氣固相反應器學習課件

4、氣固相催化反應器

packedbedcatalyticreactor14、氣固相催化反應器4.1氣固相催化反應器的基本類型和結(jié)構(gòu)固定床反應器的類型與結(jié)構(gòu)流化床反應器的類型與結(jié)構(gòu)氣固相催化反應器的特點4.2固定床反應器固定床反應器內(nèi)的流體流動固定床反應器內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱固定床反應器的日常運行與操作4.3流化床反應器流化床反應器內(nèi)的流體流動流化床反應器內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱流化床反應器的日常運行與操作24.1氣固相催化反應器的基本類型和結(jié)構(gòu)氣－固相催化反應器的基本類型3一、固定床反應器的類型與結(jié)構(gòu)（一）絕熱式固定床反應器1、單段絕熱式4特點：結(jié)構(gòu)簡單，反應器生產(chǎn)能力大，但反應過程中溫度變化較大。適用：反應熱效應不大，反應過程允許溫度有較寬變動范圍的反應過程；熱效應較大的反應只要對反應溫度不很敏感或是反應速率非?？斓倪^程，有時也使用這種類型的反應器。一、固定床反應器的類型與結(jié)構(gòu)52、多段絕熱式（a）中間換熱式ⅠⅣⅢⅡ平衡溫度線最佳溫度線xT一、固定床反應器的類型與結(jié)構(gòu)62、多段絕熱式（b）原料氣冷激式ⅠⅣⅢⅡ平衡溫度線最佳溫度線xT一、固定床反應器的類型與結(jié)構(gòu)72、多段絕熱式(c)非原料氣冷激式ⅠⅣⅢⅡ平衡溫度線最佳溫度線xT平衡溫度線一、固定床反應器的類型與結(jié)構(gòu)8特點及適用：多段絕熱式彌補了單段絕熱式的不足；冷激式反應器結(jié)構(gòu)簡單，便于裝卸催化劑，內(nèi)無冷管，避免由于少數(shù)冷管損壞而影響操作，特別適用于大型催化反應器。

一、固定床反應器的類型與結(jié)構(gòu)9一、固定床反應器的類型與結(jié)構(gòu)（二）換熱式固定床反應器

1、對外換熱式10管徑：一般為25～50mm的管子，但不小于25mm。催化劑粒徑：應小于管徑的8倍，通常固定床用的粒徑約為2～6mm，不小于1.5mm。傳熱所用的熱載體：沸水可以用于100℃～300℃的溫度范圍。聯(lián)苯與聯(lián)苯醚的混合物以及以烷基萘為主的石油餾分能用于200～350℃的范圍。無機熔鹽(硝酸鉀，硝酸鈉及亞硝酸鈉的混合物)可用于300～400℃的情況。對于600～700℃左右的高溫反應，只能用煙道氣作為熱載體。一、固定床反應器的類型與結(jié)構(gòu)11一、固定床反應器的類型與結(jié)構(gòu)特點：采用小管徑，傳熱面積大，有利于強放熱反應；傳熱效果好，易控制催化劑床層溫度；管徑較細，流體在催化床內(nèi)流動可視為理想置換流動，故反應速率快，選擇性高；結(jié)構(gòu)較復雜，設(shè)備費用高。適用：原料成本高，副產(chǎn)物價值低以及分離不是十分容易的情況。12一、固定床反應器的類型與結(jié)構(gòu)（二）換熱式固定床反應器

