气固相催化反应器2

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1、任意形状催化剂的等温宏观动力学方程可近似表达如下：5.3.3 扩散控制的判定 Wheeler-Weisz模量：一级不可逆反应n级不可逆反应5.3.4 催化剂的失活与降活动力学失活原因 ：中毒污垢沉积烧结（热失活）失活机理平行失活连串失活并列失活独立失活5.4 气-固非均相催化反应器的设计按颗粒床层的特性可区分为：固定床催化反应器流化床催化反应器5.4.1 气-固非均相催化反应器的类型固定床催化反应器： 按催化床的换热方式绝热式连续换热式单段绝热式多段绝热式外冷列管式内冷自热式 按气体流动方向与反应器主轴方向的关系轴向流动反应器：气体流动方向与反应器的主轴方向相同。径向流动反应器：气体流动方向与

2、反应器的主轴方向垂直而呈径向流动。绝热型换热型流化床催化反应器：催化剂受自下而上流动的气体作用而上下翻滚作剧烈的运动，床层内温度均匀。5.4.2 气-固非均相催化反应器设计原则催化反应器的设计包括两部分的内容： 化工设计：主要内容是选型、确定工艺操作条件和进行工艺尺寸计算。 机械设计：主要内容是机械结构设计（含流体分布装置设计）和强度设计。l绝热、换热两种；操作方式的不同，反应器的 结构就不同。l操作方式由反应的热效应和操作范围的宽窄及 反应的经济效益等决定。l从反应器的设计、制造及操作考虑，绝热型比 较简单。l从设计上讲，基本方程是一样的。固定床反应器的操作方式：l设计固定床反应器的要求：

3、（1）生产强度尽量大 （2）气体通过床层阻力小 （3）床层温度分布合理 （4）运行可靠，检修方便l计算包括三种情况： （1）设计新反应器的工艺尺寸 （2）对现有反应器，校核工艺指标 （3）对现有反应器，改进工艺指标，达到最大 生产强度。基本问题 温度、浓度分布，气相压降，转化率及催化剂用量选择固定床反应器的原则什么反应需要用固定床反应器？气固相催化反应首选非常普遍如，合成氨、硫酸、合成甲醇、环氧乙烷乙二醇、苯酐及炼油厂中的铂重整等。5.4.3 固定床反应器的数学模型及设计流体在固定床反应器内的传递特性l气体在催化剂颗粒之间的孔隙中流动，较在管内 流动更容易达到湍流。l气体自上而下流过床层。l气

4、体流动通过催化剂床层，将产生压降。l压降计算通常利用厄根（Ergun）方程：l可用来计算床层压力分布。l如果压降不大，在床层各处物性变化不大，可视为常数，压降将呈线性分布（大多数情况）。l比表面积当量直径： (非球形颗粒折合成相同 比表面积的球形颗粒应当具有的直径）l混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子直 径的加权平均）l例： 在内径为50mm的管内装有4m高的 催化剂层，催化剂的粒径分布如表所示 。l催化剂为球体，空隙率B=0.44。在反应 条件下气体的密度g=2.46kg.m-3，粘度 g=2.310-5kg.m-1s-1，气体的质量流速 G=6.2kg.m-2s-1。求床层的压降。l解

5、：求颗粒的平均直径。l计算修正雷诺数。l计算床层压降。固定床反应器的数学模型l对于一个过程，进行合理的简化，利用数学公式进 行描述，在一定的输入条件下，预测体系输出的变 化。l对同一个体系，根据不同的简化和假定，可以构造 不同的模型。l不同的简化和假定，也决定了模型必然含有一些参 数，以修正模型与实际体系的差异。l根据不同的简化和假定，分为几种不同层次的模型 。模型化对于固定床反应器，一般有以下模型：l一维拟均相平推流模型l一维拟均相带有轴向返混的模型l二维拟均相模型l二维非均相模型l二维非均相带有颗粒内梯度的模型ll一维：参数只随轴向位置而变。l二维：参数随轴向和径向位置而变。l拟均相：流相

