气固相催化反应器
气-固相催化反应器
气-固相催化反应器气-固相催化反应器是一种将气相物质通过固体催化剂进行反应的反应器。
与液相催化反应器不同，气-固相催化反应器更适用于高温、高压、高反应速率和可持续性反应的条件下。
本文将介绍气-固相催化反应器的原理、优点和应用等方面的知识。
气-固相催化反应器的基本原理是通过催化剂的催化作用促进气相物质之间的化学反应，使其转化为有用的化合物。
催化剂是气-固相催化反应器的核心组成部分，它可以吸附和分散气态分子，降低反应的激活能，提高反应的速率和选择性。
在气-固相催化反应器中，催化剂通常是硅质、氧化物、氧化铝等固体物质，具有高的比表面积和化学活性。
当气相物质通过催化剂时，发生的反应涉及化学吸附、生成化学键、反应活化等多个阶段。
相比于液相催化反应器，气-固相催化反应器具有以下优点：1. 良好的高温、高压应用性能。
气-固相催化反应器能够承受高温、高压等极端反应条件，使催化反应具有更高的速率和选择性。
2. 更低的反应废液排放量。
液相催化反应器中需要使用的溶剂和反应废液大量排放，而气-固相催化反应器中只需要使用气体，可以减少废液的产生和对环境的污染。
3. 更好的处理可行性。
气-固相催化反应器中不需要加热或搅拌等外部因素，加工操作更加简单容易，有利于大规模工业化生产。
气-固相催化反应器在工业中的应用非常广泛，其中包括以下几个方面：1. 石化行业。
气-固相催化反应器在石油加工装置中应用广泛，如催化裂化和脱硫等方面。
催化剂用于加速石油分子之间的反应，加工可提高石油的利用效率和降低环境污染。
2. 化学行业。
气-固相催化反应器在化学中也有广泛的应用，如生产氢气等燃料，化学合成等。
3. 食品饮料行业。
气-固相催化反应器被广泛地用于生产含有氢氧化钠、硝酸盐等催化剂的食品饮料加工过程中。
4. 环保领域。
气-固相催化反应器在工业废气治理中也有着广泛的应用。
通过利用催化剂降低废气中污染物的浓度，可以有效减缓环境污染。
总之，气-固相催化反应器由于其高效、环保等优点，在生产实践中得到了广泛的应用。
微通道反应器的分类介绍
微反应器，即微通道反应器，利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到300微米（或者1000微米）之间的微型反应器，微反应器的“微”表示工艺流体的通道在微米级别，而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。
微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也实现很高的产量。
微反应器又可分为气固相催化微反应器、液液相微反应器、气液相微反应器和气液固三相催化微反应器等。
1.气固相催化微反应器由于微反应器的特点适合于气固相催化反应，迄今为止微反应器的研究主要集中于气固相催化反应，因而气固相催化微反应器的种类最多。
最简单的气固相催化微反应器莫过于壁面固定有催化剂的微通道。
复杂的气固相催化微反应器一般都耦合了混合、换热、传感和分离等某一功能或多项功能。
运用最广的甲苯气-固催化氧化。
2.液液相反应器到目前为止，与气固相催化微反应器相比较，液相微反应器的种类非常少。
液液相反应的一个关键影响因素是充分混合，因而液液相微反应器或者与微混合器耦合在一起，或者本身就是一个微混合器。
专为液液相反应而设计的与微混合器等其他功能单元耦合在一起的微反应器案例为数不多。
主要有BASF设计的维生素前体合成微反应器和麻省理工学院设计的用于完成Dushman化学反应的微反应器。
3.气液相微反应器一类是气液分别从两根微通道汇流进一根微通道，整个结构呈T字形。
由于在气液两相液中，流体的流动状态与泡罩塔类似，随着气体和液体的流速变化出现了气泡流、节涌流、环状流和喷射流等典型的流型，这一类气液相微反应器被称做微泡罩塔。
另一类是沉降膜式微反应器，液相自上而下呈膜状流动，气液两相在膜表面充分接触。
气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面积。
