化学反应工程课件_气固相催化流化床反应器74页PPT

解：一级反应， ( rA )kA c kA 0 c (1xA )
t1ln1 1 ln1 99 .（ 8s6 ） k 1xA 0.0021 3 0.9 1
-
18
反应器体积：
V R q V 0(t t') 1 2m h 4 3 4 (9 3.9 6 8 6 3 6 0)0 0 0 .4m 533
-
9
活塞流模型－理想排挤流动模型（平推流） 反应器内任一截面上无速度梯度；物料在反 应器内的停留时间完全相同。（连续操作管 式反应器）
-
10
非理想流动模型－介于上两 种理想模型之间 a.轴向扩散模型－活塞流+轴 向扩散
将对活塞流的偏离情况通过轴 向扩散（轴向返混）速率来描 述 b.多。级费全克混定流律模：型u （D多l d釜dCl串联 流动模型）
(rA)VRdA n /dt (rA)dA c/dt d tdAc/ (rA)
基本方程：
tcA cA0
( d rAA )ccA0
xA 0
dA x (rA)
-
等容过程，液相反应
15
简单一级反应： ( rA )kA c kA 0 c (1xA )
t c A 0 0 x Ak A 0 d ( 1 c A x A x ) k 1 0 x Ad 1 ( 1 x x A A ) k 1 l1 n 1 x A k 1 lc c n A A 0
按操作 方法分
间歇 连续 半连续
5
7 基本反应器 间歇操作搅拌釜式反应器
特点：分批操作；所有物料 的反应时间相同；反应物的 浓度是时间的函数。
连续操作管式反应器
特点：连续进料；T、P、q
一定时，反应器内任一截面
的物料浓度不随时间变化；

冷激式非 原原 料料 气气 冷冷 激激 式:式(大, (C型O装变置换氨，、过甲热醇水合蒸成气)冷激)
5-1 气固相催化反应器的基本类型
5-2基本设计原则：
自学（要求）。二个条件，五个基本原则
• 5-3催化反应器的数学模型：
据反应动力学分：非均相
（传递过程对反应速率影响）；
数学模型分类方法
• * 用peclet准数Pe表示径向、轴向混合有效弥散 系数Dr、De：
•
P

du s

d u
(s
f
)(

),(5 38 A)
D er
D
r
fr
P

du s
d u
( s f )(

),(5 38 B)
el
D
D
l
fl
5-7 固定床中流体的径向和轴向混合
5-7 固定床中流体的径向和轴向混合
• ②绝热温升的影响因素：由（5-6）知： • 混合气体初始组成yAO↑，则∧↑可能，Tb2>T0,耐
热（低CO交换、甲烷化，注意yAO要低） • （-△HR）↑,则∧↑可能， Tb2>T0,耐热（热效应
大的反应尤要注意，如甲烷化保证yAO不超定值）
5-13 绝热温升
• ③当yAO较小（即低浓进气），或yAO虽较大，但 △XA不太大时，基本符合上述简化条件；绝热操作线 为直线，∧为常数，即Tb-Tb1＝∧（XA-XA1）(4-75) • ④当反应混合物组成变化很大，不符合简化条件， ∧不为常数，绝热操作线为曲线；此时，段分段计 算，每段用简化方法。 • ⑤对多段间接换热式反应器和多段原料气冷激式反 应器，若忽略各段出口气体组成对∧值的影响，则各 段绝热操作线斜率都相同。

