1、第一，第九章固定床反應(yīng)器，第二，多相系統(tǒng)的特征，多相系統(tǒng)的特征是：系統(tǒng)中同時(shí)存在兩個(gè)以上的相態(tài)，在化學(xué)反應(yīng)發(fā)生期間主要是質(zhì)量傳遞和傳熱。如果不存在這種傳遞現(xiàn)象，就不可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?？梢詺w納為三種基本類型：(1)所有氣固反應(yīng)或氣固催化反應(yīng)在兩相界面上反應(yīng)；(2)在一相內(nèi)反應(yīng)，大部分氣液反應(yīng)都是這種情況，進(jìn)行反應(yīng)的相稱為反應(yīng)相。(3)兩相中同時(shí)發(fā)生反應(yīng)，有些液體反應(yīng)就是這種情況。(。本課程重點(diǎn)討論了氣固催化反應(yīng)，并討論了定量處理方法。多相系統(tǒng)中反應(yīng)的基本類型、4、固體催化劑處于靜止?fàn)顟B(tài)或移動(dòng)狀態(tài)，反應(yīng)堆可分為靜止?fàn)顟B(tài)的固定床反應(yīng)器和滴床反應(yīng)器、催化劑正在移動(dòng)的流化床反應(yīng)器、移動(dòng)床反應(yīng)器和漿反應(yīng)器

2、等兩類。本章的主要研究對(duì)象在固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器第10章中介紹。5，9.1固定床反應(yīng)器的特性和結(jié)構(gòu)9.2固定床反應(yīng)器中流體流動(dòng)的9.3固定床反應(yīng)器中傳質(zhì)和傳熱9.4固定床反應(yīng)器的計(jì)算方法，6，9.1固定床反應(yīng)器的特性和結(jié)構(gòu)，定義*:固定床反應(yīng)裝置稱為固定床反應(yīng)器。尤其是氣體的反應(yīng)物質(zhì)通過固體催化劑組成的床反應(yīng)的氣固催化反應(yīng)器占最大的位置。7、固定床反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)* 固定床催化劑不易磨損；床內(nèi)流體接近平推流，與混合反應(yīng)器相比，少量催化劑和少量反應(yīng)器體積能獲得較大的生產(chǎn)力。能嚴(yán)格控制停留時(shí)間，適當(dāng)調(diào)節(jié)溫度分布，特別是提高選擇權(quán)和轉(zhuǎn)化率，有利于?？梢栽诟邷馗邏合鹿ぷ鳌?.1.1固定床反應(yīng)器的特性和

3、工業(yè)應(yīng)用，8，固定床反應(yīng)器缺點(diǎn)* 固定床內(nèi)傳熱不好；催化劑再生、更換都不方便，催化劑更換要停產(chǎn)。不能使用微細(xì)粒子催化劑。9，9.1.2固定床反應(yīng)器配置、固定床反應(yīng)器分類*固定床反應(yīng)反應(yīng)中，根據(jù)是否與外界進(jìn)行熱交換，可分為兩大類。隔熱材料和熱交換型。絕熱：單絕熱床，多段絕熱反應(yīng)器換熱器：外部換熱器和自熱交換器。10，絕熱反應(yīng)器(結(jié)構(gòu)識(shí)別、分類、應(yīng)用)，絕熱固定層催化反應(yīng)器在反應(yīng)過程中，床層與外界沒有換熱，最外層稱為絕熱材料層(耐火磚、礦渣棉、玻璃纖維等)，也稱為絕熱層，防止熱量的傳出或流入。11，通常寬高比不大的圓柱體。請(qǐng)參閱圖9-1。單絕熱反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)：單絕熱固定床催化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，

4、能充分利用反應(yīng)器的體積。應(yīng)用單段絕熱反應(yīng)器時(shí)* (1)。反應(yīng)熱效應(yīng)小的反應(yīng)；(2)溫度對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品的產(chǎn)量影響不大。(3)反應(yīng)熱效應(yīng)大，但單程轉(zhuǎn)化率低的反應(yīng)或惰性物質(zhì)多，反應(yīng)中溫度上升低的反應(yīng)。1)單絕熱床，圖9-1缸絕熱反應(yīng)器1渣面；2陶瓷戒指；3催化劑、12、13、固定床反應(yīng)器運(yùn)行過程中發(fā)生超壓的情況，需要緊急防空處理時(shí)，一般：應(yīng)按照能夠同時(shí)打開出口和入口的防孔閥的過程順序排出，以避免逆向工程釋放引起的氣流沖動(dòng)催化床。固定床反應(yīng)器運(yùn)行中超壓現(xiàn)象的處理方法，14，2)。使用多段絕熱反應(yīng)器、多段絕熱固定層反應(yīng)器時(shí)：多段絕熱固定層反應(yīng)器多列釋放反應(yīng)等。基于段落間傳熱方式的多段絕熱反應(yīng)器分類可以分為三

