《化学反应过程与设备》电子课件 项目二任务2到3

(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
反应速率
反应量 (反应区域)(反应时间)
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 kmol /(m3催化剂.h)
压降计算
P
fM
f u02
dS
1
3 L
fM
百度文库
150 ReM
1.75
ReM
dS f u0 f
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
擦产生。 （2）局部阻力：流体在孔道内的收缩、扩大
及再分布所引起的。 ➢ 低流速时，摩擦阻力为主； ➢ 高流速及薄床层中流动时，以局部阻力为主。
n
dP xidi i 1
调和平均直径
1 n xi
dP d i1 i
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。
(2)选用催化剂质量，反应速率单位为 kmol /(kg催化剂.h) (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 kmol /(m3床层.h)
(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）；
(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。
空隙体积 床层体积
床层体积 颗粒体积 床层体积
(2)影响空隙率的因素
影响因素
颗粒形状
越接近球形
颗粒装填方式
越紧密
颗粒的粒度分布
越不均匀
颗粒表面的粗糙度
越光滑
ε 越小 越小 越小
越小
(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。
(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。
1
dV 6VP / 3
(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。
1
da AP / 2
(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。
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。
任务2 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
（一）催化作用与催化剂 1、定义：催化剂是一种物质，它能够加速反应的速率而
不改变该反应的标准自由焓的变化，这种作用称为催 化作用。 2、催化剂组成与功能 绝大多数固体催化剂工业催化剂有三类可以区分的组分， 即：①活性组分；②助催化剂；③载体。 3、催化剂性能与标志 必须具备高活性，合理的流体流动性质及长寿命这三个条 件。
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：
rNH3
k1 pN2
p1.5 H2
pNH3
k2
pNH3 p1.5
H2
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。
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）。
AS dV2 与非球形颗粒等体积圆球的外表面积。
S 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， S =1，对于非球形颗粒， S ＜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：
3
dS S dV S 2 da
2、混合颗粒的平均直径及形状系数 算术平均直径
影响固定床压力降的因素 （1）属于流体的：流体的粘度、密度等物
理性质和气流速度★。
流体的物理性质是由操作工艺确定的； 降低气流速度，可以降低床层压降。 （2）属于床层的
床层的高度、床层空隙率和颗粒特性如形状、粒度等 （3）当 dt/dp 小于8时，壁效应对压降的影响不容忽视。
生产中由于流体的压头有限，一般固定床中的压降不宜 超过床内压力的15%。
非球形颗粒的比表面积为：
SV AP /VP
比表面积等于S的球形颗粒有如下关系式：
SV
d
2 S
/
1 6
d
3 S
6/ dS
dS 6VP / AP
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。
S
(4)形状系数 S
S AS / AP
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。