这两类气液相反应器气液相接触面积都非常大，其内表面积均接近20000m2/m3，比传统的气液相反应器大一个数量级。
4.气液固三相催化微反应器气液固三相反应在化学反应中也比较常见，种类较多，在大多数情况下固体为催化剂，气体和液体为反应物或产物，美国麻省理工学院发展了一种用于气液固三相催化反应的微填充床反应器，其结构类似于固定床反应器，在反应室(微通道)中填充了催化剂固定颗粒，气相和液相被分成若干流股，再经管汇到反应室中混合进行催化反应。
气固相反应和反应器分析
下面分别就气相主体温度和催化剂外表面温度相等 (气相和催化剂之间的温差可 以不计)和不相等的情况，探讨对不同类型的反应，外部传递对反应结果的影响。 一、等温外部效率因子 相间质量传递和表面反应是一串联过程，在定态条件下，两者的速率必然相 等，对于简单反应A→B有：
式中，kg为气相传质系数，a为单位体积催化剂的外表面积，k为反应速率常数。 由于存在传质阻力，cAs< cAb，导致表面反应速率下降。只有当kga足够大，(cAscAb)趋近于零，即cAs=cAb时，表面速率达到最大值 kcnAb,相际传质的影响才可忽略 。 对一级反应，式(4.5)中的n=1，于是可解得：
对于 n=-1 的异常情况，需要作些进一步的说明。 这时 ηe 随着 Da 的增加而增加，但 ηe 最大值为 2 ，这时 Da=1/4，当Da>1/4，由式(4.16)可知效率因子无解。出 现这种限制的原因是：根据负一级反应的 定义 可知，当cAs=0时上述定义无意义；又对n= -1有：
Da<l/4的限止，实际上表明负一级反应只可能在一定浓度条件(cAb>√4k/kga)下存在。 一氧化碳在贵金属上的氧化反应常被作为负一级反应的例子。由第一章第三节知道 ，该反应只有在浓度较高时才表现为负一级，而当浓度很低时则为正一级。 根据上面所述，外部效率因子ηe是Da的函数；而在Da中包含了本征反应速率常数k。 因此，只有当k已知时，才能计算Da和ηe ，对外部传质的影响作出判断。 但更常遇到的是通过实验测定一定气相主体浓度 cAb下的表观反应速率 (-rA)，并将它 们之间的关系表示为： 式中ka称为表观反应速率常数。在这种情况下，本征速率常数是是未知的，因而无法通过 上述途径估计外部传质对反应的影响。而若将ηe表示为ηeDa的函数，这一困难将可避免。 利用外部效率因子ηe ，表观反应速率与气相主体浓度的关系可表示为 又有：
气固相催化反应器的选择
工作任务： 根据化工产品的反应特点、传热要求和传热方式 选择合适类型的固定床催化反应器
一、固定床催化反应器的分类 二、气固相固定床催化反应器的结构 三、气固相催化反应器的选择作业
一、固定床催化反应器的分类
绝热式
固定床反应器
按传热要求和传热方式分
换热式
按
单段绝热式 催 多段绝热式 化
外界没有热量交换 床层温度沿物料的流向而变化。 适应的条件：反应热较小，反应温度允许波动较宽的场合。
类型：单段式和多段式
1.绝热式固定床反应器
（1）单段式：只有一段催化剂床层。一方面适应绝热温升较小的 反应（如：乙苯脱氢制苯乙烯、CO变换、甲烷化反应等）。
1.绝热式固定床反应器
另一方面也适应反应对温度不敏感或反应速率非常快的反应 （如：甲醇氧化制甲醛）。
冷激式催化剂床层绝热操作方程（非原料气冷激—乙炔加氢）
A-B 反应 B-C 换热 C-D 反应 D-E 换热 E-F 反应 F-G 换热
非主要成分的加 入使主要成分浓 度降低，造成AB、 C-D、E-F斜 率不同。
1.绝热式固定床反应器
小结
总之，绝热式固定床的应用是相当广泛的，特别对大型的、 高温的或高压的反应器，希望结构简单，同样大小的装置内能 容纳尽可能多的催化剂以增加生产能力（少加换热空间），而 绝热床正好能符合这种要求。不过绝热床的温度变化总是比较 大的，而温度对反应结果的影响也是举足轻重的，因此如何取 舍，要综合分析并根据实际情况来决定。
低于240℃----加压热水 250—300 ℃ -----导热油 300 ℃ -----熔盐（KNO353%，NaNO27%、NaNO340%） 600—700℃左右----烟道气
