化学反应工程-21-第六章-气固相催化反应固定床反应器

固定床、移动床、流化床反应器，这三种反应器被誉为是工业生产中不可或缺的重要设备。

它们虽然都是制造工业生产中的设备，但它们各有所长，各有其优缺点。

一、首先，“床”指的是什么？大量固体颗粒堆积在一起，便形成了具有一定高度的颗粒床层，这就是名称里的"床"。

这些固体颗粒可以是反应物，也可以是催化剂。

二、如何区分固定床、移动床、流化床反应器如果这个颗粒床层是固定不动的，就叫固定床。

如果这个颗粒床层是整体移动的，固体颗粒自顶部连续加入，又从底部卸出，颗粒相互之间没有相对运动，而是以一个整体的状态移动，叫做移动床。

当流体（气体或液体）通过颗粒床层时，进行反应。

如果将流体通过床层的速度提高到一定数值，固体颗粒已经不能维持不变的状态，全部悬浮于流体之中，固体颗粒之间进行的是无规则运动，整个固体颗粒的床层，可以像流体一样流动，这即是流动床。

下面，小七为大家详细的介绍这三种反应器。

三、固定床反应器又称填充床反应器，内部装填有固体催化剂或固体反应物，以实现多相反应。

固体物通常呈颗粒状，堆积成一定高度（或厚度）的床层，床层静止不动，流体通过床层进行反应。

固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。

用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。

涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。

1、优点•催化剂机械磨损小。

•床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。

•由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率。

•可在高温高压下操作。

2、缺点•固定床中的传热较差。

•催化剂的再生、更换均不方便，催化剂的更换必须停产进行。

•不能使用细粒催化剂，但固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。

目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。

气固相催化反应固定床装置一、前言本装置由管式炉加热固定床、流化床催化反应器组成，是有机化工、精细化工、石油化工等部门的主要实验设备，尤其在反应工程和催化工程及化工工艺、生化工程、环境保护专业中使用的相当广泛。

该实验装置可进行加氢、脱氢、氧化、卤化、芳构化、烃化、歧化、氨化等各种催化反应的科研与教学工作。

它能准确地测定和评价催化剂活性、寿命、找出最适宜的工艺条件，同时也能测取反应动力学和工业放大所需数据，是化工研究方面不可缺少的手段。

本装置由反应系统和控制系统组成：反应系统的反应器为管式反应器和流化床反应器，由不绣钢材料制。

气固相催化反应固定床装置是管式反应器，床内有直径3mm的不绣钢套管穿过反应器的上下两端，并在管内插入直径1mm的垲装热电偶，通过上下拉动热偶而测出床层各不同高度的反应温度。

加热炉采用三段加热控温方式，上下段温度控制灵活，恒温区较宽。

控制系统的温度控制采用高精度的智能化仪表，有三位半的数字显示,通过参数改变能适用各种测温传感器，并且控温与测温数据准确可靠。

气固相催化反应流化床是一种在反应器内由气流作用使催化剂细粒子上下翻滚作剧烈运动的床型。

流化床也为不锈钢制，床下部有填装的陶瓷环做预热段，中下部为流化膨胀的催化剂浓相段，中上部为稀相段，顶部为扩大段。

也采用三段控温方法。

控制系统的温度控制采用高精度的智能化仪表，有三位半的数字显示，通过参数改变能适用各种测温传感器，并且控温与测温数据准确可靠。

它的换热效果比固定床优越，能及时把反应热移走，床层温度均匀，避免产物产生过热现象，提高了催化剂的反应效率。

故流化床在许多有机反应中得到应用，如丙烯氨氧化制丙烯晴、丁烷或苯氧化制顺酐、二甲苯或萘氧化制苯酐、乙烯氯化、石油催化裂化、烷烃催化脱氢、二氧化硫氧化等都有工业规模生产，在实验室用流化床研究催化剂和工艺条件对产品开发有重大作用。

