化学反应过程与设备——反应器选择设计和操作（ 第二版） 教学课件 作者 陈炳和许宁 主编 项目二任务六七.pptVIP

尚辅网 尚辅网 任务6　固定床反应器设计 　　根据化工产品的生产条件和工艺要求进行固定床反应器的工艺设计。 一、固体催化剂基础知识 (二)工业催化剂的制备 1.沉淀法 2.浸渍法 3.混合法 4.熔融法 5.离子交换法 6.催化剂的成型 二、气固相催化反应动力学基础 (一)气固相催化反应速率的表示 上式中的反应区域，气固相催化反应有几种选择： (1)选用催化剂体积，反应速率单位为 (2)选用催化剂质量，反应速率单位为 (3)选用催化剂堆积体积，即反应器中催化剂床层体积，反应速率单位为 (二)气固相催化反应过程 一般而言，气固相催化反应过程经历以下七个步骤： 1.反应组分从流体主体向固体催化剂外表面传递（外扩散过程）； 2.反应组分从催化剂外表面向催化剂内表面传递（内扩散过程）； 3.反应组分在催化剂表面的活性中心吸附（吸附过程）； 4.在催化剂表面上进行化学反应（表面反应过程）； 5.反应产物在催化剂表面上脱附（脱附过程）； 6.反应产物从催化剂内表面向催化剂外表面传递（内扩散过程）； 7.反应产物从催化剂外表面向流体主体传递（外扩散过程）。 以上七个步骤是前后串联的： 速率控制步骤：某一步骤的速率与其他各步的速率相比要慢得多，以致整个反应速率取决于这一步的速率。 （外扩散控制、内扩散控制、表面过程控制） 当反应过程达到定态时，各步骤的速率应该相等，且反应过程的速率等于控制步骤的速率。 (三)本征动力学方程 气固相反应本征动力学就是研究不受扩散干扰条件下的固体催化剂与其相接触的气体之间的反应动力学。 本征动力学方程的型式 （1）双曲线型本征动力学方程：见表1-11 （2）幂函数型本征动力学方程 如焦姆金导出的铁催化剂上氨合成反应动力学方程为： 在实际应用中常常以幂函数型来关联非均相动力学参数 三、固定床反应器计算 在固定床中进行催化反应，流体必须进行流动；催化反应的同时还会进行传质、传热过程。 流体流动、传质、传热过程会影响床层中的浓度、温度分布，最终将影响反应过程，因此必须了解这些过程。 (一)固定床反应器内的流体流动 1.催化剂颗粒的直径和形状系数 (1)体积相当直径:即采用体积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径。 (2)面积相当直径:即采用外表面积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径。 (3)比表面相当直径：即采用比表面积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒的直径。 非球形颗粒的比表面积为： 比表面积等于S的球形颗粒有如下关系式： 在固定床的流体力学研究中，非球形颗粒的直径常常采用体积相当直径，在传热传质的研究中，常常采用面积相当直径。 (4)形状系数 与非球形颗粒等体积圆球的外表面积。 即与非球形颗粒体积相等的圆球的外表面积与非球形颗粒的外表面积之比。 对于球形颗粒， =1，对于非球形颗粒， ＜1 形状系数说明了颗粒与圆球的差异程度。 三种相当直径用联系起来，有如下关系： 2.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 在固定床和流化床的流体力学计算中，用调和平均直径较为符合实验数据。 3.空隙率 固定床内流体是通过催化剂颗粒构成的床层而流动，了解催化剂床层的性质很必要。 空隙率是床层的重要特性之一，对流体通过床层的压力降、床层的有效导热系数等都有重大的影响。 (1)空隙率的含义 ε ：催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总 体积之比。 (2)影响空隙率的因素 (3)床层空隙率沿径向的分布 器壁对ε分布的这种影响及由此造成对流体流动、传质和传热的影响，称为壁效应。 壁效应产生出床层径向截面上流速、温度及反应速率都不均匀，恶化了反应器的操作性能。 dt/dp越大，壁效应的影响越小，一般当达8时，可不计壁效应。 4.流体在固定床中的流动特性 在床层径向，空隙率分布的不均匀造成了流速分布不均匀（不同于空管） 流体在流动过程中对颗粒的撞击及孔道的缩小或扩大，使得流体不断分散和汇合，造成径向、轴向混合同时存在。 流体流动由两部分合成： 一部分为流体以平均流速沿轴向作理想置换式流动； 另一部分为流体的径向和轴向的混和扩散 5. 流体流过固定床层的压力降 压力降产生原因 （1）摩擦阻力：由于流体与颗粒表面之间的摩