应用化工技术专业《气固相固定床催化反应器的结构》
二、气固相固定床催化反响器的结构〔一〕绝热式固定床反响器绝热式固定床反响器内部无换热构件，只有一段催化剂床层的称为单段绝热式，有多段催化剂床层的称为多段绝热式。
绝热式反响器结构简单、造价低、反响器内体积可以充分利用，一般用于反响热较小，反响温度允许波动范围较宽的场合。
1. 单段绝热式固定床反响器单段绝热式固定床反响器是在一个中空圆筒的底部放置搁板〔支撑板〕，在搁板上堆积固体催化剂。
反响气体经预热到适当温度后，从圆筒体上部通入，经过气体预分布装置，均匀通过催化剂层进行反响，反响后的气体由下部引出，如图9所示。
这类反响器结构简单，生产能力大。
对于反响热效应不大，反响过程允许温度有较宽变动范围的反响过程，常采用此类反响器。
一个典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯，反响需热140kJ/mol，这是靠参加2.6倍〔质量〕于乙苯的高温水蒸气〔710℃〕来供给的。
乙苯与水蒸气混合后在630℃入催化剂床层，而离床时那么因反响吸收热量而降到565℃。
单段绝热式一般适用于绝热温升较小的反响。
以天然气为原料的大型氨厂中的一氧化碳中〔高〕温变换及低温变换甲烷化反响都采用单段绝热式。
对于热效应较大的反响只要对反响温度不很敏感或是反响速率非常快的过程，有时也使用这种类型的反响器。
例如甲醇在银或铜的催化剂上用空气氧化制甲醛时，虽然反响热很大，但因反响速率很快，那么只用一薄薄的催化剂床层即可，如图10所示。
此一薄层为绝热床层，下段为一列管式换热器。
反响物预热到383K，反响后升温到873~923K，就立即在很高的混合气体线速度下进人冷却器，防止甲醛进一步氧化或分解。
单段绝热式固定床反响器的缺点是反响过程中温度变化较大。
当反响热效应较大而反响速率较慢时，绝热升温必将使反响器内温度的变化超出允许范围。
多段绝热式固定床反响器是为弥补此缺乏而提出的。
2. 多段绝热式固定床反响器多段绝热式固定床反响器中，反响气体通过第一段绝热床反响至一定的温度和转化率时，将反响气体冷却至远离平衡温度曲线的状态，再进行下一段的绝热反响。
化学反应工程-19-第六章-气固相催化反应固定床反应器
2、二维模型中 hW 的计算： 、 的计算： 模型认为温度沿着径向形成了一个分布，故 t m没有意义。 这时床层向壁的传热速率：
dS =
6VS SS
西勒模数就是以d 为定型尺寸的。 西勒模数就是以 S为定型尺寸的。 形状系数的概念， 表示： 形状系数的概念，以 ϕ S 表示：
ϕS =
SV SS
2 SV = πd V （和粒子具有相同体积的球形颗粒的外表面积）
d ϕS = V d a
2
2、粒子群 、 对于大小不等的混合颗粒，平均直径为：
空隙率分布的影响： 空隙率分布的影响：直接影响流体流速的分布，进而使流体与颗 粒、床层与反应器壁之间的传热、传质行为不同，流体的停留时 间也不同，最终会影响到化学反应的结果。
为减少壁效应，要求床层直径（dt）至少为粒径（dP）的八倍以上。
二、颗粒的定型尺寸 颗粒的定型尺寸常用粒径来表示： 1、单个粒子 、 粒径d 粒径 P： 对球形催化剂，应用一个参数dP即可完整描述颗粒的全部几何 性质，即自由度为1； 对规则形催化剂，如圆柱形，用两个参数如h、d即可； 对不规则颗粒，也是用两个参数来描述颗粒的几何性能：一是 当量直径；另一是形状参数。
d S u0 ρ g
6.1.2固定床内的传热 固定床内的传热 床层尺度上的传热过程包括四个方面： 床层尺度上的传热过程包括四个方面： ①颗粒内部的传热 (λ P ) ；
( ②颗粒与流体之间的传热α g ) ；
③床层整体有效导热系数 (λe ) ； ④床层和反应器壁之间的传热 (h0、hW ) 。 对于①中λP，见第十七讲《非等温反应宏观动力学方程》。它的大 小往往由固体颗粒自身的性质粒内孔隙情况决定的，颗粒内的传热主要 是以热传导形式进行的。 对于②中的αg第十七讲中已经讨论过。 现重点讨论③和④ ！ 现重点讨论③
