固相催化反應(yīng)器ppt課件

1、一、固相催化反應(yīng)器的發(fā)展背景及催化劑工業(yè) 的發(fā)展方向 二、固相催化反應(yīng)與固體催化劑 三、固相催化反應(yīng)過程 四、固相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與操作,主要內(nèi)容,一、固相催化反應(yīng)器的發(fā)展背景,20世紀(jì)以來，化學(xué)工業(yè)的品種和規(guī)模的巨大增長(zhǎng)無不借助催化劑，從世紀(jì)初合成氨的工業(yè)化、50年代以后石油化學(xué)工業(yè)和高分子工業(yè)的興起、乃至60年代以后解決環(huán)境保護(hù)問題都和使用催化劑有關(guān)，現(xiàn)代化的化工和石油加工過程約90%是催化過程。,催化劑工業(yè)的發(fā)展方向,更新原料路線，采用更廉價(jià)的原料（資源有效利用） 緩和工藝操作條件，達(dá)到節(jié)能降耗的目的（節(jié)能） 開發(fā)新產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的收率，改善產(chǎn)品的質(zhì)量（開發(fā)新產(chǎn)品） 消除環(huán)境污染（環(huán)境保

2、護(hù)）,化學(xué)反應(yīng)的分類 無論是自然界還是實(shí)際生產(chǎn)過程中，存在各種各樣的化學(xué)反應(yīng)，通常為了便于研究和應(yīng)用，將化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分類。下表中給出了常見的化學(xué)反應(yīng)分類、方法和種類，一些可能同時(shí)屬于兩個(gè)或者更多的反應(yīng)種類。,催化反應(yīng)體系的分類,按催化反應(yīng)體系物相的均一性分類 1.均相催化 所有反應(yīng)物和催化劑分子分散在一個(gè)相中。 2.多相催化 催化劑與反應(yīng)物處于不同的相，催化劑與反應(yīng)物有相界面將其隔開。 3.酶催化 兼有均相催化和多相催化的一些特性。,多相催化的相組合,二、固相催化反應(yīng)與固體催化劑 （一）催化反應(yīng)的特征及其在環(huán)境工程中的應(yīng)用,催 化 劑： 催化劑是一種物質(zhì)，它能加速反應(yīng)的速率而不改變?cè)摲磻?yīng)的標(biāo)準(zhǔn)

3、Gibbs自由焓變化。 催化反應(yīng)：涉及催化劑的反應(yīng)稱催化反應(yīng)。均相催化反應(yīng)、非均相催化反應(yīng) 應(yīng) 用：有機(jī)廢氣的催化氧化處理(Pt，Mn-Cu，Mn-Fe)； 低濃度廢水、污染地下水的高級(jí)氧化處理(TiO2)； 高濃度有機(jī)廢水的催化濕式氧化； 硝酸根廢水、硝酸鹽污染地下水的催化還原處理(Fe)。,工業(yè)上常用的催化劑的形式,有機(jī)廢氣凈化催化劑,油田氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫催化劑,煉廠氣加氫脫硫催化劑,鎳催化劑,催化劑本身在反應(yīng)前后不發(fā)生變化，催化劑能夠反復(fù)利用，所以一般情況下催化劑的用量很少。 催化劑只能改變反應(yīng)的歷程和反應(yīng)速率，不能改變反應(yīng)的產(chǎn)物。 對(duì)于可逆反應(yīng)，催化劑不改變反應(yīng)的平衡狀態(tài)，即不改變化學(xué)平

4、衡關(guān)系。 催化劑對(duì)反應(yīng)有較好的選擇性，一種催化劑一般只能催化特定的一個(gè)或一類反應(yīng)。,催化反應(yīng)的基本特征：,(1)活性物質(zhì)：催化劑中真正起催化作用的組分，它常被分散固定在多孔物質(zhì)的表面。（金屬、金屬氧化物） (2)載體（擔(dān)體）：載體常常是多孔性物質(zhì)，主要作用是提供大的表面和微孔，使催化活性物質(zhì)附著在外部及內(nèi)部表面。 (3)促進(jìn)劑：改善催化劑活性（氨催化合成鐵催化劑 Ca O） (4)抑制劑：抑制催化劑活性，增強(qiáng)穩(wěn)定性（銀催化劑中加入鹵化物控制乙烯的完全氧化）,（二）固體催化劑 1. 固體催化劑的組成 活性物質(zhì)、載體、助催化劑、抑制劑,(1)比表面積(as) (specific Surface A

