气固相催化反应器
化学反应过程与设备课件10气固相催化反应器
气固相催化反应器¢概述¢气固相反应宏观动力学è概述 气固相催化反应器的基本类型：固定床反应器和流化床反应器n固定床反应器Ø 定义：在反应器中，若原料气以一定流速通过静止催化剂的固体层，通常把这类反应器称为固定床反应器。
Ø特点：优点：a.操作中气流可看成是理想置换，完成相同的生产任务所需要的有效体积小，催化剂用量少。
b.气体的停留时间可以严格控制，有利于选择性的提高。
c.催化剂不易磨损，可长时间连续使用。
d.可用于高温高压下操作。
缺点：a.导热性能差，温控难。
b.难于使用小颗粒催化剂。
c.催化剂再生、更换均不方便等。
n流化床反应器Ø定义：若原料气通过反应器时，固体颗粒受流体的影响而悬浮于气流中，这类反应器称为流化床反应器。
Ø特点优点： （1）传热效率高，床内温度易于维持均匀。
——这对于热效应大而对温度又很敏感的过程是很重要的，因此特别地被应用于氧化、裂解、焙烧以及干燥等各种过程。
（2）大量固体粒子可方便地往来输送。
——这对于催化剂迅速失活而需随时再生的过程（如催化裂化）来说，正是能否实现大规模连续生产的关键。
此外，单纯作为粒子的输送手段，在各行业中也得到广泛应用。
（3）可采用细颗粒催化剂，可以消除内扩散阻力，充分发挥催化剂的效能。
缺点： （1）气流状况不均，不少气体以气泡状态经过床层，g-s两相接触不够有效，在要求高转化率时，这种状况更为不利。
（2）粒子运动基本上是全混式，因此停留时间不一，在以粒子为加工对象时，可影响产品质量的均一性，且转化率不高；另外粒子的全混也造成气体的部分返混，影响反应速度和造成副反应的增加。
（3）粒子的磨损和带出造成催化剂的损失，并要有旋风分离器等粒子回收系统。
è 气固相反应宏观动力学n气固相催化反应本征动力学气固相反应本征动力学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。
第6章非均相流固反应器
❖固定床反应器： 固体催化剂颗粒 堆积起来静止不 动，反应气体自 上而下流过床层；
3
❖流化床反应器：
流化床
固体催化剂颗粒被
自下而上流动的气 体反应物夹带而处 于剧烈运动的状态。
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绝热式固定床反应器
① 结构简单 ② 高空速 ③ 很少催化剂损耗 ④ 很小气固返混 ⑤ 较长的扩散时间及距离 ⑥ 高床层压降 ⑦ 床内取热供热困难 ⑧ 催化剂取出更新困难
① 外扩散 ② 内扩散 ③ 吸附 ④ 表面反应 ⑤ 脱附 ⑥ 内扩散 ⑦ 外扩散
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外扩散、内扩散是物理过程； 吸附、脱附和表面反应则是化学过程，又称 为动力学过程或表面过程。 以上七个步骤是前后串联的。
外扩散 内扩散 吸附表面反应脱附 内扩散 外扩散 表面过程
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七个步骤中，速率特别慢的一步称为控制 步骤。该速率决定实际反应所达到的速率。 控制步骤是一个扩散过程，则称为扩散控 制，又称传质控制；控制步骤是吸附、表 面反应或脱附，则称为动力学控制。动力 学控制又可分为吸附控制、表面反应控制 和脱附控制。
第6章 非均相流固催化反应器
1
6.1 概述
流固催化反应器是气相或/和液相反应物借助 于固相催化剂进行反应的设备，包括气-固、 气-液-固、液-固三类催化反应器。
气固相催化反应器可分两大类：固定床反应 器和流化床反应器。
由于这两类反应器中固体催化剂颗粒运动状 态不同，其反应性能也有显著差别。
本章主要叙述气-固相反应的概念、特征及反应器计算 2
③ 反应器操作弹性与容积生产能力较大。
7
相对于流化床反应器，固定床反应器 缺点：
① 催化剂颗粒较大，有效系数较低； ② 催化剂床层传热系数较小，容易产生局
部过热； ③ 催化剂的更换费事，不适于容易失活的
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。
第七章 气固相催化反应流化床反应器
Re 20
(7-3)式
• 高雷诺数时，动能损失占主导，忽略前 一项：
