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第六章　反应器设计 清华大学化工系 魏飞 反应器的多功能性 -选择与设计 技术创新中的知识链与研究平台 多功能反应器需要多尺度方法 问题：怎样解决不同方法间跨尺度的耦合问题？ 对称性缺损、重整化群？ 我们更需要物理 催化反应器设计方程(稳态) 反应器设计层次 第一层：原子分子重组 第二层：表面反应、基元反应动力学 第三层：催化剂设计、催化剂内传递 第四层：反应物及能量注入战略 第五层：流动及流型影响 第六层：过程设计及优化 第七层：工厂设计与园区规划 第八层：生态、环境、绿色 问题：层与层的分界如何？ 空间层与时间层会不会由于问题不同而差别很大？ 过程开发中的资金链 化学与催化剂设计层 工程方面：化工、结构、环境、机械 科学方面: 化学、物理、生物、数学 并行方法设计催化剂 过程开发中缩短到工业化的时间 两个范例 燃料电池中CO的脱除 无数的选择条件:催化剂性能、操作条件与时间（失活、再生等）、经济性、环境、安全等 无数的参数：催化剂合成，多达80个元素及组合，过程参数更多 实验无法穷尽，计算无法解决！专利可以很多！ 找性能与特征的关联 理解过程，用少量的实验、聪明的研究少量样品来得到好的结果，1样／月。 可以进行大量样的并行吗？ 大能量催化剂研究策略 利用黑箱方法进行大量筛选，100样／天 基于大量实验的合理的关联 并行方法催化剂试验 气固相催化反应： 250并行反应器（I） 10－16并行反应器（II） 15并行气液固三相反应器 反应温度25－1200度 反应压力：常压－15大气压 适合进行：烃类氧化、加氢及各种高温反应 几种催化剂种类 比表面积 破碎强度 压降 制备方法 催化剂设计策略 优化催化剂设计原则： 颗粒大小 催化剂形状 孔隙率 强度 压降 制造成本 选择性 失活 活性分布 堆积结构 催化剂设计 催化剂强度 在填充床中承受的力： 催化剂重量 压降 催化剂填充 侧向抗压强度 正向抗压强度 浆态床 流化床 抗磨损性 移动床 第四层次：注入及分散战略 A、反应物及能量注入及分散战略 反应物：一次注入(间歇式) 连续加入 脉冲注入：方波或周期变流向 分段注入：空间式(膜、测向进料) 时间式(半间歇) 能量供入/移出 通过产品流/冷进料 蒸发 热交换器(反应器内/级间) 第四层次：注入及分散策略 B、优化混合程度 浓度(包括催化剂浓度) 平推流(连串反应，中间产物不混合) 温度：困难的选择 从浓度角度看平推流最好，无混合 强放热反应(热点)，混合有利 能量移出/注入战略 程序冷却 催化剂活性分布 催化剂循环(循环流化床，流化床，夹带流动) 第四层次：注入及分散策略 C、原位移出 原位产品移入，以避免 平衡限制(脂化反应) 连串反应(选择性氧化/加氢) 产品毒化(加氢精制) 萃取 原位精馏 膜反应器 能量移入及移出 产品蒸发 反应精馏 第四层次：注入及分散策略 D、逆流、并流及错流接触 平衡限制 转化率水平 泛点及压降 加氢过程，目前：并流，将来：逆流 脱氢过程： 错流接触 减少反应物与催化剂接触 气体为平推流 长催化剂停留时间 第三层次：流动区域 常常是前二步已决定了这一步! 气固相反应 失活状态 填充床：固定床、移动床 1年-1周 鼓泡床 1小时 湍动床/高密度提升管 1小时 稀相提升管 10秒 压降， 下行床 1秒 催化剂损耗 气液固三相 填充床 鼓泡床 传质问题 浆态床 规整填料 提升管与下行床流动行为差别 提升管与下行床混合行为 独石催化剂上的流动 Taylor 流与降膜流 低压降流动 逆流流动 混合问题 新概念反应器 颗粒再循环反应器 钒磷氧体催化剂循环 晶格氧载体 二氧化硅壳抗磨 非稳态催化剂状态 对马来酸酐选择性高 移热容易 周期改变流向的绝热反应器（ＲＰＦＲ） CH4 +O2　 H2O　+ CO2　 反应产生的热量与原料原位换热 传热效率高、非稳态操作 SO3合成、烃类氧化、甲醇合成 反应与传质分离同时进行的过程 烟气脱NO