固定床反應(yīng)器設(shè)計組

關(guān)于固定床反應(yīng)器設(shè)計組第一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日1.定義：凡是流體通過不動的固體物料所形成的床層而進行反應(yīng)的裝置。固體催化劑顆粒堆積起來所形成的固定床層靜止不動，氣體反應(yīng)物自上而下流過床層，進行反應(yīng)的裝置稱作固定床反應(yīng)器。

一、固定床反應(yīng)器定義

第二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日催化劑作用的定義與基本特征定義：催化劑是一種物質(zhì)，它能夠加速化學(xué)反應(yīng)的速率而不改變反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由焓的變化，這種作用稱為催化作用?；咎卣鳎?、催化劑能夠加快化學(xué)反應(yīng)速率。2、催化劑對反應(yīng)具有選擇性3、催化劑只能加速熱力學(xué)上可能進行的化學(xué)反應(yīng)，而不能加速熱力學(xué)上無法進行的反應(yīng)。4、催化劑只能改變化學(xué)反應(yīng)的速率，而不能改變化學(xué)平衡的位置。5、催化劑不改變化學(xué)平衡，意味著既能加速正反應(yīng)，也能同樣程度加速逆反應(yīng)，這樣才能使其化學(xué)平衡常數(shù)保持不變第三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日催化劑的組成與功能組成：活性成分：是催化劑的主要成分，是起催化作用的根本性物質(zhì)，沒有活性組分，就不存在催化作用。助催化劑：本身對某一反應(yīng)沒有活性或活性很小但添加少量于催化劑中卻能使催化劑具有所期望的活性載體：是催化活性組分的分散性黏合物或支撐體，是負載活性組分的骨架抑制劑:調(diào)低催化劑活性。第四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日催化劑性能與標(biāo)志影響催化劑活性的因素1、活性：比活性、轉(zhuǎn)化率、空時收率2、選擇性：催化劑的選擇性是指催化劑促使反應(yīng)向所要求的方向進行而得到目的的產(chǎn)物的能力。計算式：選擇性=×100％3、使用壽命：是指催化劑在反應(yīng)條件下具有活性的使用時間4、機械強度和穩(wěn)定性生成目的的產(chǎn)物所消耗的原料量參加反應(yīng)所消耗的原料量第五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日工業(yè)催化劑的制備：目前，工業(yè)上使用的固體催化劑的制備方法有沉淀法、浸漬法、機械混合法、離子交換法、熔融法催化劑的成型：催化劑的成型方法通常有破碎成型、擠條成型、壓片成型及生產(chǎn)球狀成品成型技術(shù)一般固定床中球型催化劑的阻力最小，不規(guī)則者甚大。制備方法新進展1.納米技術(shù)2、氣相淀積技術(shù)3、膜催化劑4、微乳化技術(shù)5、化學(xué)鍍等其他方法第六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日氣固相催化反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)氣固相催化反應(yīng)過程：外擴散內(nèi)擴散吸附表面反應(yīng)脫附內(nèi)擴散外擴散化學(xué)吸附速率的一般表達式：活性組分，用表示表面過程第七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日吸附模型朗繆爾吸附模型

包括四個基本假設(shè)：1、催化劑表面各處的吸附能力是均勻地，各吸附位具有相同的能量；2、被吸附物僅形成單分子層吸附；3、吸附的分子間不發(fā)生相互作用，也不影響分子的吸附作用；4、所有吸附的機理是相同的。第八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日固定床反應(yīng)器設(shè)計催化劑顆粒的直徑和形狀系數(shù)催化劑形狀有：球形、圓柱形、片狀、環(huán)狀、無規(guī)則等催化劑粒徑大小：球形顆粒用直徑表示，非球形顆粒習(xí)慣上常用語球形顆粒做對比的相當(dāng)直徑表示用形狀系數(shù)Φs表示其與圓球形的差異程度第九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日1.催化劑顆粒的直徑和形狀系數(shù)形狀：催化劑顆粒，如球形、圓柱形、片狀、環(huán)狀、無規(guī)則等。球形顆粒：直徑；非球形顆粒：相當(dāng)直徑。形狀系數(shù)：即與非球形顆粒體積相等的圓球的外表面積與非球形顆粒的外表面積之比。對于球形顆粒，；對于非球形顆粒，。形狀系數(shù)說明了顆粒與圓球的差異程度。第十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日2.混合顆粒的平均直徑及形狀系數(shù)