5、rea) 單位質(zhì)量催化劑具有的表面積,以as表示。 大多數(shù)固體催化劑的比表面積在51000m2/g之間。 (2)孔體積(Vg)和孔隙率( p) 每克催化劑內(nèi)部微孔所占的體積。 孔隙率是固體催化劑顆粒孔容積占總體積的分率。 (3)固體密度( s )和顆粒密度( P ) ： 固體密度( s ) ：指催化劑固體物質(zhì)本身的密度。 顆粒密度( P ) ：指單位體積固體催化劑顆粒（包括孔體積）的質(zhì)量。,2.固體催化劑的物理性狀,(4)微孔的結(jié)構(gòu)與孔體積分布 (5)顆粒堆積密度( b ) 固體催化劑填充層的密度（質(zhì)量與填充層體積之比） (6)填充層空隙率(b) 固體催化劑填充層內(nèi)空隙體積與總體積之比。,三、

6、固相催化反應(yīng)過程,固相催化反應(yīng)的發(fā)生場(chǎng)所：,反應(yīng)物的外擴(kuò)散；反應(yīng)物的內(nèi)擴(kuò)散；反應(yīng)物的吸附； 表面反應(yīng)；產(chǎn)物的脫附；產(chǎn)物的內(nèi)擴(kuò)散；產(chǎn)物的外擴(kuò)散,流體主體,邊界層,擴(kuò)散過程 動(dòng)力學(xué)過程 (表面過程),催化劑的表面（外、內(nèi)表面）,操作方式：固定床催化反應(yīng)器多用于氣-固催化反應(yīng)，其一般操作方式是氣體從上而下通過床層。 應(yīng) 用：石油化工、有機(jī)化工、廢水/廢氣的催化處理。 特 點(diǎn)：催化反應(yīng)大多數(shù)都伴隨著熱效應(yīng)，反應(yīng)器的溫度控制是反應(yīng)器操作的關(guān)鍵。 反應(yīng)器類型：熱交換方式可分為絕熱式反應(yīng)器、換熱式反應(yīng)器、自熱式反應(yīng)器等。,四、固相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與操作 （一）固定床催化反應(yīng)器,實(shí)驗(yàn)室專用小型固定床為管式反應(yīng)

7、器的形式，適用于氣固相催化反應(yīng)，催化劑評(píng)價(jià)與工藝條件選擇以及宏觀動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要用于加氫、脫氫、烴化、芳構(gòu)化、氨化等有機(jī)催化反應(yīng)的研究和教學(xué)實(shí)驗(yàn)。,生物質(zhì)流化床催化氣化制氫裝置,該裝置主要包括空氣壓縮機(jī)、蒸汽發(fā)生器、流化床、固定床催化反應(yīng)器。該流化床的處理能力為1kg/h左右，目前實(shí)驗(yàn)最高氫產(chǎn)率可達(dá)到130.28 g H2/kg biomass (松木鋸末)。目前該裝置主要用于生物質(zhì)快速熱解液化制取生物質(zhì)熱解油的研究。,催化劑床層,固定床用催化劑,要求： 催化劑的強(qiáng)度、粒度范圍較大 形狀不一的粒狀催化劑易造成氣流分布不均 顆粒尺寸過小會(huì)加大氣流阻力，且成型困難,對(duì)已知原料組成和要實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化率,

