第五章氣－固相催化反應(yīng)工程課件

第五章氣－固相催化反應(yīng)工程

第五章氣－固相催化反應(yīng)工程1第一節(jié)概述5-1氣固相催化反應(yīng)器的基本類型：

固定床（絕熱式、連續(xù)換熱式）；

流化床

固定床連續(xù)換熱式：反應(yīng)、換熱同時(shí)進(jìn)行

第一節(jié)概述5-1氣固相催化反應(yīng)器的基本類型：25-1氣固相催化反應(yīng)器的基本類型固定床絕熱式：5-1氣固相催化反應(yīng)器的基本類型固定床絕熱式：35-1氣固相催化反應(yīng)器的基本類型5-1氣固相催化反應(yīng)器的基本類型45-2基本設(shè)計(jì)原則：

自學(xué)（要求）。二個(gè)條件，五個(gè)基本原則5-3催化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型：5-2基本設(shè)計(jì)原則：

自學(xué)（要求）。二個(gè)條件，五個(gè)基本原則555-3催化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型分類情況：以最基礎(chǔ)的一維、擬均相、平推流模型為基礎(chǔ)，按各類反應(yīng)器實(shí)際情況，計(jì)入軸向返混、徑向溫差和濃差、相間及顆粒內(nèi)部的傳質(zhì)和傳熱，→List5-1。處理具體問(wèn)題時(shí)，應(yīng)針對(duì)具體反應(yīng)過(guò)程及反應(yīng)器的特點(diǎn)進(jìn)行分析，選用合適的模型。5-3催化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型分類情況：6第二節(jié)固定床流體力學(xué)

5-4固定床的物理特性：一、非中空固體顆粒的相當(dāng)直徑與形狀系數(shù)：*顆粒的相當(dāng)直徑：①等體積圓球的直徑：②等外表面積圓球的直徑：（固定床傳熱、傳質(zhì)中）第二節(jié)固定床流體力學(xué)5-4固定床的物理特性：75-4固定床的物理特性：③等比表面積圓球的直徑：

形狀系數(shù)：5-4固定床的物理特性：③等比表面積圓球的直徑：85-4固定床的物理特性：二、混合顆粒的平均直徑及形狀系數(shù)：*算術(shù)平均直徑：*調(diào)和平均直徑：5-4固定床的物理特性：二、混合顆粒的平均直徑及形狀系數(shù)95-4固定床的物理特性：三、固定床的當(dāng)量直徑：

5-4固定床的物理特性：三、固定床的當(dāng)量直徑：105-4固定床的物理特性：四、固定床的空隙率及徑向流速分布：

定義：對(duì)床層壓降、床層有效導(dǎo)熱系數(shù)，比表面積影響大的影響因素：

5-4固定床的物理特性：四、固定床的空隙率及徑向流速分布115-4固定床的物理特性：空隙率與徑向流速分布：5-4固定床的物理特性：空隙率與徑向流速分布：125-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降

一、流動(dòng)特性：孔道幾何形狀相差甚大，相互交聯(lián)、彎曲?？椎揽傮w積并非自由體積，死角處流體靜止。旋渦數(shù)目多，由滯流→湍流明顯，有的滯流，有的湍流。二、單相流體通過(guò)固定床的壓降：將流體在空?qǐng)A管中流動(dòng)時(shí)的壓降公式，加以合理修正而成。*公式:5-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降一、流動(dòng)特性：135-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降修正摩擦系數(shù)：5-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降修正摩擦系數(shù)：145-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降①當(dāng)Rem<10（滯流）：>>1.75②當(dāng)Rem>1000（完全湍流）：<<1.75

③若顆粒大小不均勻;④若不夠大時(shí)，應(yīng)考慮壁效應(yīng)的影響。（5-19）（5-20）5-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降①當(dāng)Rem<10（滯155-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降三、影響固定床壓降的因素：1、兩方面因素2、G與L、A有密切關(guān)系：對(duì)一定的VR（床層體積）在可能范圍內(nèi)，dt（床層直徑）↑、相應(yīng)L（床層高度）↓→有利于△p↓;但不利于高壓容器制造。此時(shí)，軸向流動(dòng)改為徑向流動(dòng)，有利于△p↓。