5、類：(1)。間接傳熱；(2)原料風(fēng)冷沖擊；(3)非原料風(fēng)冷沖擊。后兩種類別始終可以稱為直接熱交換。15，16，17，2傳熱反應(yīng)器，在熱效應(yīng)大時(shí)，為了保持適當(dāng)?shù)臏囟葪l件，必須使用傳熱介質(zhì)去除或提供熱量。熱交換固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)是，在催化床層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，床層通過裝置壁與外界進(jìn)行熱交換。根據(jù)傳熱介質(zhì)，可分為外部熱交換器和自熱交換器。18，1)外部傳熱反應(yīng)器使用各種熱載體作為傳熱介質(zhì)，稱為外部熱交換?；どa(chǎn)中最常用的是熱交換條件良好的管反應(yīng)器，類似于管殼式換熱器。催化劑通常填充在管子里，反應(yīng)氣體由上而下通過催化劑層反應(yīng)，在管子之間加熱(如果使用高壓水或高壓蒸汽作為熱載體，則放在管子之間，去除

6、高壓流體)。圖乙炔合成氯乙烯反應(yīng)器，19，實(shí)際生產(chǎn)，大部分材料為自上而下流動(dòng)，部分為自下而上流動(dòng)，載體熱體在管間流動(dòng)，其流動(dòng)可以與反應(yīng)氣體回流，也可以根據(jù)不同反應(yīng)的特定要求進(jìn)行選擇。如果有吸熱反應(yīng)，則熱載體是化學(xué)反應(yīng)的熱源。發(fā)熱反應(yīng)，如果發(fā)熱體是冷卻介質(zhì)，則由反應(yīng)產(chǎn)生的熱量去除。傳熱強(qiáng)度必須滿足反應(yīng)過程中所需的溫度條件。流體流動(dòng)方式，傳熱面積固定時(shí)，熱載體具有較大的傳熱系數(shù)。選擇熱載體，20，圖9-3管固定床反應(yīng)器，(a)沸騰(b)內(nèi)部循環(huán)式(c)外部循環(huán)式，21，管固定床反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：傳熱好，管內(nèi)溫度容易控制；反向混合小，選擇性高。只要增加管子的數(shù)量，就可以肯定地?cái)U(kuò)大。非常強(qiáng)的發(fā)熱反應(yīng)的情況下

7、，同樣的嘴也用惰性物質(zhì)稀釋催化劑。管式固定床反應(yīng)器缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比絕熱反應(yīng)器復(fù)雜，催化劑的裝卸也不方便。22，傳熱固定床反應(yīng)器也可用于放熱反應(yīng)或吸熱反應(yīng)。但是，反應(yīng)中催化劑失活速度快，催化劑的再生或更換非常頻繁的情況下，不應(yīng)使用隔熱或傳熱式固定床反應(yīng)器。如果適用，則為23，2)。自身傳熱反應(yīng)器，原料氣體作為傳熱介質(zhì)，反應(yīng)后使用高溫氣體預(yù)熱原料，達(dá)到反應(yīng)溫度，自身冷卻，即反應(yīng)前后的材料在床內(nèi)自我傳熱稱為自熱反應(yīng)器。僅適用于發(fā)熱反應(yīng)，需要預(yù)熱原料氣的系統(tǒng)。反應(yīng)物質(zhì)的流動(dòng)：自熱反應(yīng)器圖，24，優(yōu)，缺點(diǎn)：回流：原料機(jī)進(jìn)入床層，加熱速度快，接近最佳溫度，反應(yīng)后期容易過冷。二流：具有后期冷卻慢，初期加熱慢的優(yōu)

8、點(diǎn)。無論逆流還是逆流，反應(yīng)前的發(fā)熱速度都最大。部分平行催化反應(yīng)器中安裝了保溫床，預(yù)熱的原料機(jī)首先進(jìn)入保溫床，快速加熱反應(yīng)器體，然后進(jìn)入與原料氣熱交換的催化劑管進(jìn)行反應(yīng)等，克服了維持和流動(dòng)后期冷卻速度慢的優(yōu)點(diǎn)，也克服了原料機(jī)進(jìn)入床后加熱速度慢的缺點(diǎn)。25，自熱反應(yīng)器特性，熱利用率高，節(jié)能。床結(jié)構(gòu)反應(yīng)器的熱反饋現(xiàn)象嚴(yán)重，可以設(shè)計(jì)接近最佳溫度分布曲線的軸向溫度分布，操作控制更困難，原料氣體流動(dòng)、溫度、組成的變化會(huì)影響熱平衡和反應(yīng)條件，進(jìn)而引起溫度波動(dòng)。自熱反應(yīng)器在運(yùn)行過程中需要外部熱源。26，9.2.1固定床反應(yīng)器的床特性，1。催化粒子的直徑和形狀系數(shù)粒子大小是表征粒子特性的基本參數(shù)，通常用dP表示

