气固催化反应器

四相模型

固定床的拟均相一维模型
等温平推流 仅需物料平衡式
W x dx A A F dx ( r ) dW A 0 A A 0 F r A 0 A 等温有轴向返混 * 2 * * c De c c ( ) 0 L Z Z
单段绝热式
还需热量衡算式
固定床的拟均相二维模型
如果管径不是那么小，反应热也比较大，径向温 度往往可观，需考虑径向与轴向二维。 取一环形微元体积，对反应组分A作物料衡算
＝环体内反应掉的量 r
l 面进入量＋ r 面进入量－ l l 面出去量－ r r 面出去
非等温衡算
类似可写出热量衡算式 上述基础方程组是对单一反应而言， 如果不止一个反应，不止一个反应组分，那 就需要对每一反应组分都分别列出。
流化床催化反应器
催化剂颗粒在气流作用下如流体般的流动。气 体、固体都在运动，范围从临界流态化开始一 直到气流输送，具体采用何种形式，需结合反 应动力学特性决定。 流化床的情况非常复杂，许多规律现今还不十 分清楚。
流化床反应器的优缺点
传热效率高，床内温度易维 持均匀，适于热效应大、对 温度又很敏感的过程； 固体催化剂可往来输送，适 于催化剂迅速失活而需随时 再生的过程，如FCC，解决 大规模连续生产的关键； 可采用细粒子，使得内扩散 阻力↓，内表面利用率↑。 粒子运动接近全混流， 停留时间不一，使得 rA↓，xA↓，副反应↑； 气流状态不均，气固接 触不够有效，对高xA不 利； 催化剂易磨损，要有旋 风分离系统。
l
非均相要分别列出流体、粒子的物料衡算及热量衡算式，不少 学者做过许多研究后认为，在固定床反应器中，粒内、外各步 传递过程的重要性顺序为： 传热：层内>流体粒子内>粒内 传质：粒内>层内>流体－粒子内 在工业装置中，由于实用的流速往往足够高，所以流体与粒子 间的温差和浓度差，除少数快速强放热反应外，都可忽略，因 此重要的是处理层中的传热。另一方面，催化剂粒子内部的内 扩散过程是传质方面的主要因素，因此，只要把催化剂的效率 因子和床层的有效导热系数这两点解决，那么固定床反应器的 设计和放大就可采用拟均相模型而不致有太大的差错。而采用 非均相模型，计算量要大大增加，一般计算机还会承受不了， 其结果却又与拟均相模型的结果很接近，因此，除少数特殊情 况外，一般以用拟均相一维和二维模型最为合适。
固定床反应器的基础数学模型
根据反应动力学可分为拟均相和非均相两类：


拟均相－－把固体催化剂与流体当作一均相体系来考虑。 若为化学动力学控制，催化剂颗粒表面与内部的反应组分 浓度及温度都与气体主流一致。 非均相－－同时考虑气体主流与颗粒外表面以及颗粒内表 面的浓度梯度和温度梯度。 一维－－仅考虑流体流动方向(轴向)上的温度和浓度变化， 与流向垂直的截面(径向)上则认为是等温和等浓度的。 二维－－不仅考虑了轴向，且还考虑了径向上的浓度和温 度变化。(对于管径大、热效应大的反应)
F C dT ( H ) F dx P r A 0 A A
绝热方程，即绝热操作时温度与转化率的关系
F A 0 T T ( H )( )(xA1 xA2) 2 1 r A FC P W xA2 dx A xA1 r F A A
与物料衡算式联立求解，即得床内轴向温度和转化率 变化情况。
固定床反应器的代表：



固定床反应器的优缺点
床层内流体流动接近 PFR，返混小，所以 rA↑，xA↑，较小容 积，较大生产能力； 催化剂不易磨损而可 长期使用； 易控制，如停留时间 可严格控制，温度分 布调节。 传热较差，催化剂属 导热不良物质，反应 结果对温度的依赖性 又很强，所以对于热 效应大的反应过程， 传热和控温是技术难 点和关键所在； 催化剂更换必须停产， 所以必须要有足够长 寿命；催化剂粒子不 能太小。
根据温度和浓度分布状态又可分为一维模型和二维模型：


流化床反应器的数学模型类别
两相模型


气相平推流、固相部分返混式 气相平推流、固相平推流的统一模型 气相平推流Baidu Nhomakorabea固相全混流 上流相（气＋固）、回流相（气＋固）均为平推流 的逆流模型
三相模型

气汽相、汽晕相、固相三相均为平推流
气汽相、汽晕相、上流相、下流相均为平推流

高压水 100～300℃ 联苯，石油中烷基萘为200～350℃ 无机溶盐 300～400℃ 烟道气 600～700℃ 熔融金属 密封性要求高
热载体强制循环。列管式的传热较好，管内温 度较易控制，放大把握大，反应速度快。又分 为：


外热式 热载体 自热式 原料气
绝热式、换热式反应器结合使用，如合成氨， 先初期采用绝热式，迅速升温，rA↑，然后采 用换热式。
间接换热式
直接换热式

催化重整
原料气冷凝式 非原料气冷凝式
喷水、降温、分压
换热式反应器
比绝热式应用更多，更普遍。 特点是催化剂床在进行化学反应的同时，还与外界进 行热量交换，尤以列管式为多。通常在管内放催化剂， 管间走热载体 (若用高压水时，管内走高压流体)。 管径大小一般为25～50mm，根据反应热和允许温度 而定；催化剂粒径<1/8管径，一般为2～6mm。 热载体视所需控制的温度分为而异：
绝热式反应器
结构简单，床内没有传热装置，预热到适当温度的反应物 料，在绝热条件下进行反应，对于热效应不大，反应温度 允许变化范围又较宽的情况最为适用，又分为单段和多段。 单段－－绝热条件下只反应一次； 多段－－反应一次后经换热满足所需温度条件，再次 进行绝热反应，一次称为一段，如催化重整 多段绝热式反应器，按段间换热方式的不同又可分为：
气固催化反应器
气固催化反应器的基本类型
固定床催化反应器

绝热式反应器 换热式反应器
流化床催化反应器 气液固三相床催化反应器
固定床催化反应器
气相反应物连续流入经颗粒状催化剂组成的固 定床，经反应后连续流出反应器。 按是否与外界热量交换分两大类：

绝热式反应器 换热式反应器 催化重整 加氢精制 异构化 裂解