整机流程设计合理，设备安装紧凑，操作方便，性能稳定，重现性好。

此外，还有与计算机联机的接口，可安装软件能在计算机上显示与存储有关数据,实现计算机控制。

专科《化学反应工程》一、（共75题，共150分）1。

全混流反应器中有( ）个稳定的定常态操作点。

（2分)A。

1 B.2 C.3 D.4.标准答案：B2. 一级连串反应在全混流釜式反应器中，则目的产物P的最大浓度CP,max=（）。

（2分）A。

B。

C.D..标准答案：B3。

轴向分散模型的物料衡算方程在（ )式边界条件下有解析解。

(2分）A。

闭—闭 B.开—闭 C。

闭-开 D.开—开。

标准答案：D4. 反应级数n=( )时微观流体和宏观流体具有相同的反应结果. (2分)A.0 B。

0.5 C。

1 D.2。

标准答案：C5. 催化剂在使用过程中会逐渐失活，其失活速率式为，当进料中的杂质吸附极牢以及对产物无内扩散阻力时，d为（ ). （2分）A。

B。

=1C。

→3D。

.标准答案：A6。

等温液相反应为目的产物,有下列四种方案可供选择,从提高P的收率着眼适宜选用( ）. （2分）A。

间歇釜式反应器,A和B一次性加入B.全混流反应器C.半间歇釜式反应器，A一次性加入,B连续滴加D.半间歇釜式反应器,B一次性加入，A连续滴加.标准答案：D7. 乙苯在催化剂上脱氢生成苯乙烯，经一段时间反应后，苯乙烯生成量不再增加,乙苯仍大量存在,表明这是一个（ )反应. （2分）A。

慢速 B.可逆 C.自催化 D.不可逆.标准答案：B8。

催化剂颗粒扩散的无因次扩散模数值的大小反映了表面反应速率与( ）之比。

（2分）A。

扩散速率 B.外扩散速率C。

内扩散速率 D。

实际反应速率.标准答案：C9. 不属于气固相催化反应固定床反应器拟均相二维模型的特点是（ ). （2分）A.粒子与流体间有温度差B.粒子与流体间无温度差C.床层径向有温度梯度 D。

床层轴向有温度梯度。

标准答案：A10. 气固催化反应的内扩散模数,其中L为特征长度，若颗粒为球形则L=( )。

（2分)A。

厚度/2 B。

R C.R/2 D.R/3 .标准答案：D11。

对于反应级数n＞0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用（）。

化学反应工程习题第一章思考题发布时间2012年11月23日截止时间2012年12月31日满分分数 5.0作业内容 1. 化学反应工程是一门研究_____________________________________的科学。

2. 所谓数学模型是指___________________________________________。

3. 化学反应工程的数学模型包括_____________、____________、____________、____________和____________。

4. 所谓控制体积是指_____________________________________________。

5. 模型参数随空间而变化的数学模型称为_____________________。

6. 模型参数随时间而变化的数学模型称为_____________________。

7. 建立物料、热量和动量衡算方程的一般式为_________________________。

第二章思考题和习题1发布时间2012年11月23日截止时间2012年12月31日满分分数 5.0作业内容第二章均相反应动力学基础1. 均相反应是指___________________________________。

2. 对于反应aA + bB → pP + sS，则r P=_______r A。

3.着眼反应物A的转化率的定义式为_______。

4. 产物P的收率ΦP与得率ХP和转化率x A间的关系为_________________________________________________。

5. 化学反应速率式为r A=k C C AαC Bβ，用浓度表示的速率常数为k C，假定符合理想气体状态方程，如用压力表示的速率常数k P，则k C=_______k P。

6.对反应aA + bB → pP + sS的膨胀因子的定义式为___________________。

《化学反应工程》课程教学大纲课程名称：化学反应工程课程类型：必修课，专业课总学时：54 讲课学时：54 实验学时：0学分：3.0适用对象：化学工程、化学工艺先修课程：物理化学、化工工艺学、化工原理、化工热力学一、课程性质、目的和任务课程性质：化学反应工程是以化学反应器原理为要紧线索，要紧研究化学反应过程需要解决的工程问题，是化工生产的龙头、关键和核心，是一些基础学科诸如物理化学、传递过程、化学工艺等相互渗透与交叉而演变成的边缘学科，其内容要紧涉及化学反应动力学、反应器中传递特性、反应器类型结构、数学建模方法、操作分析及反应器设计，具有高度综合性、广泛基础性和自身专门性。