2、自熱式

反應前后物料在床層中自行進行換熱13一、固定床反應器的類型與結(jié)構(gòu)特點：把原料的預熱和產(chǎn)物的冷卻過程融為一體，大大提高了能量利用水平。應用：只適用于熱效應不大的高壓放熱反應過程。如中小型合成氨廠的氨合成和甲醇的合成。對于預熱原料所需熱量與反應釋放熱量相差甚遠的，需附加大量熱交換面積，且系統(tǒng)控制要求大大提高，故不適宜。14一、固定床反應器的類型與結(jié)構(gòu)（三）徑向固定床反應器一般固定床中由于壓降限制，不能使用太小粒度的催化劑，但催化劑的有效系數(shù)降低了，為提高催化劑的利用率而設(shè)計了徑向反應器。1516二、流化床反應器的類型與結(jié)構(gòu)（一）流化床反應器的分類1、按照固體顆粒是否在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)分類：分為單器及雙器172、按照床層中是否設(shè)置有內(nèi)部構(gòu)件分類：分為自由床和限制床

二、流化床反應器的類型與結(jié)構(gòu)（一）流化床反應器的分類18二、流化床反應器的類型與結(jié)構(gòu)（二）流化床反應器的結(jié)構(gòu)191、流化床反應器主體錐底濃相段稀相段擴大段二、流化床反應器的類型與結(jié)構(gòu)202、氣體分布裝置二、流化床反應器的類型與結(jié)構(gòu)21二、流化床反應器的類型與結(jié)構(gòu)223、內(nèi)部構(gòu)件檔板和檔網(wǎng)二、流化床反應器的類型與結(jié)構(gòu)234、換熱裝置二、流化床反應器的類型與結(jié)構(gòu)245、氣固回收裝置二、流化床反應器的類型與結(jié)構(gòu)25三、氣固相催化反應器的特點

（一）固定床反應器的特點優(yōu)點缺點催化劑不易磨損，可長期使用傳熱較差床層內(nèi)流體的流動接近于理想置換流動，較少量催化劑可獲較大生產(chǎn)能力更換催化劑時必須停止生產(chǎn)停留時間可以控制，溫度分布可以適當調(diào)節(jié)，特別有利于達到高的轉(zhuǎn)化率和高的選擇性26

（二）流化床反應器的特點三、氣固相催化反應器的特點優(yōu)點缺點顆粒劇烈攪動和混合，整個床層處于恒溫狀態(tài)，可在最佳溫度點操作返混較嚴重，不適宜于高轉(zhuǎn)化率過程傳熱強度高，適宜于強吸熱或放熱反應催化劑和反應器均有磨損顆粒比較細小，有效系數(shù)高，可減少催化劑用量27固定床反應器絕熱式單段絕熱式多段絕熱式換熱式對外式自熱式徑向反應器流化床反應器類型單器和雙器自由床和限制床結(jié)構(gòu)主體氣體分布裝置內(nèi)部構(gòu)件換熱裝置氣固分離裝置復習28特點催化劑裝填反應速率反應效果傳熱特性催化劑更換固定床催化劑顆粒大，固定在床層中，不易磨損返混小，反應速率較快（類似于PFR）停留時間和溫度分布可控，可達高選擇性和轉(zhuǎn)化率傳熱較差，催化劑載體往往是熱的不良導體更換時必須停產(chǎn)，且更換勞動強度大，因此對催化劑使用壽命要求高流化床催化劑顆粒較小，可消除內(nèi)擴散阻力，充分發(fā)揮其效能，減少用量返混大，反應速率較慢（類似于CSTR）產(chǎn)品選擇性和轉(zhuǎn)化率較低，且由于溝流偏流等存在，設(shè)備要求比較高傳熱強度高，整個床層處于恒溫狀態(tài)，可在最佳溫度點操作失活催化劑可迅速再生固定床與流化床反應器的特點

29思考下列反應特征的選固定床還是流化床反應器？反應熱效應很大反應對返混敏感反應需要溫度分布催化劑強度差30固定床反應器流化床反應器

復習回顧絕熱式

換熱式徑向反應器類型單器和雙器自由床和限制床結(jié)構(gòu)主體氣體分布裝置內(nèi)部構(gòu)件換熱裝置氣固分離裝置單段絕熱式多段絕熱式對外式對內(nèi)式31固定床與流化床反應器的特點