6、和固相结合，视为同一相。l非均相：流相和固相分别考虑。l平推流：不考虑轴向返混。l带有轴向返混的模型：在平推流模型的基础上叠加了轴向返混。一维拟均相平推流模型l物料衡算l在管式反应器中垂直于流动方 向取一个微元，以这个微元对A 组份做物料衡算：dV输入 输出 = 反应 积累FA FA+dFA RA (1-B)Atdl 0l整理得：l对照平推流反应器模型l二者相同l热量衡算：（仍然是那块体积）输入热量输出热量+反应热效应=与外界的热交换+积累输入：G cp T G质量流量, cp恒压热容输出：G cp(T+dT)反应热效应：(-RA)(1-B)(-H)Atdl热交换：U(T-Tr)dtdl dt

7、反应器直径积累：0U:气流与冷却介质之间的换热系数Tr：环境温度l将各式代入，得l动量衡算：仍然是Ergun方程l将三个方程联立：l边界条件：L=0, p=p0, xA=xA0, T=T0需要注意的问题（1） 从解题的角度看，一般壁温恒定，实际情况并非如此。（2 ）对于低压系统，压降十分重要。（3 ）U不是物性参数，需实验确定。（4 ）注意u0, u, um 的关系。（5 ）如果多根管子并联，体系将自动调节各管的流量，使压降相同，此时各管的处理量不同，转化率不同，造成生产能力和产品质量下降。表示流体通过床层的空塔流速表示流体通过床层的实际流速表示床层入口处流体的实际流速典型模拟结果l1、 等温

8、：反应热效应不大，管径较小，传 热很好时，可近似按等温计算。l等温时，两种特殊情况：l2、绝热：若绝热，则T=Tr，或者认为U=0。l此时，将物料衡算式与热量衡算式合并，可得 ：l：绝热温升，如果在一定范围内视物性为常数 ， 将不随x及T变化。则：lTT0=(xx0)温度与转化率形成一一对应关系 ， 中，温度可以由T= T0 +(xx0)代替。固定床反应器模型评述l非理想模型，当平推流模型描述不够满意时采用。l修正轴向热量、质量返混带来的与平推流模型的偏离。l物理模型：l在拟均相平推流模型上迭加一个轴向返混，与 非理想流动中介绍的返混模型相同，但增加热扩散的考虑。一、带有轴向返混的一维模型l稳

9、态，在dVR体积中对A组份做物料衡算 ：l输入l输出l反应l输入输出反应LdlcA0,FA0,xA0=0,V0cA,FA,xA,V FA, xAFA+dFA,xA+dxAdVRl将以上三式合并，得：l式中，EZ为轴向有效扩散系数。l相应，在同样条件下，对dVR做热量衡算：l反应：l散热：l输入放热输出散热l整理得：lZ为轴向有效导热系数l边值条件：l二阶常微分方程组，两点边值问题。l可调用程序求解讨论：（1） 轴向扩散的引入，可以导致温度、浓度分布趋于平缓。（2） 许多不确定因素可以归结到轴向扩散中。（3 ）轴向扩散可能会造成多重态。（4） 轴向扩散系数与轴向导热系数有一定的函数关系。（5）

10、经验证明，当床层厚度大于50倍颗粒直径时，轴向热质扩散（轴向返混）对出口转化率所造成的影响可以忽略不计。（6） 轴向扩散系数和轴向导热系数都不是物性参数。其中都包含了流体和固体颗粒双重的贡献。（7） 轴向扩散系数和轴向导热系数需通过实验求取或参考文献值及通过经验公式求取。二、二维拟均相模型l二维：轴向和径向l对于径向存在较大的温度差、浓度差的反应器，一维模型有时不能满足要求，需要考虑径向的温度浓度分布。l与一维模型相比，考虑的因素更多，得到的结果更复杂，各有优缺点。模型假定：1 反应在圆管式反应器中进行。2 流体在催化剂管内为非理想流动，存在着轴、径向的质量和热量扩散。3 流固相之间没有温度、

11、浓度差。4 扩散遵循Fick扩散定律。l在管式反应器中取一微元：drdlRrl定常态条件下就环形微元对A做物料衡算 ：l输入输出=反应l整理得：l热量衡算：l输入输出反应l与质量衡算类似，轴向热扩散项可以忽略 ：l动量衡算方程与一维模型相同。l边界条件：l=0l=Ll在任意截面上流体的平均温度浓度关于模型参数l模型参数是模型的一个重要组成部分，与模型紧密结合。l模型参数包含轴径向有效导热系数与扩散系数及流体与管壁之间的给热系数。l模型参数的取得，与实验条件有关，在具体应用时，要选择尽可能接近应用条件的文献值。径 向 温 度 分 布非均相模型l考虑到流体与催化剂颗粒之间有较大的温度差和浓度差，流

