返混2021/6/24固定床催化反应器的分类？各有哪些优缺点？分别适用于哪些场合？常用的

8、载热体有哪些？分别适用于什么反应温度？为什么不同的反应温度必须采用不同温度的载热体？轴向催化床与径向催化床有什么不同？哪种更为先进？研究催化反应器的数学模型有哪几种？2021/6/24第二节固定床流体力学固定床中进行催化剂反应时，同时发生传热及传质过程，后两者又与流体在床层内的流动状况密切有关。为了研究固定床中化学反应的宏观反应过程，进行合理的反应器结构设计，必须先讨论固