失活催化劑可迅速再生更換時必須停產(chǎn)，且更換勞動強度大，因此對催化劑使用壽命要求高催化劑更換返混大，反應速率較慢（類似于CSTR）返混小，反應速率較快（類似于PFR）反應速率產(chǎn)品選擇性和轉(zhuǎn)化率較低，且由于溝流偏流等存在，設(shè)備要求比較高停留時間和溫度分布可控，可達高選擇性和轉(zhuǎn)化率反應效果傳熱強度高，整個床層處于恒溫狀態(tài)，可在最佳溫度點操作催化劑載體往往是熱的不良導體,傳熱較差傳熱特性催化劑顆粒較小，可消除內(nèi)擴散阻力，充分發(fā)揮其效能流化床催化劑顆粒大，固定在床層中，不易磨損固定床催化劑裝填特點32下列反應特征的選固定床還是流化床反應器？反應熱效應很大反應對返混敏感反應需要溫度分布催化劑強度差思考題334.2固定床反應器

fixedbedreactor34

在固定床中進行催化反應，流體必須進行流動；催化反應的同時還會進行傳質(zhì)、傳熱過程；二者互相影響。流體流動、傳質(zhì)、傳熱過程會影響床層中的濃度、溫度分布，最終將影響反應過程，因此必須了解這些過程。354.2.1固定床反應器內(nèi)的流體流動一、空隙率二、流體在固定床中的流動特性三、流體流過固定床層的壓力降4.2.2固定床反應器內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱一、固定床中的傳質(zhì)二、固定床中的傳熱364.2.1固定床反應器內(nèi)的流體流動

37與催化劑有關(guān)的幾個名詞：催化劑顆粒的直徑和形狀系數(shù)對于非球形顆粒，通常有以下三種相當直徑：（1）體積相當直徑dv，即采用體積相同的球形顆粒直徑來表示非球形顆粒直徑。（2）面積相當直徑da，即采用外表面積相同的球形顆粒直徑來表示非球形顆粒直徑。（3）比表面相當直徑ds，即采用比表面積相同的球形顆粒直徑來表示非球形顆粒的直徑。

在固定床的流體力學研究中，非球形顆粒的直徑常常采用體積相當直徑，在傳熱傳質(zhì)的研究中，常常采用面積相當直徑。38（4）：形狀系數(shù)即與非球形顆粒體積相等的圓球的外表面積與非球形顆粒的外表面積之比。對于球形顆粒，=1；對于非球形顆粒，<1。形狀系數(shù)說明了顆粒與圓球的差異程度。39

固定床內(nèi)流體是通過催化劑顆粒構(gòu)成的床層而流動，了解催化劑床層的性質(zhì)很必要?？障堵适谴矊拥闹匾匦灾?，對流體通過床層的壓力降、床層的有效導熱系數(shù)等都有重大的影響。一、空隙率40一、空隙率41

1、空隙率的含義

ε

：催化劑床層的空隙體積與催化劑床層總體積之比。

一、空隙率42432、影響空隙率的因素

越小越緊密顆粒裝填方式越小越光滑顆粒表面的粗糙度越小越不均勻顆粒的粒度分布越小越接近球形顆粒形狀ε影響因素一、空隙率顆粒形狀、顆粒粒度分布、顆粒表面粗糙度、充填方式、顆粒直徑與容器直徑之比等443、壁效應一、空隙率45一、空隙率

