模块二气固相催化反应器.ppt

任务二 固定床反应器的设计 固定床反应器 一、催化剂床层特性 （一）催化剂颗粒的直径和形状系数 催化剂的形状多样，如球形、圆柱形、环状、片状、无定形等，其中以球形与圆柱形更为常见。球形颗粒可直接用直径来表示其大小，而非球形颗粒常用相当直径来表示其大小，其形状用形状系数来表示。 （1）体积相当直径 （2）面积相当直径 （3）比表面相当直径 床层中，研究流体力学：体积相当直径；研究传热传质：面积相当直径。 固定床反应器 床层催化剂颗粒的平均直径　 可用调和平均法计算得到，即 式中　　　　－各种筛分粒径所占的质量分数； 　　　　　　－质量分数为　的筛分颗粒的平均粒径，m。 平均直径若用算术平均直径法计算，即 在固定床和流化床的流体力学计算中，用调和平均直径较为符合实验数据。 （4）平均直径 固定床反应器 （5）形状系数 球形颗粒：　　　，非球形颗粒 ： 三种相当直径用形状系数联系起来： 反映非球形颗粒与球形颗粒的差异程度。 固定床反应器 [例] 某圆柱形催化剂，直径　　　　　　　　 。求该催化剂的相当直径 及形状系数　。 解：对于圆柱体催化剂：其体积为：　　　 ，面积为： 则体积相当直径： 面积相当直径： 比表面相当直径： 形状系数： 固定床反应器 （二）床层空隙率及流速分布 指颗粒间的自由体积与整个床层体积之比，可用下式直接计算： 影响因素： 催化剂：粒径，形状，表面粗糙度，充填方法，粒度分布 ，气流分布愈不均匀，要求 以上 径向分布不均（存在壁效应）： 贴壁处：　达最大； 离壁(1~2) ：　也较大； 床层中部：　最小。 由于床层径向孔隙率分布不均，因此固定床中存在流速的不均匀分布。 器壁对孔隙率分布的影响及由此造成对流动、传热和传质的影响，称为壁效应。 固定床反应器 二、流体在固定床中流动的特性 （一）流动特性 床层内流体的流动分成两部分： （1）流体以平均流速沿轴向作理想置换流动； （2）流体的径向和轴向的混合扩散，包括分子扩散（层流时）和涡流扩散（湍流时）。 固定床反应器 （二）流体流过固定床层的压力降 　　流体通过床层所产生的压降，主要来源于流体与颗粒表面间的磨擦阻力和流体在通道内的收缩、扩大与撞击颗粒、变向分流等引起的局部阻力。其计算可仿照流体在空管中流动的压降公式进行合理修正，最常用的是埃冈（Ergun）公式。 固定床的压力降为 其中： 固定床反应器 当　　 时为层流，计算压降时fm可省去第二项，即 当　　 时为充分湍流，计算压降时fm可省去第一项，即 对于 如果床层中催化剂颗粒不均一，应使用颗粒的平均直径。 固定床反应器 【例2.1-3】已知固定床是选用230根 mm的反应管，催化剂充填高度L=3.6m，颗粒直径为ds=5mm，流体粘度为0.0483kg/m?h，流体的密度为1.031kg/m3，床层空隙率为0.35，质量流量G=488.7kg/h。试计算固定床床层的压降。 解： 管内流体的气速： 雷诺数： 对于多步骤的反应过程，需要选择控制步骤。气固相催化反应的控制步骤主要有以下三种可能性： ①外扩散做控制步骤 即内扩散过程的阻力很小，表面反应过程的速率很快。反应过程的速率取决于外扩散的速率。 ②内扩散做控制步骤 即反应过程的传质阻力主要存在于催化剂的内部孔道，表面反应过程的速率和外扩散的速率很快。 ③表面反应做控制步骤 即传质过程的阻力可以忽略，反应速率主要取决于表面反应过程。通常称为动力学控制。 固定床反应器 3.化学吸附与脱附 催化作用——化学吸附现象 分析： 气体反应物在催化剂表面上进行反应时，首先发生的是催化剂表面活性部位对反应分子的化学吸附，从而削弱了其中的某些化学键，活化了反应分子并降低了反应活化能，大大加快了反应速率。 化学吸附： 由于电子的共用或转移而发生相互作用的分子与固体间电子重排，气体分子与固体之间相互作用力具有化学键的特征。 固定床反应器 固体表面吸附 化学吸附：可看成吸附剂与 被吸附物之间发 生了化学反应，有电子的转移和 重排，（有选择性） 物理吸附：借助于范德华力相结合 （无选择性） 固定床反应器 　　化学吸附只能发生于固体表面那些能与气相分子起反应的原子上，通常把该类原子称为活性中心，用符号“σ”表示。由于气体分子的运动，不断地与催化剂表面碰撞，具有足够能量的分子被催化剂上的活性中心吸附；同时被吸附的分子也可以发生脱附，最后达到动态的平衡。 气相中A组分在活性中心的吸附，可表示为