第二章 气－固相催化反应本征 及宏观动力学
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1
2.1 催化及固体催化剂 2.2 化学吸附与气－固相催化反应本征动力学模型 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气
体的扩散 2.4 内扩散有效因子 2.5 气—固相间热、质传递过程对总体速率的影响 2.6 固体颗粒催化剂的工程设计 2.7 固体催化剂失活
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1）反应特点 （1）反应物和产物均为气体； （2）使用固体催化剂，具有惊人的内表面； （3）反应区在催化剂颗粒内表面。 2）反应步骤
反应区在颗粒内部，整个反应过程是由物理过程和 化学反应过程组成的，反应分7步进行。
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5
（1）反应物从气相主体扩散到颗粒外表面——外扩散； （2）反应物从颗粒外表面扩散进入颗粒内部的微孔——内 扩散；
容有以下几方面。
(1) 催化剂颗粒内气体的扩散；
(2) 催化剂颗粒内扩散－反应过程的关联方法——内扩散
有效因子；
(3)
宏观动力学方程，或称之为总体速率方程的建立。 PPT课件
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2.1 催化及固体催化剂
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8
2.1.1 催化反应
催化(Catalysis)的研究和发展对化学工业的变革起 着决定性的作用。18世纪到19世纪初期世界工业起步和发 展所需的基本化工原料如硫酸、氨和硝酸的生产，由于开 发了催化作用和研制了催化剂而发生了根本性的变革。 1831年研制了铂催化剂转化二氧化硫的接触法替代了铅室 法生产硫酸。1900年铂催化剂上进行的氮氧化反应取代了 硫酸和硝酸钠反应生产硝酸。1913年使用熔铁催化剂的氨 合成生产装置的开发带动了高压容器和压缩机的发展。 1923年采用锌铬催化剂使一氧化碳加氢合成甲醇取代了木 材干馏制甲醇。但由于低温下锌铬催化剂的催化作用低， 只能在350---420℃反应，较高反应温度下不利于甲醇合 成的热力学平衡，因此必须在25---30MPa高压下生产。 1966年铜基催化剂合成甲醇投产，可在220~270℃下反应， 相应压力可降至5MPa，节约了高压生产的能耗。

mf 和 m 为临界状态和实际操作条件下床层的平
均密度。
颗粒带出速度 u ：
t 流化床中流体速度的上限，流体对粒子的曳
力与粒子的重力相等，粒子将被气流带走。
对于球形颗粒等速沉降时，可得出下式：
4 d p ( p f ) g
ut

f D
3

1
2
式中
D
过程原理
过程原理
过程原理
典型装置
壳体
气体分布装置
换热器
内部构件
催化剂的加入与卸
出装置
气固分离装置
流化床反应器的相关参数
流化过程床层压降变化
临界流化速度 u mf（起始流化速度，也称最低流化速度）：颗
粒层由固定床转化为流化床时流体的表现速度。
小颗粒
大颗粒
经验公式
umf
d ( p f ) g ( R 20 )
▪ 有气-固相流化床催化反应器和气-固相流化床
非催化反应器两种
▪ 以一定的流动速度使固体催化剂颗粒呈悬浮湍
动，并在催化剂作用下进行化学反应的设备称
为气-固相流化床催化反应器（常简称为流化
床），它是气-固相催化反应常用的一种反应器
▪ 而在气-固相流化床非催化反应器中，是原料气
直接与悬浮湍动的固体原料发生化学反应。
e

1650 f
u
2
mf
2
p
d p ( p f ) g
( Re 1000 )
24.5 f
umf 0.00923
d
1.82
p
( p f )