第五章 气-固相催化反应器
多段绝热式固定床
间接换热式 原料气冷激式 冷激式 惰性气体冷激式
(a)间接换热式；(b)原料气冷激式；(c)非原料气冷激式
连续换热式固定床
• 根据换热介质的不同可分为外热式和自热式。 • 外热式：用某种和反应无关的热载体加热或冷却反 应床层的反应器。它一般用于强放热或强吸热反应。 其型式多用列管式，通常将催化剂放在管内，管间 通过载热体，也有的与之相反。载热体可根据反应 过程所要求的温度，反应热效应，操作压力及过程 对温度的敏感度来选择。一般采用强制循环进行换 热。
固定床的空隙率是颗粒物料层中颗粒间自由体积与整个 床层体积之比。 V空 rb e= = 1V床层 rp
（2）空隙率的影响因素 形状、粒度（大小）、表面粗糙度、填充方式、颗粒与 容器直径之比。
（3）固定床的当量直径de
①床层的比表面积Se
忽略粒子间接触点的这一部分表面积，则单位床层中粒 子的外表面积（床层的比表面积）Se为：
2 150 r f u0 1 - e fM = + 1.75 D p = fM ( 3 )L Re M ds e d s r f u0 1 dG 1 Re M = = s m 1- e m 1- e
②当10<ReM<1000(过渡区)，
2 r f u0 1 - e 150 Dp = ( + 1.75) ( 3 )L Re M ds e
A
c
B C D E F G
b a
图5-2间接换热式
Topt = Te RTe E 1+ ln 2 E2 - E1 E1 E2 - E1 k f ( y) R ln[ 20 2 ] k10 f1 ( y )
图5-3 单一可逆放热反应三段间接换热式操作状况 图中的平衡曲线为反应达到平衡时，过程的温度与反应 速率（转化率）的关系。此曲线系针对一定的原料气起 始组成由热力学计算得到。平衡曲线为操作的极限。如 果达到平衡转化率，则所需的催化剂量为无限多，所以 实际操作点应处于平衡曲线的下方。
第六章_固定床反应器详解
3.熔盐：温度范围300℃～400℃，由无机熔
盐KNO3、NaNO3、NaNO2按一定比例组成， 在一定温度时呈熔融液体，挥发性很小。但 高温下渗透性强，有较强的氧化性。 4.烟道气：适用于600～700℃的高温反应。
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6.2 固定床的传递特性
• 气体在催化剂颗粒
之间的孔隙中流动，
较在管内流动更容
补充水
产物
4. 自热式反应器
采用反应放出的热量来预热新鲜的进料，
达到热量自给和平衡，其设备紧凑，可用
于高压反应体系。
但其结构较复杂，操作弹性较小，启动反
应时常用电加热。
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6.1.3 传热介质
•传热介质的选用根据反应的温度范围决定， 其温度与催化床的温差宜小，但又必须移走 大量的热，常用的传热介质有： 1.沸腾水：温度范围100~300℃。使用时需注 意水质处理，脱除水中溶解的氧。 2.联苯醚、烷基萘为主的石油馏分：粘度低 ，无腐蚀，无相变，温度范围200~ 350℃
如图 (b) 所示。径向反应器的结构较轴向 反应器复杂，催化剂装载于两个同心圆构 成的环隙中，流体沿径向流过床层，可采 用离心流动或向心流动。
径向反应器的优点是流体流过的距离较短
，流道截面积较大，床层阻力降较小。
轴向反应器与径向反应器
(a)
(b)
2.多段绝热式固定床反应器
热效应大，常把催化剂床层分成几段(层)， 段间采用间接冷却或原料气（或惰性组分）
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原料气
绝热式
催化剂
固定床 反应器
产物
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绝热式固定床反应器可分为轴向反应器和
径向反应器。 (1)轴向绝热式固定床反应器