9、。粒子體積為VP，外形面積為Ap，Sv=Ap/VP (1)體積比外形面積大很多，常用于直徑dV:流體力學(xué)研究。(2)外觀面積相當(dāng)直徑da:固定床傳熱和傳質(zhì)研究中經(jīng)常使用該直徑。(3)比表面積等效直徑ds:此直徑經(jīng)常用于計(jì)算固定層壓力降。27，(4)形狀系數(shù)*對(duì)于非球形粒子，外表面積AP必須大于等體積球形粒子的外表面積AS。球形粒子的外部表面積AS是相同體積的非球形粒子外部表面積AP的比率，稱為形狀系數(shù)。除球體的=1外，其他圖形粒子小于1。28，(5)連接的三個(gè)等效直徑(如平均直徑)，應(yīng)在粒子形狀不規(guī)則、大小不均勻的情況下使用平均直徑。對(duì)于大小不同的混合粒子，平均直徑可以通過篩選數(shù)據(jù)確定。a .

10、統(tǒng)計(jì)平均直徑，-粒子平均直徑，m；di-篩選粒子的直徑，m；Xi-直徑為di的粒子所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。b .諧波平均直徑，固定層，在流化床流體力學(xué)計(jì)算中，諧波平均直徑通常為。29，表征床結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)是床多孔性。表示粒子間自由體積與整個(gè)床體積的比率。-催化劑床體密度，即單位體積催化劑床的質(zhì)量，kg/m3；累積密度 b=固體的質(zhì)量/床體積。-催化劑的表觀密度，單位體積催化劑粒子的質(zhì)量，Kg/m3。粒子密度 p=固體的質(zhì)量/粒子的體積?？瘴凰俣鹊拇笮∮绊懥黧w的流動(dòng)(壓降)、傳質(zhì)和傳熱。2 .床層空隙率* =(床層自由體積)/(床層體積)，30，影響床層空隙率的因素*床層空隙率的大小與粒子形狀、粒度分布

11、、粒子表面粗糙度、粒子直徑與床直徑的比率、粒子的充填方法等有關(guān)。粒子圖形的影響最大，常規(guī)圖形系數(shù)越大(即，越接近球體本體)，空心越小，粒子曲面越平滑，空心越小，粒子大小分布不均勻(即，粒子大小分布越寬)，空心越小。固定層中相同橫截面的空隙不均勻，粒度均勻的粒子構(gòu)成的床層，與基壁的距離是粒子直徑的1 2倍，具有最大的空隙率，床層的中心較小，這種效果稱為墻效應(yīng)。31，在填充了非球粒子的床中，相同截面的值是均勻的，墻效果的范圍除外。但是，填充球形或圓柱形粒子的床層在相同橫截面的值對(duì)墻效果的影響范圍之外，在1平均值上下波動(dòng)。受壁效應(yīng)的影響，床直徑與顆粒直徑的比率越大，床空心的分布越均勻。通常稱為床層空

12、位率，是指平均空位率。32，3。固定層等效直徑de，de=4rh，de-等效直徑，m；Rh-水壓半徑，m. Se_床層比外形面積，流體在33，9.2.2固定床反應(yīng)器中流動(dòng)的特性，1 .流動(dòng)特性固定床反應(yīng)器中流體通過床層內(nèi)的流道流動(dòng)。固定床中的流體流動(dòng)比ATC復(fù)雜得多。在固定床中，流道的彎曲、交錯(cuò)、形狀不同，通道數(shù)、剖面面積沿流動(dòng)方向不斷變化，通過床層的流體徑向流速分布也不均勻，導(dǎo)致流體在流動(dòng)過程中不斷分布和混合。粒子越小，生成的孔越多，通道的截面越小。粒子不均勻，形狀不規(guī)則，表面越粗糙，每個(gè)通道的差異就越大。34，2。氣體的分布，氣流不均的分布原因：氣固固定床催化反應(yīng)器中床孔率不均勻的徑向分布

13、導(dǎo)致氣流分布不均；另外，更大速度的氣流動(dòng)能很強(qiáng)，如果奔忙進(jìn)入反應(yīng)器，氣流會(huì)不均勻地分布。氣流分布不均勻的危險(xiǎn)*:由于發(fā)生溝和短路，不同半徑位置的流體單位停留時(shí)間不同，轉(zhuǎn)化率不同，反應(yīng)效果可能會(huì)降低。改善措施*:在裝載催化劑時(shí)，應(yīng)盡可能均勻填充，并采取措施消除氣流的初始動(dòng)能和均勻氣流。35，圖9-6消除初始動(dòng)能的方法圖，36，圖9-7附加導(dǎo)流板圖，37，9.2.3固定床反應(yīng)器的床壓降，流經(jīng)床的流體，徑向流速分布不均勻。徑向流量分布：隨著床中心計(jì)算的半徑位置的增加，流速增加，與氣壁上粒子直徑1至2倍的距離處速度最大，隨著半徑位置的增加，墻面減小到0。床直徑與顆粒直徑的比率越小，徑向流速分布越不均勻