5-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降三、影響固定床壓降的165-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降3、對(duì)壓降影響十分顯著：4、粒徑、形狀：重要影響因素。當(dāng)Rem<10，當(dāng)Rem>1000,(篩析范圍相同)。5-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降3、對(duì)壓降影響十175-7固定床中流體的徑向和軸向混合

一、固定床中徑向及軸向混合有效彌散系數(shù)：*流體流徑固定床時(shí)，因不斷分散與匯合形成一定程度的徑向及軸向混合；徑向比軸向更顯著；當(dāng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、與外界換熱時(shí)，更甚。*用peclet準(zhǔn)數(shù)Pe表示徑向、軸向混合有效彌散系數(shù)Dr、De：

5-7固定床中流體的徑向和軸向混合一、固定床中徑向及軸向185-7固定床中流體的徑向和軸向混合5-7固定床中流體的徑向和軸向混合195-7固定床中流體的徑向和軸向混合二、固定床反應(yīng)器中的軸向返混：當(dāng)L>100ds時(shí)，可略去軸向返混的影響；L<100ds的床層——管床層（必須考慮軸向返混的影響）（實(shí)驗(yàn)室裝置如此）5-7固定床中流體的徑向和軸向混合二、固定床反應(yīng)器中的軸向20第四節(jié)絕熱式固定床催化反應(yīng)器5-13絕熱溫升XA～T圖：?jiǎn)我豢赡娣艧岱磻?yīng)，在單段絕熱催化床中的操作過(guò)程。平衡曲線；最佳溫度線；絕熱操作線AB（A點(diǎn)：進(jìn)口狀態(tài)--初態(tài)—1狀態(tài)；B點(diǎn)：出口狀態(tài)—終態(tài)—2狀態(tài)）XA～T關(guān)系式：由整個(gè)催化床熱量衡算導(dǎo)得：

第四節(jié)絕熱式固定床催化反應(yīng)器5-13絕熱溫升215-13絕熱溫升簡(jiǎn)化方法：①②將初態(tài)（Tb1,XA1）變溫反應(yīng)終態(tài)（Tb2,XA2）的過(guò)程視為初態(tài)（Tb1,XA1）等溫反應(yīng)中間態(tài)（Tb1,XA2）升溫終態(tài)（Tb2,XA2）的過(guò)程。簡(jiǎn)化后積分得：