0.88
f

0.06

气泡上升到床层表面时的破裂将部分颗粒弹出床面。在 密相床上面形成一个含有少量颗粒的自由空域 （freeboard）。
一部分在自由空域内的颗粒在重力作用下返回密相床， 而另一部分较细小的颗粒就被气流带走，只有通过旋风 分离器的作用才能被捕集下来，经过料腿而返回密相床 内。
(3) 节涌流化床
对于高径比较大的流化床，直径较小， 当表观气速大到一定程度时，会由于气 泡直径长大到接近床层直径而产生气栓 （slug）。气栓像活塞一样向上升，而气 栓上面颗粒层中的颗粒纷纷下落，气栓 达到床层表面时即破裂。床层压降出现
A类颗粒称为细颗粒，一般粒度较小（30 ~ 100μm）并且颗
粒密度较小（ρp<1400 kg/m3）。 ➢ A类颗粒形成鼓泡床后，密相中空隙率明显大于临界流
化空隙率εmf ； ➢ 密相中气、固返混较严重，气泡相与密相之间气体交换
速度较高； ➢ 随着颗粒平均粒度降低，气泡尺寸随之减小； ➢ 催化裂化催化剂是典型的A类颗粒。
➢ 对于较小和较轻的A类颗粒，当表观气速ug刚超过临界 流化速度的一段操作范围内，多余的气体仍进入颗粒群 使之均匀膨胀而形成散式流态化，但进一步提高表观气 速将生成气泡而形成聚式流态化，这种情况下产生气泡 的相应表观气速称为起始鼓泡速度或最小鼓泡速度umb。
2. 聚式流态化与散式流态化
决定散式或聚式流态化的主要因素是固体与流体之 间的密度差，其次是颗粒尺寸。 当用水流化密度很大的铅颗粒，液-固流化床中也有大液 泡形成聚式流化行为。 当用1.5～2.0MPa压力下密度增大的空气流化260μm的砂 子，出现了散式流态化现象。 处于散式流态化的液-固流化床为均匀的理想流态化状态。
我国于1956年开始将流态化技术应用于工业装置，南京化学 工业公司自立更生建立了硫铁矿流化床焙烧装置，取代多层 硫铁矿机械焙烧炉，并迅速广泛推广，促进了硫酸工业发展。

气体分布装置：
包括气体预分布器和气体分布板。其作用是使气体均匀分布，以形 成良好的初始流化条件，同时支承固体颗粒。以下为常见气体分布板 形式：
凹型筛孔板
单个直孔泡帽
气体分布装置：
泡帽侧缝分布板
泡帽侧孔分布板
条形侧缝分布板
直孔泡帽分布板
直孔筛板
锥型侧孔分布板
锥型侧缝分布板 锥型侧缝分布板
包括档网、档板和气填充体物等预。 分布器
聚式流化床。
作用：回收上升气流中不仅带的细粒和粉尘，并避免带出的粉尘影响产品的纯度。
对于g-s系统，一般在气速超过Umf后，将会出现气泡，气速越高，气泡造成的扰动也越剧烈，使床层波动频繁，这种形态的流化床称
聚式流化床。
帽式分布器
作用：对进入气体起预分布作用、卸催化剂。
同心圆锥壳式分布器
流态化——固体粒子象流体一样进行流动的现象。
•
umf——临界流化速度，是指刚刚能够使固体颗粒流化起来的气
体空床流速度，也称最小流化速度。
•
ut——带出速度，当气体速度超过这一数值时，固体颗粒就不能
沉降下来，而被气流带走，此带出速度也称最大流化速度。
散式流化和聚式流化
➢ 散式流化
db/dp＜1 db——气泡直径
dp——颗粒直径
对于l-s系统，流体与粒子的密度相差不大，故umf一般很小，流速进 一步提高时，床层膨胀均匀且波动很小，粒子在床内的分布也比较均
➢ 消除方法：床内设内部构件；降低u
压降：
p (1 mf )hmf (s f )g (1 f )hf (s f )
当dp/D＜1/20，L0/D＜2时，床层压降计算式较准确。 由式可知：床层处于流化状态时，压降与流化速度无关。

流体 流体
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ΔP 500
300 200
100 50
1
固定床
流化床
斜率=1
夹带开始 ΔP=W/At
2 umf 10
50
100
空床流速 u0 ㎝/s
反应工程课件第五章
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反应工程课件第五章
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反应工程课件第五章
42
反应工程课件第五章
43
反应工程课件第五章
44
反应工程课件第五章
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反应工程课件第五章
ห้องสมุดไป่ตู้
x
平衡温度线
最佳温度线
反应工程课件第五章
T
6
A、平衡曲线：X-Te线 表示在一定的温度、压力和组成下，可以达到的平
定义 衡转化率X，即最大转化率。
特性 初始组成Yi0一定，压力P一定，平衡曲线就一定。 反之改变Yi0， P，平衡曲线就改变。
平衡曲线的作法：
[生成物浓度 ]
KP
[反应物浓度
]
f (x)
第五章 固定床气-固相催化反应工程
5.1 固定床气－固相催化反应器的基本类型和数学 模型
5.2 固定床流体力学 5.3 绝热式固定床催化反应器 5.4 连续换热内冷自热式催化反应器 5.5 催化反应过程进展
反应工程课件第五章
1
气——反应物和产物为气相
固——固体催化剂
2SO2 + O2 =2SO3
炼油工业中的催化重整， 异构化，基本化学工业中的 氨合成、天然气转化，石油 化工中的乙烯氧化制环氧乙 烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。
b、冷却过程无反应，但 x
温度变化，故各段冷却
平衡温度 线
线相互平行，且平行于