14、。流體通過固定層時(shí)的壓力損失*:一方面是粒子的粘滯力，即流體和粒子表面之間的摩擦；另外，在流體流動(dòng)過程中，通道截面面積突然擴(kuò)大和收縮，流體對(duì)粒子的沖擊和流體的重新分配，從而產(chǎn)生。流體在層流中時(shí)，電子起主要作用。后者在流速高、薄的床層流動(dòng)時(shí)起主要作用。在Atc中，修改流體流動(dòng)的壓降計(jì)算公式，然后將其用于固定床。38，格式：流體密度dS 粒子相當(dāng)于外觀面積直徑f 摩擦系數(shù)L 層高度u 03354空中交通管制速度b 3354床孔率re 1000，f一般固定層的壓降不能超過床壓力的15%。固定層壓降計(jì)算公式：39，影響固定層壓降的因素可分為流體：流體粘度、密度、流量等兩類；床層：床層高度、空隙度、粒子

15、大小、形狀、表面粗糙度等。影響最大的是床層孔隙比和流體流速。在生產(chǎn)過程中，流體的壓力頭是有限的，因此一般固定層的壓力降不得超過床壓力的15%。因此，粒子不能太薄，最好做成球狀，氣流速度也要適當(dāng)。降低壓降的方法應(yīng)考慮傳質(zhì)傳熱問題。影響固定床壓降的因素*: 40，9.3固定床反應(yīng)器的傳質(zhì)和傳熱，9.3.1固定床反應(yīng)器的傳質(zhì)1。氣固催化反應(yīng)的全過程和控制階段，(1)氣固催化反應(yīng)的全過程*(圖9-8氣相催化反應(yīng)過程圖，外部擴(kuò)散過程，內(nèi)部擴(kuò)散過程；吸附工藝；表面化學(xué)反應(yīng)過程；解吸過程；41，階段(1)，(7)是外部擴(kuò)散，階段(2)，(6)是內(nèi)部擴(kuò)散，階段(3)到(5)是表面反應(yīng)過程。在此階段，內(nèi)部擴(kuò)散和

16、表面反應(yīng)發(fā)生在催化粒子內(nèi)部，兩者同時(shí)進(jìn)行，屬于并行過程，構(gòu)成表面反應(yīng)過程的(3) (5) 3階段是連續(xù)的。外部擴(kuò)散發(fā)生在主流體和催化粒子的外部表面之間，屬于相變過程。外部擴(kuò)散和催化粒子內(nèi)的擴(kuò)散和反應(yīng)也是排成一列的。42，(2)控制階段和整體反應(yīng)速度，控制階段表示連續(xù)過程中速度最小且比其他階段小得多的階段，其速度決定了整個(gè)過程(稱為控制階段)的速度。具有控制階段的過程的整體反應(yīng)速度與控制階段的速度相同。總反應(yīng)速度：傳質(zhì)、傳熱電阻存在時(shí)的反應(yīng)速度。此速度可以通過實(shí)驗(yàn)測量，也稱為表觀反應(yīng)速度或?qū)嶋H反應(yīng)速度?？偡磻?yīng)速度不是每個(gè)步長速度的總和，當(dāng)過程達(dá)到正常狀態(tài)時(shí)，每個(gè)步長速度相同，如果有控制階段，則總速度等于控制階段的速度。43，反應(yīng)物的吸附控制，即反應(yīng)物的吸附最慢，比其他步驟慢得多，表面化學(xué)反應(yīng)控制，產(chǎn)品的解吸控制動(dòng)態(tài)控制*(表面過程控制)，這三種情況都是可能的。這些過程的傳質(zhì)(內(nèi)部和外部擴(kuò)散)速度相對(duì)較快，相似的平均反應(yīng)，研究結(jié)果證實(shí)了固有反應(yīng)速度方程，化學(xué)反應(yīng)的速度為總反應(yīng)速度，濃度分布的特點(diǎn)是：化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制過程的發(fā)生*是粒子相對(duì)較小，內(nèi)部擴(kuò)散阻力較?。挥捎跉怏w速度高，外部擴(kuò)散速度快。由于溫度低，表面過程的速度很小。，為了工作現(xiàn)場(或?qū)嶒?yàn)中)的性能*，可以提高工作溫度反應(yīng)器出口的轉(zhuǎn)化率。44