1.75 d p g umf 3 s mf
3 d p g s g 2 2
• 解得：
u
2 mf
s d p s g 3 mf 1.75 g
• 低雷诺数时，粘滞力损失占主导，忽略 后一项：
150 1 mf dp gumf 2 3 s mf
3 d p g s g 2
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• 解得：
3 s2 dp2 s g mf umf＝ 150 1 mf
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ⅱ>.下列情况宜选择较高u0： a.在给定工艺条件下属快反应的反应类型； b.反应热效应大，必须在床内快速传热； c.反应对热很敏感，床内要求保持等温条 件； d.床内设置了内部构件。
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(5).床径的确定 流化床外形示意如右图 D2：扩大段床径 D1：主体床径 h2：稀相段高度 h1：浓相段高度 h3：锥底高度
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7.1.2.流化床特点
(1).流化床具有类似液体的性状 • 轻的物体浮起； • 表面保持水平； • 固体颗粒从孔中喷出； • 床面拉平； • 床层重量除以截面积等于压强
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(2).流化床的优点 • 颗粒流动类似液体，易于处理，控制； • 固体颗粒迅速混合，整个床层等温； • 颗粒可以在两个流化床之间流动、循环， 使大量热、质有可能在床层之间传递； • 宜于大规模操作； • 气体和固体之间的热质传递较其它方式高； • 流化床与床内构件的给热系数大。
D2 h2
D1 h1
h3
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• ①反应器内径的计算
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。
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授课班级
授课形式
授课日期
课Hale Waihona Puke 数2授课章节/实训项目
名称
4气固相催化反应器
4.1概述4.2气固相催化反应宏观动力学
教学目标
(知识/能力/素质目标)
知识目标
1．掌握气固相催化反应过程的特点；
2．理解气固相催化反应宏观动力学；
能力目标
通过气固相催化反应宏观动力学的学习，区分本征动力学与宏观动力学的能力，培养学生用比较法解决问题的能力。
b.劳动强度大，粉尘量大，要求催化剂必须有足够长的使用寿命。
3基本类型：
二、流化床反应器
1．定义：
2．特点：①颗粒剧烈搅动和混合，整个床层处于恒温状态，可在最佳温度点操作；②传热强度高，适宜强吸热或放热反应；③颗粒较细小，有效系数高，可减少催化剂用量；④压降恒定，不易受异物堵塞；⑤返混较严重，不适宜于高转化率过程；⑥为避免沟流、偏流，对设备精度要求较高。
一.固定床反应器
1定义：
2特点：优点：a.床层内流体的流动接近于理想置换流动。
b.与理想混合反应器相比，它的反应速率较快，可用较少量的催化剂和较小体积的反应器获得较大的生产能力。
c.温度分布可以适当调节，有利于达到高的转化率和高的选择性。
d.催化剂不易磨损而且可长期使用。
缺点：a.固定床中传热较差，催化剂载体又往往是热的不良导体，而化学反应常伴有热效应，反应速率对温度的敏感性强。
3．基本类型：
4.2气固相催化反应宏观动力学
一、气固相催化反应本征动力学
1、气固相催化反应过程
2.控制步骤：
3、本征动力学方程
二、气固相反应宏观动力学
素质拓展
目标
具有科学的思维方法；具有开拓创新的精神；具备良好的职业道德。
教学重点
1．气固相均相反应器的宏观动力学；
教学难点
1．气固相均相反应器的宏观动力学；
教学内容更新补充
无
使用教具仪器
多媒体
课外作业
无
课后体会
教学设计/实验实训项目实施方案
4气固相催化反应器
4.1概述
气固相催化反应器的基本类型：固定床反应器和流化床反应器