式中，，（5-61）絕熱溫升系數(shù)5-13絕熱溫升簡(jiǎn)化方法：225-13絕熱溫升

有關(guān)討論：①絕熱溫升的物理意義：由（5-60）知，當(dāng)XA2-XA1＝1時(shí)，∧＝Tb2-Tb1＝>絕熱條件下，組分A完全反應(yīng)時(shí)，混合氣體溫度升高的數(shù)值。②絕熱溫升的影響因素：由（5-6）知：混合氣體初始組成yAO↑，則∧↑可能，Tb2>T0,耐熱（低CO交換、甲烷化，注意yAO要低）（-△HR）↑,則∧↑可能，Tb2>T0,耐熱（熱效應(yīng)大的反應(yīng)尤要注意，如甲烷化保證yAO不超定值）5-13絕熱溫升有關(guān)討論：235-13絕熱溫升③當(dāng)yAO較?。吹蜐膺M(jìn)氣），或yAO雖較大，但△XA不太大時(shí)，基本符合上述簡(jiǎn)化條件；絕熱操作線為直線，∧為常數(shù)，即Tb-Tb1＝∧（XA-XA1）(4-75)④當(dāng)反應(yīng)混合物組成變化很大，不符合簡(jiǎn)化條件，∧不為常數(shù)，絕熱操作線為曲線；此時(shí)，段分段計(jì)算，每段用簡(jiǎn)化方法。⑤對(duì)多段間接換熱式反應(yīng)器和多段原料氣冷激式反應(yīng)器，若忽略各段出口氣體組成對(duì)∧值的影響，則各段絕熱操作線斜率都相同。5-13絕熱溫升③當(dāng)yAO較?。吹蜐膺M(jìn)氣），或yAO雖較24第九節(jié)催化反應(yīng)過(guò)程進(jìn)展5-27強(qiáng)制振蕩非定態(tài)周期催化反應(yīng)過(guò)程：一、強(qiáng)制周期操作：周期性改變進(jìn)料組成、進(jìn)料流量、反應(yīng)溫度。即：對(duì)催化反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行瞬變的動(dòng)態(tài)操作，以改變反應(yīng)組分在催化劑表面上的吸附態(tài)或吸附速率，從而促進(jìn)反應(yīng)速率。二、流向周期變換操作：進(jìn)料流向強(qiáng)制周期換向操作。因流向周期變換操作具有蓄熱性能→對(duì)自然操作的進(jìn)料濃度要求大約降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，流程簡(jiǎn)化、能耗低、適應(yīng)性強(qiáng)。第九節(jié)催化反應(yīng)過(guò)程進(jìn)展5-27強(qiáng)制振蕩非定態(tài)周期催化反應(yīng)255-27強(qiáng)制振蕩非定態(tài)周期催化反應(yīng)過(guò)程三、循環(huán)流化床反應(yīng)器：催化劑顆粒由于循環(huán)流動(dòng)而處于非定態(tài)，但床內(nèi)溫度、濃度保持定態(tài)?！糜诟邷夭僮骱筒糠盅趸阮I(lǐng)域。

5-27強(qiáng)制振蕩非定態(tài)周期催化反應(yīng)過(guò)程三、循環(huán)流化床反應(yīng)器265-28催化——吸收耦聯(lián)

催化、吸收一體化。催化與吸收分離過(guò)程同時(shí)進(jìn)行；改變了傳統(tǒng)的氣一固相催化合成反應(yīng)中的平衡限制。如溶劑甲醇過(guò)程（smp）。5-28催化——吸收耦聯(lián)催化、吸收一體化。275-29催化——吸附耦聯(lián)

催化、吸附一體化。催化與吸附分離過(guò)程同時(shí)進(jìn)行；如逆流氣——固——固涓流床甲醇合成反應(yīng)器。5-29催化——吸附耦聯(lián)催化、吸附一體化。285-30催化——催化耦聯(lián)

在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，使用一種雙功能催化劑，或兩種不同功能的催化劑，將原料氣經(jīng)催化合成中間產(chǎn)品，再進(jìn)一步催化合成最終產(chǎn)品，如一步法生產(chǎn)二甲醚。（固定床復(fù)合催化劑；氣——液——固三相淤漿床雙功能催化劑）。

5-30催化——催化耦聯(lián)在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，使用一種雙295-31催化一蒸餾：5-32膜催化：催化轉(zhuǎn)化和產(chǎn)品分離組合起來(lái)的過(guò)程。5-33超臨界化學(xué)反應(yīng)：利用超臨界流體作為反應(yīng)介質(zhì)的優(yōu)良特性。5-31催化一蒸餾：30第五章氣－固相催化反應(yīng)工程

第五章氣－固相催化反應(yīng)工程31第一節(jié)概述5-1氣固相催化反應(yīng)器的基本類型：

固定床（絕熱式、連續(xù)換熱式）；

流化床

固定床連續(xù)換熱式：反應(yīng)、換熱同時(shí)進(jìn)行

第一節(jié)概述5-1氣固相催化反應(yīng)器的基本類型：325-1氣固相催化反應(yīng)器的基本類型固定床絕熱式：5-1氣固相催化反應(yīng)器的基本類型固定床絕熱式：335-1氣固相催化反應(yīng)器的基本類型5-1氣固相催化反應(yīng)器的基本類型345-2基本設(shè)計(jì)原則：