ε徑向分布并不均勻，貼壁處最大，離壁1～2dp處ε較大，而中心處空隙率較小。46

由于器壁的存在對ε分布造成的這種影響及由此造成對流體流動、傳質(zhì)和傳熱的影響，稱為壁效應。壁效應產(chǎn)生出床層徑向截面上流速、溫度及反應速率都不均勻，惡化了反應器的操作性能。

dt/dp越大，壁效應的影響越小，一般工程上認為當達8時，可不計壁效應。但是當dt/dp<8時，必須考慮壁效應的影響。舉例：管式催化床內(nèi)直徑一般為25-40mm，而催化劑顆粒直徑一般為5-8mm，即管徑與催化劑顆粒直徑比相當小，此時壁效應對床層中徑向空隙率分布和徑向流速分布及催化反應性能的影響必須考慮。一、空隙率47二、流體在固定床中的流動特性1、流動特性

流體在固定床內(nèi)的流動比在空管中的流動復雜得多。固定床中流體是在顆粒間的空隙中流動，而顆粒間空隙形成的孔道是彎彎曲曲、相互交錯的，并且孔道數(shù)和孔道截面及流動方向也在不斷改變。這些孔道特性及流動特性都與空隙率分布有關(guān)。482023/11/849

在床層徑向，空隙率分布的不均勻造成了流速分布不均勻（不同于空管）。流速的不均勻造成物料停留時間和傳熱情況不均勻性，最終影響反應結(jié)果。二、流體在固定床中的流動特性50二、流體在固定床中的流動特性流體在流動過程中由于本身的湍流、對顆粒的撞擊、繞行及孔道的縮小或擴大，使得流體不斷分散和匯合。而這種混合擴散現(xiàn)象并非各向同性，從而造成徑向、軸向混合同時存在。512、固定床流體流動模型流體流動由兩部分合成：一部分為流體以平均流速沿軸向作理想置換式流動；另一部分為流體的徑向和軸向的混和擴散，包括分子擴散（滯流時）和渦流擴散（湍流時）。根據(jù)不同的混合擴散程度，進行疊加。二、流體在固定床中的流動特性52三、流體流過固定床層的壓力降1、壓力降產(chǎn)生原因（1）摩擦阻力：由于流體與顆粒表面之間的摩擦產(chǎn)生。（2）局部阻力：流體在孔道內(nèi)的收縮、擴大及再分布所引起的。低流速時，摩擦阻力為主；高流速及薄床層中流動時，以局部阻力為主。

532、影響固定床壓力降的因素（1）屬于流體的：氣流速度★、流體的粘度、密度等物理性質(zhì)。

流體的物理性質(zhì)是由操作工藝確定的；降低氣流速度，可以降低床層壓降。三、流體流過固定床層的壓力降54

（2）屬于床層的床層的高度、床層空隙率和顆粒特性如形狀、粒度等越大越大越小降低△P越小顆粒直徑越偏離球形顆粒形狀增大（減小）床層直徑（床層高度）越大空隙率☆影響因素三、流體流過固定床層的壓力降55（3）當dt/dp小于8時，壁效應對壓降的影響不容忽視。

生產(chǎn)中由于流體的壓頭有限，一般固定床中的壓降不宜超過床內(nèi)壓力的15%。

三、流體流過固定床層的壓力降56三、流體流過固定床層的壓力降壓力降過大對反應的影響：影響生產(chǎn)能力；影響床層中的濃度和溫度分布；增加動力消耗。降低壓降的方法：降低流速、增大空隙率、減小床層高度、增加催化劑顆粒直徑等。57固定床反應器內(nèi)的流體流動小結(jié)：1、關(guān)于空隙率存在壁效應，床徑與粒徑之比大于8可忽略；2、關(guān)于固定床中的流體流動流動模型由兩部分合成：沿軸向作理想置換式流動徑向和軸向的混和擴散3、關(guān)于床層壓降壓降產(chǎn)生原因：摩擦阻力和局部阻力；影響壓降因素：氣體流速和空隙率的影響顯著；一般固定床中的壓降不宜超過床內(nèi)壓力的15%584.2.2固定床反應器內(nèi)的

傳質(zhì)與傳熱59一、固定床中的傳質(zhì)

