第六章-反应器设计

技术创新中的知 识链与研究平台
技术转化
第五层: 大系统与生态工业
FLOTU
第四层: 过程设计与产品 设计
第三层: 流动、传递、颗粒Biblioteka Baidu 理与反应器设计
第二层: 表面、催化与化 学动力学
第一层1: 分子变换、过 渡态、原子簇结构
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多功能反应器需要多尺度方法
FLOTU
问题：怎样解决不同 方法间跨尺度的耦合 问题？
比表面积 破碎强度 压降 制备方法
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催化剂设计策略
FLOTU
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
均是强相互关联的
制造成本
选择性
失活
活性分布
堆积结构
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催化剂设计
FLOTU
均是强相互关联的
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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
FLOTU
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
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几种催化剂种类
FLOTU
无定形颗粒 球形 柱形 长柱形 三叶草形
环形 多孔柱形 车轮形 独石形 金属独石形 Foam
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
FLOTU
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Vg/Ug Particle velocity, Vp (m/s)
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
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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
对称性缺损、重整化 群？
我们更需要物理
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反应器设计的层次
2、
FLOTU
扩散-反应传递现象
混合与分散
3、
连续物料供应
1、
4、
固定床、移动床 稀相反应
移热／供热方式 温度、浓度均匀？ 逆流、并流、错流？ 适宜的催化剂浓度
5
催化反应器设计方程(稳态)
FLOTU
I组分转化率
化学计量系数
dxi d (W /
第六章 反应器设计
清华大学化工系 魏飞
1
反应器的多功能性
-选择与设计
FLOTU
资源与能源 反应物
过程要求
•最大转化率 •最大收率 •最大选择性 •易于放大 •高通量 •低压降 •易取热
经济性
•过程总体成
反
本最低
应
器
目的产物
副产物
未转化物
•固有安全性 •效率与环境
绿色、环境与安全
产物结构怎样考虑?
工程的目标:在众多可能性之中找出可行性,并将其效率最大化2
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Vent
用于CHP分解的新型反应器
Catalyst
过氧化氢异丙苯分解生产
苯酚、丙酮,以离子交换树脂
催化剂代替硫酸
Acetone
消除了设备腐蚀和环境污
染问题，
以丙酮蒸发取热，容易控
制，无爆炸危险。
CHP
FLOTU
Acetone Phenol
N2
怎样的设计原则保证设 计出高效反应器？
Circulating Fluidized
科学方面: 化学、
物理、生物、 数学
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并行方法设计催化剂
FLOTU
过程开发中缩短到工业化的时间
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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！
FLOTU
VPO催化剂
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第四层次：注入及分散战略
FLOTU
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)
Bed Reactor
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第四层次：注入及分散策略
FLOTU
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)
FLOTU
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过程开发中的资金链
High
"Angels" Grants
VCF's
Public
FLOTU
High
Sales
Low
Emerging Technology
Pilot Evaluation
Time
Start-up Company
Low
Expansion
BU
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化学与催化剂设计层
FLOTU
工程方面：化 工、结构、环 境、机械
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第四层次：注入及分散策略
FLOTU
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
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第四层次：注入及分散策略
FLOTU
D、逆流、并流及错流接触
平衡限制
Fi )

i

r

失活速率方程
空速
催化剂有效因子
反应速率表达式
与热量平衡(T曲线)，动量平衡(曲线)耦合
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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？
参数
表征
FLOTU 性能 11
FLOTU
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？
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大能量催化剂研究策略
FLOTU
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
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并行方法催化剂试验