自學(xué)（要求）。二個(gè)條件，五個(gè)基本原則5-3催化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型：5-2基本設(shè)計(jì)原則：

自學(xué)（要求）。二個(gè)條件，五個(gè)基本原則5355-3催化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型分類情況：以最基礎(chǔ)的一維、擬均相、平推流模型為基礎(chǔ)，按各類反應(yīng)器實(shí)際情況，計(jì)入軸向返混、徑向溫差和濃差、相間及顆粒內(nèi)部的傳質(zhì)和傳熱，→List5-1。處理具體問(wèn)題時(shí)，應(yīng)針對(duì)具體反應(yīng)過(guò)程及反應(yīng)器的特點(diǎn)進(jìn)行分析，選用合適的模型。5-3催化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型分類情況：36第二節(jié)固定床流體力學(xué)

5-4固定床的物理特性：一、非中空固體顆粒的相當(dāng)直徑與形狀系數(shù)：*顆粒的相當(dāng)直徑：①等體積圓球的直徑：②等外表面積圓球的直徑：（固定床傳熱、傳質(zhì)中）第二節(jié)固定床流體力學(xué)5-4固定床的物理特性：375-4固定床的物理特性：③等比表面積圓球的直徑：

形狀系數(shù)：5-4固定床的物理特性：③等比表面積圓球的直徑：385-4固定床的物理特性：二、混合顆粒的平均直徑及形狀系數(shù)：*算術(shù)平均直徑：*調(diào)和平均直徑：5-4固定床的物理特性：二、混合顆粒的平均直徑及形狀系數(shù)395-4固定床的物理特性：三、固定床的當(dāng)量直徑：

5-4固定床的物理特性：三、固定床的當(dāng)量直徑：405-4固定床的物理特性：四、固定床的空隙率及徑向流速分布：

定義：對(duì)床層壓降、床層有效導(dǎo)熱系數(shù)，比表面積影響大的影響因素：

5-4固定床的物理特性：四、固定床的空隙率及徑向流速分布415-4固定床的物理特性：空隙率與徑向流速分布：5-4固定床的物理特性：空隙率與徑向流速分布：425-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降

一、流動(dòng)特性：孔道幾何形狀相差甚大，相互交聯(lián)、彎曲?？椎揽傮w積并非自由體積，死角處流體靜止。旋渦數(shù)目多，由滯流→湍流明顯，有的滯流，有的湍流。二、單相流體通過(guò)固定床的壓降：將流體在空?qǐng)A管中流動(dòng)時(shí)的壓降公式，加以合理修正而成。*公式:5-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降一、流動(dòng)特性：435-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降修正摩擦系數(shù)：5-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降修正摩擦系數(shù)：445-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降①當(dāng)Rem<10（滯流）：>>1.75②當(dāng)Rem>1000（完全湍流）：<<1.75

③若顆粒大小不均勻;④若不夠大時(shí)，應(yīng)考慮壁效應(yīng)的影響。（5-19）（5-20）5-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降①當(dāng)Rem<10（滯455-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降三、影響固定床壓降的因素：1、兩方面因素2、G與L、A有密切關(guān)系：對(duì)一定的VR（床層體積）在可能范圍內(nèi)，dt（床層直徑）↑、相應(yīng)L（床層高度）↓→有利于△p↓;但不利于高壓容器制造。此時(shí)，軸向流動(dòng)改為徑向流動(dòng)，有利于△p↓。

5-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降三、影響固定床壓降的465-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降3、對(duì)壓降影響十分顯著：4、粒徑、形狀：重要影響因素。當(dāng)Rem<10，當(dāng)Rem>1000,(篩析范圍相同)。5-5單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓降3、對(duì)壓降影響十475-7固定床中流體的徑向和軸向混合