课程目的与任务：一是培养学生将物理化学、传递过程、化学工艺、化工热力学、操纵工程等学科知识用之于化学反应工程学的综合能力；二是使学生把握化学反应工程学科的理论体系、研究方法，了解学科前沿；三是使学生初步具备改进和强化现有反应技术和设备、开发新的反应技术和设备、解决反应过程中的工程放大问题以及实现反应过程中最优化的能力二、教学差不多要求通过本课程的教学，要使学生系统地把握化学反应动力学规律、传递过程对化学反应的阻碍规律，把握反应器设计、过程分析及最佳化方法。

四、课程的重点和难点绪论重点是化学反应工程的研究内容和方法。

第一章均相单一反应动力学和理想反应器重点：①化学反应动力学方程②理想反应器设计方程难点：动力学方称的建立；反应器设计运算第二章复合反应与反应器选型重点：复合反应动力学方程表达法；复合反应动力学特点分析；平推流反应器的串联和全混流反应器的串联。

难点：可逆反应吸热反应和放热反应动力学特点推导与分析；循环反应器设计方程的数学推导；复合反应（包括可逆反应、自催化反应、平行反应、连串反应）在PFR 和CSTR反应器的优化设计运算第三章非理想流淌反应器重点：停留时刻分布的概率函数及特点值；停留时刻分布的实验测定；解决均相反应过程问题的近似法即活塞流模型、全混流模型、凝聚流模型、多级混合槽模型、轴向扩散模型的推导、结论及应用比较。

气固相催化反应的步骤
1. 催化剂预处理：将催化剂进行预处理，以去除表面的杂质和活性物种，并提高催化剂的活性和选择性。

常用的预处理方法包括煅烧、还原和氧化等。

2. 催化剂加载：将经过预处理的催化剂加载到固体底物上，形成催化剂-底物体系。

加载方法可以采用浸渍、沉积或物理吸附等。

3. 底物进料：将气体底物通过气体供给系统导入反应器。

底物可以是单一气体或混合气体，取决于具体反应的要求。

4. 反应发生：底物分子在催化剂表面发生吸附和解析反应。

此过程中，催化剂促进了底物分子之间的化学反应，并降低了反应的活化能，从而提高了反应速率和选择性。

5. 产物分离：反应产物经过催化剂表面的解析，从催化剂表面脱附，并通过分离系统进行分离和收集。

常用的分离方法包括凝固、吸附和脱附等。

6. 催化剂再生：催化剂在反应过程中可能会受到中毒或失活，需要进行再生以恢复催化剂活性。

催化剂再生方法根据具体反应的特点而不同，常用的再生方法包括煅烧、洗涤和修复等。

以上是气固相催化反应的一般步骤，具体情况会因反应种类不同而有所差异。

第六章气-固相催化反应器设计本章核心内容：本章讨论的气固相催化反应反应器包括固定床反应器和流化床反应器。

在固定床反应器部分，介绍了气固相催化反应器的各种类型和固定床层的流动特性，给出了固定床反应器的两种设计方法：经验或半经验法和数学模型法。

在流化床反应器部分，在对固体颗粒流态化现象和流态化特征参数介绍的基础上，讨论了流化床反应器的分类和工业应用。

6-1 固定床反应器的型式反应器内部填充有固定不动的固体催化剂颗粒或固体反应物的装置，称为固定床反应器。

气态反应物通过床层进行催化反应的反应器，称为气固相固定床催化反应器。

这类反应器除广泛用于多相催化反应外，也用于气固及液固非催化反应，它与流化床反应器相比，具有催化剂不易跑损或磨损，床层流体流动呈平推流，反应速度较快，停留时间可以控制，反应转化率和选择性较高的优点。

工业生产过程使用的固定床催化反应器型式多种多样，主要为了适应不同的传热要求和传热方式，按催化床是否与外界进行热量交换来分，分为绝热式和连续换热式两大类。

另外，按反应器的操作及床层温度分布不同来分，分为绝热式、等温式和非绝热非等温三种类型；按换热方式不同，分为换热式和自热式两种类型；按反应情况来分，分为单段式与多段式两类；按床层内流体流动方向来分，分为轴向流动反应器和径向流动反应器两类；根据催化剂装载在管内或管外、反应器的设备结构特征，也可以对固定床催化反应器进行分类。