12、固相不能当成一个虚拟的均相处理，派生出了非均相模型。l如果再考虑到颗粒内部的温度与浓度梯度，又会产生考虑到粒内温度浓度梯度的模型。热 量 传 递热 量 传 递拟均相一维 平推流模型热 量 传 递热 量 传 递带有轴向返混的 拟均相一维模型热质传递热 量 传 递热 量 传 递拟均相二维模型热质传递固体相热 量 传 递热 量 传 递二维非均相模型热质传递抽 象 成 为热 量 传 递二维非均相模型热质传递热 量 传 递流体相热 量 传 递考虑颗粒内梯度的二维非均相模型热质传递热 量 传 递流体相 固体相模型评述l考虑的因素越多，模型越复杂，模型参数就越多， 模型参数的可靠性就越重要。l并非模型越复杂

13、越好。模型复杂增加了实验、计算 工作量，增加了出错的概率。l以简单实用为好。如返混严重，宜用带轴向返混的 一维模型；径向温差大，宜用拟均相二维模型等。l非均相模型慎用，非不得已，不用过于复杂的模型 。5.4.5 气固相催化反应流化床反应器流化床反应器的数学模型及设计l流态化现象：使微粒固体通过与气体或液体接 触而转变成类似流体的操作。l固体颗粒层与流体接触的不同类型：流体流速增加固 定 床初 始 流 态 化散式流态化聚式流态化腾涌 稀相流态化液体气体流化床的基本概念l当通过床层的流体流量较小时，颗粒受到的升力（浮力与曳力之和）小于颗粒自身重力时，颗粒在床层内静止不动，流体由颗粒之间的空隙通过。

14、此时床层称为固定床。l随着流体流量增加，颗粒受到的曳力也随着增大。若颗粒受到的升力恰好等于自身重量时，颗粒受力处于平衡状态，故颗粒将在床层内作上下、左右、前后的激烈运动，这种现象被称为固体的流态化，整个床层称为流化床。流化床类似液体的性状l轻的物体浮起；l表面保持水平；l固体颗粒从孔中喷出；l床面拉平；l床层重量除以截面积等于压强流化床的优点颗粒流动类似液体，易于处理，控制；固体颗粒迅速混合，整个床层等温；颗粒可以在两个流化床之间流动、循环，使大量热、质有可能在床层之间传递；宜于大规模操作；气体和固体之间的热质传递较其它方式高；流化床与床内构件的给热系数大。流化床的缺点l气体的流动状态难以描述

15、，偏离平推流，气泡使颗粒发生沟流，接触效率下降；l颗粒在床层迅速混合，造成停留时间分布不均匀；l脆性颗粒易粉碎被气流带走；l颗粒对设备磨损严重；l对高温非催化操作，颗粒易于聚集和烧结。流化床的工业应用l第一次工业应用：1922年 Fritz Winkler获德国专利，1926年第一台高13米，截面积12平方米的煤气发生炉开始运转。l目前最重要的工业应用：SOD(Standard Oil Development Company) IV型催化裂化。散式流化和聚式流化（1）散式流态化随着流体流量的加大，床层内空隙率增大，颗粒之间间距加大，而颗粒在床层中分布均匀，流体基本上以平推流形式通过床层，人们称

16、这种流化形式为散式流态化。（2）聚式流态化在此类流态化形式中，床层明显地分成两部分。其一是乳化相：固体颗粒被分散于流体中，单位体积内颗粒量类似于散式流化床的初始流化状态。其二是气泡相：流体以气泡形式通过床层。两种流态化的判别一般认为液固流态化为散式流态化而气固之间的流化状态多为聚式流态化。为散式流态化为聚式流态化浓相段和稀相段l当流体通过固体床层的空塔速度值高于初始流化速度但低于逸出速度，颗粒在气流作用下悬浮于床层中，所形成的流固混合物称为浓相段。l在浓相段上升的气泡在界面上破裂，气泡内颗粒以及受气泡挟带的乳化相中颗粒将被抛向浓相段上方空间。这段空间称为稀相段或称分离段。颗粒含量床高稀相段浓相段浓相段和稀相段流态化的不正常现象l沟流：由于流体分布板设计或安装上存在问题，使流体通过分布板进入浓相段形成的不是气泡而是气流，称沟流。沟流造成