一、固定床中徑向及軸向混合有效彌散系數(shù)：*流體流徑固定床時(shí)，因不斷分散與匯合形成一定程度的徑向及軸向混合；徑向比軸向更顯著；當(dāng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、與外界換熱時(shí)，更甚。*用peclet準(zhǔn)數(shù)Pe表示徑向、軸向混合有效彌散系數(shù)Dr、De：

5-7固定床中流體的徑向和軸向混合一、固定床中徑向及軸向485-7固定床中流體的徑向和軸向混合5-7固定床中流體的徑向和軸向混合495-7固定床中流體的徑向和軸向混合二、固定床反應(yīng)器中的軸向返混：當(dāng)L>100ds時(shí)，可略去軸向返混的影響；L<100ds的床層——管床層（必須考慮軸向返混的影響）（實(shí)驗(yàn)室裝置如此）5-7固定床中流體的徑向和軸向混合二、固定床反應(yīng)器中的軸向50第四節(jié)絕熱式固定床催化反應(yīng)器5-13絕熱溫升XA～T圖：?jiǎn)我豢赡娣艧岱磻?yīng)，在單段絕熱催化床中的操作過(guò)程。平衡曲線；最佳溫度線；絕熱操作線AB（A點(diǎn)：進(jìn)口狀態(tài)--初態(tài)—1狀態(tài)；B點(diǎn)：出口狀態(tài)—終態(tài)—2狀態(tài)）XA～T關(guān)系式：由整個(gè)催化床熱量衡算導(dǎo)得：

第四節(jié)絕熱式固定床催化反應(yīng)器5-13絕熱溫升515-13絕熱溫升簡(jiǎn)化方法：①②將初態(tài)（Tb1,XA1）變溫反應(yīng)終態(tài)（Tb2,XA2）的過(guò)程視為初態(tài)（Tb1,XA1）等溫反應(yīng)中間態(tài)（Tb1,XA2）升溫終態(tài)（Tb2,XA2）的過(guò)程。簡(jiǎn)化后積分得：

式中，，（5-61）絕熱溫升系數(shù)5-13絕熱溫升簡(jiǎn)化方法：525-13絕熱溫升

有關(guān)討論：①絕熱溫升的物理意義：由（5-60）知，當(dāng)XA2-XA1＝1時(shí)，∧＝Tb2-Tb1＝>絕熱條件下，組分A完全反應(yīng)時(shí)，混合氣體溫度升高的數(shù)值。②絕熱溫升的影響因素：由（5-6）知：混合氣體初始組成yAO↑，則∧↑可能，Tb2>T0,耐熱（低CO交換、甲烷化，注意yAO要低）（-△HR）↑,則∧↑可能，Tb2>T0,耐熱（熱效應(yīng)大的反應(yīng)尤要注意，如甲烷化保證yAO不超定值）5-13絕熱溫升有關(guān)討論：535-13絕熱溫升③當(dāng)yAO較?。吹蜐膺M(jìn)氣），或yAO雖較大，但△XA不太大時(shí)，基本符合上述簡(jiǎn)化條件；絕熱操作線為直線，∧為常數(shù)，即Tb-Tb1＝∧（XA-XA1）(4-75)④當(dāng)反應(yīng)混合物組成變化很大，不符合簡(jiǎn)化條件，∧不為常數(shù)，絕熱操作線為曲線；此時(shí)，段分段計(jì)算，每段用簡(jiǎn)化方法。⑤對(duì)多段間接換熱式反應(yīng)器和多段原料氣冷激式反應(yīng)器，若忽略各段出口氣體組成對(duì)∧值的影響，則各段絕熱操作線斜率都相同。5-13絕熱溫升③當(dāng)yAO較小（即低濃進(jìn)氣），或yAO雖較54第九節(jié)催化反應(yīng)過(guò)程進(jìn)展5-27強(qiáng)制振蕩非定態(tài)周期催化反應(yīng)過(guò)程：一、強(qiáng)制周期操作：周期性改變進(jìn)料組成、進(jìn)料流量、反應(yīng)溫度。即：對(duì)催化反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行瞬變