固定床反應器中的傳質(zhì)過程包括外擴散、內(nèi)擴散和床層內(nèi)的混合擴散。601、外擴散過程固定床一般都在較高流速下操作，主流體與催化劑外表面之間的壓差很小，因此，外擴散的影響可以忽略。一、固定床中的傳質(zhì)612、內(nèi)擴散過程催化劑微孔內(nèi)的擴散對反應速率影響很大。反應物進入微孔后，邊擴散邊反應。擴散速率與反應速率的大小，進行如下方法判別。（1）催化劑有效系數(shù)進行判別當η≈1時，反應過程為動力學控制；當η＜1時，反應過程為內(nèi)擴散控制。實際生產(chǎn)中采用的催化劑，其有效系數(shù)為0.01～1。可通過實驗測定。一、固定床中的傳質(zhì)62（2）內(nèi)擴散對反應的影響影響反應速率影響復雜反應的選擇性舉例：平行反應中，對于反應速率快、級數(shù)高的反應，內(nèi)擴散阻力的存在將降低其選擇性。連串反應以中間產(chǎn)物為目的產(chǎn)物時，深入到微孔中去的擴散將增加中間產(chǎn)物進一步反應的機會而降低其選擇性。一、固定床中的傳質(zhì)63（3）改善內(nèi)擴散影響的措施制造孔徑較大的催化劑改變催化劑工程結(jié)構(gòu)如：雙孔結(jié)構(gòu)的催化劑；表面薄層催化劑一、固定床中的傳質(zhì)643、床層內(nèi)的混合擴散流體流經(jīng)固定床時徑向、軸向混合同時存在。當反應器長度和催化劑粒徑之比大于100時，軸向混合影響可忽略不計。一、固定床中的傳質(zhì)651、徑向傳熱過程分析（以換熱式反應器進行放熱反應為例）二、固定床中的傳熱粒內(nèi)傳熱顆粒與流體間的傳熱床層與器壁的傳熱大阻熱66簡化處理：（1）催化劑顆粒等溫（2）忽略催化劑表面和流體間的溫度差。以床層的平均溫度與管壁溫差為推動力-----相應采用床層對壁給熱系數(shù)進行計算。若要了解床層徑向溫度分布，必須采用床層有效導熱系數(shù)和表面壁膜給熱系數(shù)相結(jié)合計算。二、固定床中的傳熱672、列管式固定床反應器的軸向溫度分布（強放熱反應）

二、固定床中的傳熱

30°C

100°C25mm

25000tubesReactorfeed

Coolant68

一般沿軸向溫度分布都有一最高溫度——熱點。熱點以前，放熱速率大于移熱速率，出現(xiàn)軸向床層溫度升高；熱點以后，恰恰相反，沿床層溫度逐漸降低。熱點溫度過高，使反應選擇性降低，催化劑變劣，甚至使反應失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生飛溫。

二、固定床中的傳熱69

為降低熱點溫度，減少軸向溫差，工業(yè)上從工藝上采取措施，其思路是調(diào)整放熱速率或移熱速率。二、固定床中的傳熱70固定床反應器的日常運行與操作71固定床反應器內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱小結(jié)：傳質(zhì)過程包括外擴散內(nèi)擴散徑向和軸向混合擴散徑向、軸向都存在濃度分布徑向傳熱過程包括粒內(nèi)傳熱顆粒與流體的傳熱床層與器壁的傳熱徑向、軸向都存在溫度分布72思考題