方程。
非均相模型（考虑流体和粒子表面间 1.按动力学 的拟温均度相和模浓型度（差忽）略流体和粒子表面间
的温度和浓度差，假设流体与粒子为 浑然一体的均相）
2.床层温度二 一维 维模 模型 型（ （轴 平向 推和 流径 模向 型） 和轴向扩散模型）
3.按流体流动非 理理 想想 流流 动动 模模 型型
26
• 解：①求颗粒的平均直径。
dS
1 xi
0.60 0.25 0.15 1 3.96mm 3.96103 m 3.40 4.60 6.90
di
• ②计算修正雷诺数。
Re m

g
dSG
1 B

3.96 103 6.2
2.3105 1 0.44

dV
19
•（2）外表面积当量直径： (非球形颗粒折合 成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS

4π
d 2
2


SS π
1
2

da
• （3）比表面积当量直径： (非球形颗粒 折合成相同比表面积的球形颗粒应当具 有的直径）
球形比表面积：
SV

SS VS
－P f
L de

um2 2 B 2
＝f
L
2 3
.
(1


B

B
)
.d
S

um2 2 B2

＝3 f 4
L dS
1B

3 B

u m2

f L dS
1B

3 B

u

床层宏观反应动力学
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第十五页，编辑于星期五：十四点 二分。
涓流床三相反应器
1、气、液并流向下通过固定床的流 体力学 (1)气，液稳定流动区——当气速较低 时，液体在颗粒表面形成滞流液膜， 气相为连续相， “涓流状”。气速增 加称为“喷射流”；
(2)过渡流动区——继续提高气体流速，床 层上部是喷射流，下部出现脉冲现象。
缺点——大型涓流床反应器低液速操作的液流径向分布不均匀， 局部过热，催化剂迅速失活。催化剂颗粒不能太小，而大颗粒催 化剂存在明显的内扩散影响；轴向温升，可能飞温。
6
第六页，编辑于星期五：十四点 二分。
悬浮床气—液—固反应器
①机械搅拌悬浮式； ②淤浆床鼓泡反应器，以气体鼓泡搅拌； ③不带搅拌的气、液两相流体并流向上，而颗粒不带出床外 的三相流化床反应器； ④三相携带床反应器，不带搅拌的气、液两相流体并流向上， 而颗粒随液体带出床外的三相输送床反应器；
(3)二个反应相，第三个是惰性相：液相为惰性相的气—固催化 反应，液相作为传热介质，如一氧化碳催化加氢生成烃类、醇类、 醛类、酮类和酸类的混合物；气体为惰性相的液—固反应，气体 起搅拌作用，例如硫酸分解硫铁矿槽式反应釜内用空气搅拌。
2
第二页，编辑于星期五：十四点 二分。
第三页，编辑于星期五：十四点 二分。
安静鼓泡区、湍流鼓泡区、栓塞流区。 上述流区间的过渡条件与液体特性、气体分布器的设计、 颗粒特性及床层尺寸等因素有关。
例如，对于高粘性的流体在很低的表观气速下可形成栓塞流。气
体分布器如采用微孔平均直径低于150um的素烧陶瓷板，当表 观气速达0.05一0.08m/s时，仍为安静鼓泡区，当多孔板孔径超 过1mm时，气泡分散区仅存在于很低的表观气速。