第6章非均相流固反应器

❖固定床反应器： 固体催化剂颗粒 堆积起来静止不 动，反应气体自 上而下流过床层；
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❖流化床反应器：
流化床
固体催化剂颗粒被
自下而上流动的气 体反应物夹带而处 于剧烈运动的状态。
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绝热式固定床反应器
① 结构简单 ② 高空速 ③ 很少催化剂损耗 ④ 很小气固返混 ⑤ 较长的扩散时间及距离 ⑥ 高床层压降 ⑦ 床内取热供热困难 ⑧ 催化剂取出更新困难
① 外扩散 ② 内扩散 ③ 吸附 ④ 表面反应 ⑤ 脱附 ⑥ 内扩散 ⑦ 外扩散
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外扩散、内扩散是物理过程； 吸附、脱附和表面反应则是化学过程，又称 为动力学过程或表面过程。 以上七个步骤是前后串联的。
外扩散 内扩散 吸附表面反应脱附 内扩散 外扩散 表面过程
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七个步骤中，速率特别慢的一步称为控制 步骤。该速率决定实际反应所达到的速率。 控制步骤是一个扩散过程，则称为扩散控 制，又称传质控制；控制步骤是吸附、表 面反应或脱附，则称为动力学控制。动力 学控制又可分为吸附控制、表面反应控制 和脱附控制。
第6章 非均相流固催化反应器
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6.1 概述
流固催化反应器是气相或/和液相反应物借助 于固相催化剂进行反应的设备，包括气-固、 气-液-固、液-固三类催化反应器。
气固相催化反应器可分两大类：固定床反应 器和流化床反应器。
由于这两类反应器中固体催化剂颗粒运动状 态不同，其反应性能也有显著差别。
本章主要叙述气-固相反应的概念、特征及反应器计算 2
③ 反应器操作弹性与容积生产能力较大。
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相对于流化床反应器，固定床反应器 缺点：
① 催化剂颗粒较大，有效系数较低； ② 催化剂床层传热系数较小，容易产生局
部过热； ③ 催化剂的更换费事，不适于容易失活的
催化剂。
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6.2 气固相催化反应动力学
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非均相反应动力学可以定义四个不同基准 的以反应物A为着眼组分的反应速率 ：
❖催化剂重量为基准
(rA' )
1 W
dnA dt
❖单位相界面积为基准
rA''
1 dnA S dt
❖单位催化剂颗粒体积为基准
❖单位催化剂床rA''' 层 体 V1积p d为dntA 基准
r '''' A
1 dnA VR dt
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对于同一个气固相反应过程，选用不同基准 的反应速率表达式，其数值大小与量纲式各
不同的。它们之间的相互换算关系为：
W（-rA'）=S（-rA''）=Vp（-rA'''）=VR（-rA''''）
dnA dt
(rA' )
1 W
dnA dt
rA''
1 dnA S dt
rA'''
1 dnA Vp dt
r '''' A
1 dnA VR dt
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气固相催化反应反应物需经历以下各步过 程后方能转化为产物
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传热介质的选用根据反应的温度范围决定，其温 度与催化床的温差宜小，但又必须移走大量的热， 常用的传热介质有：
① 沸腾水，温度范围100~300℃。用沸腾水作 传热介质时需注意水质处理，脱除水中溶解 的氧。
② 联苯醚、烷基萘有机液态传热介质，其粘度 低，无腐蚀，无相变，可适用于200~350℃ 范围内。
七个步骤速率相当，则没有控制步骤。这 时应综合考虑传递和反应对宏观速率的影 响。但是在大多数情况下，用控制步骤的 方法来分析解决非均相反应问题是适宜的
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在气固相催化反应中，本征反应速率的形 式主要有双曲型和幂数型两类
• 双曲型方程的一般形式为
(rA )
Ki pi (1
K
j
p
j
Ki pi )n
③ 反应温度在300℃以上时，常用熔盐作热载 体 比例。组熔成盐，由在KN一O定3、温N度aN时O呈3、熔N融a液NO体2按，一挥发定 性很小。但高温下渗透性强，有较强的氧化 性。
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• 列管式固定床反应器具有良好的传热性 能，单位床层体积具有较大的传热面积， 可用于热效应中等或稍大的反应过程。 反应器由成千上万根"单管"组成。一根 单管的反应性能可以代表整个反应器的 反应效果，因而放大设计较有把握，在 实际生产中应用比较广泛。
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有效系数η的影响因素较多： ① 反应物浓度↑ ② 反应温度↑ ③ 催化剂颗粒直径↑ ④ 催化剂颗粒微孔内外的浓度梯度↑ 有效系数↓
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6.3 固定床催化反应器
反应气体从上向下流经固定不动的催化剂颗 粒床层而进行化学反应的装置，称为固定床 反应器。其形式多种多样，如果按床层与外 界的传热方式分类，可有以下三类：
• 幂数型速率方程的形式
(rA ) k ' pA pB
Hale Waihona Puke 同一套动力学数 据可以处理成不 同的方程形式， 其精确程度也差 不多。
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催化剂内的流动传递现象
混合与分散 平推流流动
扩散-反应传递现象
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• 气体分子从颗粒为表面向微孔内部扩散 过程中有阻力，使微孔内外存在浓度梯 度。微孔内部反应物分压较低，表面吸 附量减小，活化分子浓度降低，反应速 率相应变小。因此在等温催化剂颗粒中， 微孔内部的催化活性常得不到充分发挥 和利用，使得以单位重量催化剂计算的 宏观反应速率比本征反应速率低。这两 种反应速率的比值称为有效系数，又称 内表面利用系数，以η表示： η=宏观反应速率/本征反应速率
重要过程： •丙烯氧化制丙烯酸 •乙炔HCl制氯乙烯 •乙烯环氧化制环氧乙烷 •烃类加氢 •乙苯脱氢制苯乙烯 •煤气化 •…
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催化剂内的流动传递现象
混合与分散 平推流流动
扩散-反应传递现象
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固定床反应器优点：
① 催化剂颗粒在反应过程中磨损小，适合于 贵金属催化剂；
② 反应器床层内气相流动状态接近平推流， 有利于实现较高的转化率与选择性；
1．绝热式反应器 2．对外换热式反应器 3．自热式反应器
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1．绝热式反应器
• 反应器外壳包裹绝热保温层，使催化剂 床层与外界没有热量交换。结构简单， 床层横截面温度均匀，优先考虑采用。 但只适用于热效应不大的反应。对于热 效应稍大而又希望采用绝热式反应器的 情况，常把催化剂床层分成几层，层与 层之间用间接冷却或用原料气冷激，以 控制反应温度在一定的范围内 。
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2．对外换热式反应器
• 当反应的热效应较大而不宜再采用绝 热式反应器时，常用对外换热式固定 床反应器。这类反应器大多类似于列 管式换热器，故又称为列管式固定床 反应器。催化剂装在列管中，而传热 介质则在壳程中流动，将床层反应放 出的热量移走。
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进气
蒸汽 调节阀
补充水 催化剂
出气
列管式反应器