图6-1、6-2、6-3分别是轴向流动式、径向流动式和列管式固定床反应器结构示意图。

其中，图6-1和图6-2所示的反应器为绝热式，图6-3所示的反应器为连续换热式。

图6-1 轴向流动式图6-2径向流动式图6-3列管式固固定床反应器固定床反应器定床反应器6-1-1 绝热式固定床反应器绝热式固定床催化反应器有单段与多段之分。

绝热式反应器由于与外界无热交换以及不计入热损失，对于可逆放热反应，依靠本身放出的反应热而使反应气体温度逐步升高；催化床入口气体温度高于催化剂的起始活性温度，而出口气体温度低于催化剂的耐热温度。

化学反应工程_南京理工大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.对于反应级数n < 0 (反常动力学)的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用( )参考答案:全混流反应器2.吸附等温线方程包括_____________、BET模型、焦姆金模型和弗罗因德利希模型。

参考答案:朗缪尔吸附等温线3.催化剂中气体扩散形式主要包括分子扩散、____________、构型扩散。

参考答案:努森扩散4.全混流反应器内物料的温度和浓度均一(均匀)，并且_____________(大于/等于/小于)反应器出口物料的浓度和温度。

参考答案:等于5.物料衡算式的基本表达形式是：单位时间内反应物的流入量=单位时间内反应物的流出量+单位时间内反应物的反应量+______。

参考答案:反应器中反应物的累积速度6.可逆吸热反应的最优操作温度取决于__________________________。

参考答案:系统可允许的最高操作温度7.某反应级数相同不可逆反应，若主反应的活化能高于副反应，则升高温度，选择性将 (增大/减小/不变)。

参考答案:增大8.某反应级数相同不可逆反应，若主反应的活化能高于副反应，则升高温度，目标产物的收率将 (增大/减小/不变)。

参考答案:增大9.复合反应主要包括：______________、串联反应、反应网络。

参考答案:平行反应10.均相反应的三大特点：均相体系、强烈的混合手段、_________________。

参考答案:反应速率远小于分子扩散速率11.化学反应工程的目的是____________________________________________。

参考答案:反应器的优化设计和操作12.气固相催化反应中，西勒模数增加，有效系数η( )参考答案:减小13.在全混流反应器中，采用阶跃示踪法，停留时间小于平均停留时间的粒子占总例子分率( )参考答案:0.63214.反应N2+3H2 →2NH3的膨胀因子δH2为( )参考答案:-2/315. 5. 化学反应工程研究方法有______和_______。

第六章 固定床反应器1.凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作_______。

（固定床反应器）2.固定床中催化剂不易磨损是一大优点，但更主要的是床层内流体的流动接近于_______，因此与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。

（平推流）3.固定床中催化剂不易磨损是一大优点，但更主要的是床层内流体的流动接近于平推流，因此与返混式的反应器相比，可用_______的催化剂和_______的反应器容积来获得较大的生产能力。

（较少量、较小）4.目前描述固定床反应器的数学模型可分为_______和_______的两大类。

（拟均相、非均相）5.描述固定床反应器的拟均相模型忽略了粒子与流体之间_______与_______的差别。

（温度、浓度）6.描述固定床反应器的数学模型，忽略了粒子与流体之间温度与浓度的差别的模型称之为_______。

（拟均相模型）7.描述固定床反应器的数学模型，考虑了粒子与流体之间温度与浓度的差别的模型称之为_______。

（非均相模型）8.描述固定床反应器的拟均相模型，根据流动模式与温差的情况它又可分为平推流与有轴向返混的_______模型，和同时考虑径向混合和径向温差的_______模型。

（一维、二维）9.固定床中颗粒的体积相当直径定义为具有相同体积P V 的球粒子直径，表达式V d =_______。

（3/1)/6(πP V ）10.固定床中颗粒的面积相当直径是以外表面P a 相同的球形粒子的直径，表达式a d =_______。

（π/P a ） 11.固定床中颗粒的比表面相当直径是以相同的比表面V S 的球形粒子直径来表示，表达式S d =_______。

（V S /6） 12.对于非球形粒子，其外表面积P a 必大于同体积球形粒子的外表面积S a ，故可定义颗粒的形状系数=S ϕ_______。

（P Sa a /） 13.颗粒的形状系数S ϕ对于球体而言，=S ϕ_______，对于其他形状的颗粒S ϕ_______。