气-固相催化反应器

《气-固相催化反应器》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第五章气-固相催化反应器一、反应器类型反应器的选择：动力学、反应器性能分为三类：固定床（最多）流化床（比较多）：反应器内固体粒子可以象流体一样被流化起来。移动床（较少）：固体颗粒自反应器顶部连续加入，自上而下移动，由底部卸出。反应流体与颗粒逆流接触。1、固定床反应器反应器内填充有固定不动的固体颗粒，可以是催化剂，也可以是固体反应物。或者说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都称作固定床反应器。固定床催化反应器绝热式单段绝热式多段绝热式连续换热式外热式自热式优缺点：①床层内流体流动接近平推流。（返混、催化剂少和较小的反应器容积来获得较大的生产能力）②严格控

2、制停留时间，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率。③结构简单，操作方便，催化剂磨损小。④传热较差。⑤压力降大，因此压力降受限制。⑥催化剂的更换必须停产进行。多段绝热式固定床间接换热式冷激式原料气冷激式惰性气体冷激式(a)间接换热式；(b)原料气冷激式；(c)非原料气冷激式连续换热式固定床根据换热介质的不同可分为外热式和自热式。外热式：用某种和反应无关的热载体加热或冷却反应床层的反应器。它一般用于强放热或强吸热反应。其型式多用列管式，通常将催化剂放在管内，管间通过载热体，也有的与之相反。载热体可根据反应过程所要求的温度，反应热效应，操作压力及过程对温度

3、的敏感度来选择。一般采用强制循环进行换热。外热式反应器的反应管径一般都比较小，多为20～35mm。一方面是为了减小床层的径向温差，另一方面是为了单位床层体积具有较大的换热面积，其优点是床层轴向温度分布比绝热式反应器均匀，其缺点是结构比绝热式反应器复杂，催化剂装填也不太方便。自热式：利用反应热来加热原料气使之达到要求温度，再进入催化剂床层进行反应的自身换热式反应器。它只适用于热效应不太大的放热反应和原料气必须预热的系统。这种反应器本身能达到热量平衡，不需外加热源或者外加热介质来冷却反应床层。自热式反应器的形式很多。一般是在圆筒形的容器内配置许多与轴向平行的管子（俗称冷管），

4、管内通过冷原料气，管外放置催化剂，所以又称管壳式固定床反应器。它按冷管的形式可分为单管、双套管、三套管和U型管反应器几种。在按管内外流体的流向还有并流和逆流之分。单管逆流式催化床及温度分布示意图图中Tb催化剂层的轴向温度，Ta为内外冷管环隙内（或单冷管管内）的气体温度，Ti为内冷管内的气体温度。双套管并流式催化床及温度分布示意图图中Tb催化剂层的轴向温度，Ta为内外冷管环隙内（或单冷管管内）的气体温度，Ti为内冷管内的气体温度。三套管并流式催化床及温度分布示意图图中Tb催化剂层的轴向温度，Ta为内外冷管环隙内（或单冷管管内）的气体温度，Ti为内冷管内的气体温度。二、反应器

5、设计原则1、设计内容化工设计：①选型；②确定最佳工艺操作条件；③化工尺寸计算。机械设计：①结构设计；②强度计算2、设计必备条件①反应过程的热力学数据（物性）；②反应体系的动力学数据（动力学方程）；③反应体系的传递属性数据。3、设计的基本方程4、设计时应遵循的基本原则①设计不单纯是床层最佳化，根据工艺的特点和工程实际情况，应用反应工程的观点来确定最佳工艺操作参数；②设备结构、维修，工程问题；③高压反应器的填装系数要高，流体分布均匀，压力降小，内置的一些部件要合理；④机械强度与温度应力。三、反应器的基础数学模型根据反应动力学可分为非均相与拟均相两类。根据催化床中温度分布可分为

6、一维模型和二维模型。根据流体的流动状况又可分为理想流动模型和非理想流动模型。传质和传热过程对反应速率的影响计入模型，称为“非均相”模型。如果反应属于化学动力学控制，催化剂颗粒外表面上及颗粒内部反应组分的浓度及温度都与气流主体一致，计算过程与均相反应过程一样，故称为“拟均相”模型。如果催化过程的宏观动力学研究得不够，只能按本征动力学处理，而将传递过程的影响、催化剂的中毒、结焦、衰老、还原等项因素合并成为“活性校正系数”和“寿命因子”，这种处理方法属于“拟均相”模型。三、反应器的基础数学模型一维模型：只考虑反应器中沿着流动方向的浓度差和温度差。二维模型：若同时计入垂直于气流动

7、方向的浓度差和温度差。一维拟均相平推流模型是最基础的模型，在这个模型基础上，按各种类型反应器的实际情况，计入轴向返混、径向浓度差及温度差，相间及颗粒内部的传质和传热。如下表5-1所示。四、固定床流体力学1、颗粒的当量直径和形状系数（1）体积当量直径dVVp=4/3πR3dV=(6Vp/π)1/3（2）等外表面积当量直径Dp（3）等比表面积当量直径ds比表面：（4）形状系数（球形系数）颗粒外表面Sp，等体积球形的外表面积Ss因为Sp≥Ss所以2、混合颗粒的平均直径混合颗粒的平均直径可以用筛分分析数据算出，计算方法三种。3、床层的