當(dāng)催化劑床層由大小不一、形狀各異的顆粒組成時，計算混合顆粒的平均粒度及形狀系數(shù)?；旌项w粒平均直徑：算術(shù)平均直徑法、調(diào)和平均直徑法。算術(shù)平均直徑法：調(diào)和平均直徑法：注意：在固定床和流化床的流體力學(xué)計算中，用調(diào)和平均直徑較為符合實驗數(shù)據(jù)。結(jié)論：大小不等且形狀也各異的混合顆粒，其形狀系數(shù)由待測顆粒所組成的固定床壓力降來計算。同一批混合顆粒，平均直徑的計算方法不同，計算出來的形狀系數(shù)也不同。第十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日3.床層空隙率及徑向流速分布

空隙率的定義：催化劑床層的空隙體積與催化劑床層總體積之比。討論空隙率的意義：催化劑床層的重要特性之一，它對流體通過床層的壓力降、床層的有效導(dǎo)熱系數(shù)及比表面積都有重大的影響。影響床層空隙率大小的因素：顆粒形狀、顆粒的粒度分布、顆粒表面的粗糙度、充填方式、顆粒直徑與容器直徑之比等。壁效應(yīng)：器壁對空隙率分布的這種影響及由此造成對流動、傳熱和傳質(zhì)的影響。一般工程上：達達8時，可不計壁效應(yīng)，故工業(yè)上通常要求。第十二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日3.床層空隙率及徑向流速分布

如果固定床與外界換熱，床層非恒溫，存在著徑向溫度分布，則床層中徑向流速分布的變化比恒溫時還要大；當(dāng)管內(nèi)數(shù)增大時，徑向流速分布要趨向平坦。如圖所示。管式催化床內(nèi)直徑一般為25～40mm，而催化劑顆粒直徑一般為5～8mm，即管徑與催化劑顆粒直徑比相當(dāng)小，此時壁效應(yīng)對床層中徑向空隙率分布和徑向流速分布及催化反應(yīng)性能的影響必須考慮?？紫堵史植嫉谑摚捕捻?，編輯于2023年，星期日4、流體在固定床中流動的特性流體在固定床中的流動情況較之在空管中的流動要復(fù)雜得多。固定床中流體是在顆粒間的空隙中流動，顆粒間空隙形成的孔道是彎曲的、相互交錯的，孔道數(shù)和孔道截面沿流向也在不斷改變?？障堵适强椎捞匦缘囊粋€主要反映。在床層徑向，空隙率分布的不均勻，造成流速分布的不均勻性。流速的不均勻造成物料停留時間和傳熱情況不均勻性，最終影響反應(yīng)的結(jié)果。由于固定床內(nèi)流動的復(fù)雜性，至今難以用數(shù)學(xué)解析式來描述流速分布。結(jié)果：工藝計算中常采用床層平均流速的概念。第十四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日4、流體在固定床中流動的特性流體在固定床中流動時，由于本身的湍流、對催化劑顆粒的撞擊、繞流、以及孔道的不斷縮小和擴大，造成流體的不斷分散和混合，這種混合擴散現(xiàn)象在固定床內(nèi)并非各向同性。因而通常把它分成徑向混合和軸向混合兩個方面進行研究。徑向混合可以簡單理解為:由于流體在流動過程中不斷撞擊到顆粒上，發(fā)生流股的分裂而造成.軸向混合可簡單地理解為:流體沿軸向依次流過一個由顆粒間空隙形成的串聯(lián)著的“小槽”，在進口處，由于孔道收縮，流速增大，進到“小槽”后，由于突然擴大而減速，形成混合。固定床內(nèi)徑向混合示意圖第十五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日固定床中流體流動行為的描述固定床中的流體流動，可以用簡單的擴散模型進行模擬。流動由兩部分合成：一部分流體以平均流速沿軸向作理想置換式的流動；另一部分為流體的徑向和軸向的混合擴散，包括分子擴散（滯流時為主）和渦流擴散（湍流時為主）。結(jié)果：根據(jù)不同的混合擴散程度，將兩個部分迭加。第十六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日流體流過固定床層的壓力降