8、計(jì)算求出反應(yīng)器的體積、催化劑的需要量、床層高度以及有關(guān)的工藝參數(shù)等。,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化模型： 一維擬均相理想模型（最簡(jiǎn)單的模型）的基本假設(shè)： 流體在反應(yīng)器內(nèi)徑向溫度、濃度均一，僅沿軸向變化，流體流動(dòng)相當(dāng)于推流式反應(yīng)器。 流體與催化劑在同一截面處的溫度、反應(yīng)物濃度相同,固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要任務(wù)：,1.等溫反應(yīng)器的設(shè)計(jì),反應(yīng)速率方程,根據(jù)設(shè)計(jì)方程可求出m、繼而可求出床層高度,物料衡算式的推導(dǎo),對(duì)于厚度為dL的床層微體積單元,A的進(jìn)入量： qnA A的流出量： qnAdqnA A的反應(yīng)量： A的積累量：0,物料衡算式 反應(yīng)速率方程(溫度、轉(zhuǎn)化率),2.非等溫固定床催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì),（二）流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

9、與操作,顆粒的流化及流化態(tài)的各種形式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 傳熱效能高，床層溫度均勻 氣固相間傳質(zhì)速率較高 催化劑粒子小，效能高 有助于催化劑循環(huán)再生 催化劑和設(shè)備磨損大 氣流不均時(shí)氣固相接觸效率降低 返混大，影響產(chǎn)品質(zhì)量均一性,石油催化裂化 丙烯-氨氧化制丙烯腈 萘氧化制鄰苯二甲酸酐 煤燃燒與轉(zhuǎn)化 金屬提取和加工,流化床反應(yīng)器的特點(diǎn),流化床反應(yīng)器的重要應(yīng)用,流化床反應(yīng)器：催化劑顆粒處于流態(tài)化狀態(tài)的反應(yīng)器,1.固體粒子的流化態(tài)與流化床反應(yīng)器,流化床的主要優(yōu)點(diǎn)： 熱能效率高，床內(nèi)溫度易于維持均勻； 傳質(zhì)效率高； 顆粒一般較小，可以消除內(nèi)擴(kuò)散的影響； 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 流化床的主要不足： 能量消耗大； 顆粒

10、間的磨損和帶出造成催化劑的損耗； 氣固反應(yīng)的流動(dòng)狀態(tài)不均勻，會(huì)降低氣固接觸面積； 顆粒的流動(dòng)基本上時(shí)全混流，同時(shí)造成流體的返混，影響反應(yīng)速率。,催化劑顆粒,反應(yīng)氣,流化床用催化劑,要求: 催化劑必須有良好的流動(dòng)性能 微球顆粒直徑為20-150m,2.流化床的設(shè)計(jì),流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)模型 物料平衡式 熱量平衡式 流體力學(xué)方程 動(dòng)力學(xué)方程,建立數(shù)學(xué)模型的目的是要定量地分析影響流化床性能的各個(gè)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，解決反應(yīng)器放大和控制以及相關(guān)的最優(yōu)化問題。 模型的類別 （1）簡(jiǎn)單均相模型,全混流模型,活塞流模型,（2）兩相模型,氣泡相（活塞流） 乳化相（活塞流）,氣泡相（活塞流） 乳化相（全混流）,（3）三相模型,氣泡相上流相（氣+固） 下流相（氣+固）,氣泡相 氣泡云乳化相,其它還有氣泡模型、四區(qū)模型等，有些模型還考慮了分布器和自由空間等的影響。,流化床的數(shù)學(xué)模型,以上各種模型，大多數(shù)以氣泡直徑作為模型參數(shù)，根據(jù)氣泡直徑是否可變分為以下幾種情況： （1）各參數(shù)為常數(shù)，不隨床高變化，也與氣泡狀況無關(guān)； （2）各參數(shù)為常數(shù)，不隨床高變化，用一恒定不變的當(dāng)量氣泡直徑作為模型的可調(diào)參數(shù)。 （3）各參數(shù)與氣泡大小有關(guān)，氣泡大小隨床高變化。 迄今為止，已提出很多流化床數(shù)學(xué)模型，也有一些應(yīng)用的實(shí)例與實(shí)際情況比較符合，但尚無一個(gè)被公認(rèn)為可普遍使用的數(shù)學(xué)模型。,推流式反應(yīng)器,又稱活