第五章 气-固相催化反应工程

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1、第五章气－固相催化反应工程第一节概述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5-1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5-2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：5-3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

2、具体反应过程及反应器的特点进行分析，选用合适的模型。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）5-4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：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：三、固定床的当量直径：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：定义：对床层压降、床层有效导热系数，比表

3、面积影响大的影响因素：5-4固定床的物理特性：空隙率与径向流速分布：5-5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修正摩擦系数：5-5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）：<<1.75③若颗

4、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)。5-7固定床中流体的径向和轴向混合一

5、、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）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，

6、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：5-13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＝>

7、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

8、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。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