流體流過固定床層的壓力降，主要是由于流體與顆粒表面間的摩擦阻力和流體在孔道中的收縮、擴大和再分布等局部阻力引起。當(dāng)流動狀態(tài)為滯流時，摩擦阻力為主；當(dāng)流動狀態(tài)為湍流時，以局部阻力為主。常用壓降公式：埃岡（Ergun）修正摩擦系數(shù)修正雷諾數(shù)第十七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日5、固定床中的傳質(zhì)與傳熱1、固定床中的傳質(zhì)

2、固定床中的傳熱

第十八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日固定床中的傳質(zhì)固定床反應(yīng)器中的傳質(zhì)過程：

外擴散、內(nèi)擴散和床層內(nèi)的混合擴散。因為氣固相催化反應(yīng)發(fā)生在催化劑表面，所以反應(yīng)組分必須到達催化劑表面才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在固定床反應(yīng)器中，由于催化劑粒徑不能太小，故常常采用多孔催化劑以提供反應(yīng)所需要的表面積。結(jié)果：反應(yīng)主要在內(nèi)表面進行，內(nèi)擴散過程則直接影響著反應(yīng)過程的宏觀速率。第十九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日固定床中的傳熱床層的傳熱性能對于床內(nèi)的溫度分布，進而對反應(yīng)速率和物料組成分布都具有很大影響。由于反應(yīng)是在催化劑顆粒內(nèi)進行的，固定床的傳熱實質(zhì)上包括了顆粒內(nèi)的傳熱、顆粒與流體之間的傳熱以及床層與器壁的傳熱等幾個方面。反應(yīng)器中的溫度分布：軸向溫度分布不均徑向有顯著的溫度梯度固定床反應(yīng)器內(nèi)的傳熱過程第二十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日固定床反應(yīng)器內(nèi)的傳熱過程

（1）反應(yīng)熱由催化劑內(nèi)部向外表面?zhèn)鬟f；（2）反應(yīng)熱由催化劑外表面向流體主體傳遞；（3）反應(yīng)熱少部分由反應(yīng)后的流體沿軸向帶走，主要部分由徑向通過催化劑和流體構(gòu)成的床層傳遞至反應(yīng)器器壁，由載熱體帶走。注意：上述的每一步傳熱過程都包含著傳導(dǎo)、對流和輻射三種傳熱方式。傳熱過程處理和計算方法

第二十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日

處理方法對于這樣復(fù)雜的傳熱過程，根據(jù)不同情況和要求，作不同程度的簡化處理。如多數(shù)情況下，可以把催化劑顆?？闯墒呛銣伢w，而不考慮顆粒內(nèi)的傳熱阻力。除了快速強放熱反應(yīng)外，也可以忽略催化劑表面和流體之間的溫度差。床層內(nèi)的傳熱阻力是不能忽視的。為了確定反應(yīng)器的換熱面積和了解床層內(nèi)的溫度分布，必須進行床層內(nèi)部和床層與器壁之間的傳熱計算。針對不同的要求也有不同的計算方法。如為了計算反應(yīng)器的換熱面積，可以不計算床層內(nèi)徑向傳熱，而采用包括床層傳熱阻力的床層對壁給熱系數(shù)計算；為了了解床層徑向溫度分布，必須采用床層有效導(dǎo)熱系數(shù)和表觀壁膜給熱系數(shù)相結(jié)合計算床層徑