結(jié)合學習過的化工工藝知識，思考工業(yè)上可能采取哪些措施進行放熱速率和移熱速率的調(diào)整以降低熱點溫度。

734.3流化床反應器

fluidizedreactor741、流態(tài)化的形成一、流態(tài)化床層中流體的流動

LLfLLfL0LLmf

流體

流體

流體

流體

流體流體

固定床起始流化膨脹床鼓泡床氣力輸送節(jié)涌75一、流化床層中流體的流動1、流態(tài)化的形成

固定床階段：u0≤umf時，固體粒子不動，床層壓降隨u0增大而增大；流化床階段：umf≤u0≤ut時，固體粒子懸浮湍動，床層分為濃相段和稀相段，u0增大而床層壓降不變；輸送床階段：u0＞ut時，粒子被氣流帶走，床層上界面消失，u0增大而床層壓降有所下降。762、散式流化和聚式流化一、流化床層中流體的流動772、散式流化和聚式流化顆粒與流體之間的密度差是散式流化和聚式流化之間的主要區(qū)別。一般認為液固流化為散式流化，而氣固流化為聚式流化。一、流化床層中流體的流動783、流化床的壓降與流速

一、流化床層中流體的流動（1）理想流化床的壓降與流速793、流化床的壓降與流速

（2）實際流化床的壓降與流速一、流化床層中流體的流動803、流化床的壓降與流速

（3）實際流化床與理想流化床差異的原因

一、流化床層中流體的流動

固定床階段，顆粒之間由于相互接觸，部分顆?？赡苡屑軜颉⑶督拥惹闆r，造成開始流化時需要大于理論值的推動力才能使床層松動，即形成較大的壓力降。814、流化床中常見的異?，F(xiàn)象及處理方法

（1）溝流

一、流化床層中流體的流動消除：物料預先干燥；加大氣速；合理設(shè)計分布板824、流化床中常見的異?，F(xiàn)象及處理方法

（2）大氣泡

一、流化床層中流體的流動消除：在床層內(nèi)加設(shè)內(nèi)部構(gòu)件可以避免產(chǎn)生大氣泡，促使平穩(wěn)流化834、流化床中常見的異?，F(xiàn)象及處理方法

（3）騰涌

一、流化床層中流體的流動消除：在床層過高時，可以增設(shè)擋板以破壞氣泡的長大，避免騰涌發(fā)生844、流化床中常見的異?，F(xiàn)象及處理方法

（4）觀察壓降變化判斷流化質(zhì)量

一、流化床層中流體的流動正常操作：壓力降的波動幅度一般較小，波動幅度隨流速的增加而有所增加。騰涌現(xiàn)象：一定的流速下，壓降突然增加，而后又突然下降。溝流現(xiàn)象：壓降比正常操作時低，說明氣體形成短路851、流化床中的氣泡及其行為

二、流化床反應器中流體的傳質(zhì)尾部區(qū)域的壓力較周圍低，將部分顆粒吸入，形成局部渦流，這一區(qū)域稱為尾渦。861、流化床中的氣泡及其行為

二、流化床反應器中流體的傳質(zhì)

氣體進入床層后，構(gòu)成乳化相和氣泡相。氣泡在上升中聚并和膨脹而增大，同時不斷與乳化相間進行質(zhì)量交換。一部分顆粒不斷離開尾渦，另一部分顆粒又補充進來，促進了全床顆粒的循環(huán)與混合。871、流化床中的氣泡及其行為

二、流化床反應器中流體的傳質(zhì)氣泡較?。簹馀萆仙俣鹊陀谌榛嘀袣馑伲榛嘀械臍饬骺纱┻^氣泡上流；氣泡大到其上升速度超過乳化相中的氣速時，有部分氣體從氣泡頂部沿氣泡周邊下降，循環(huán)回氣泡內(nèi)，在氣泡外形成氣泡暈。

882、流化床反應器的傳質(zhì)二、流化床反應器中流體的傳質(zhì)（1）顆粒與流體間的傳質(zhì)氣體部分通過乳化相流動，其余則以氣泡形式通過床層。乳化相中的氣體與顆粒接觸良好，氣泡中的氣體與顆粒接觸較差。892、流化床反應器的傳質(zhì)

二、流化床反應器中流體的傳質(zhì)（2）氣泡與乳化相間的傳質(zhì)反應實際上是在乳化相中進行的；