第三课 气固催化反应器 反应过程的温度特征 反应器选型与操作方式.ppt

第三课 气固催化反应器 反应过程的温度特征 反应器选型与操作方式 可逆单分子系统多重反应体系动力学 气固催化反应器 气固催化反应器的基本类型 固定床催化反应器 绝热式反应器 换热式反应器 流化床催化反应器 气液固三相床催化反应器 固定床催化反应器 气相反应物连续流入经颗粒状催化剂组成的固定床，经反应后连续流出反应器。 按是否与外界热量交换分两大类： 绝热式反应器 换热式反应器 固定床反应器的代表： 催化重整 加氢精制 异构化 裂解 固定床反应器的优缺点 床层内流体流动接近PFR，返混小，所以rA↑，xA↑，较小容积，较大生产能力； 催化剂不易磨损而可长期使用； 易控制，如停留时间可严格控制，温度分布调节。 传热较差，催化剂属导热不良物质，反应结果对温度的依赖性又很强，所以对于热效应大的反应过程，传热和控温是技术难点和关键所在； 催化剂更换必须停产，所以必须要有足够长寿命；催化剂粒子不能太小。 绝热式反应器 结构简单，床内没有传热装置，预热到适当温度的反应物料，在绝热条件下进行反应，对于热效应不大，反应温度允许变化范围又较宽的情况最为适用，又分为单段和多段。 单段－－绝热条件下只反应一次； 多段－－反应一次后经换热满足所需温度条件，再次进行绝热反应，一次称为一段，如催化重整 多段绝热式反应器，按段间换热方式的不同又可分为： 间接换热式 催化重整 直接换热式 原料气冷凝式 非原料气冷凝式 喷水、降温、分压 换热式反应器 比绝热式应用更多，更普遍。 特点是催化剂床在进行化学反应的同时，还与外界进行热量交换，尤以列管式为多。通常在管内放催化剂，管间走热载体 (若用高压水时，管内走高压流体)。 管径大小一般为25～50mm，根据反应热和允许温度而定；催化剂粒径1/8管径，一般为2～6mm。 热载体视所需控制的温度分为而异： 高压水 100～300℃ 联苯，石油中烷基萘为200～350℃ 无机溶盐 300～400℃ 烟道气 600～700℃ 熔融金属 密封性要求高 热载体强制循环。列管式的传热较好，管内温度较易控制，放大把握大，反应速度快。又分为： 外热式 热载体 自热式 原料气 绝热式、换热式反应器结合使用，如合成氨，先初期采用绝热式，迅速升温，rA↑，然后采用换热式。 流化床催化反应器 催化剂颗粒在气流作用下如流体般的流动。气体、固体都在运动，范围从临界流态化开始一直到气流输送，具体采用何种形式，需结合反应动力学特性决定。 流化床的情况非常复杂，许多规律现今还不十分清楚。 流化床反应器的优缺点 传热效率高，床内温度易维持均匀，适于热效应大、对温度又很敏感的过程； 固体催化剂可往来输送，适于催化剂迅速失活而需随时再生的过程，如FCC，解决大规模连续生产的关键； 可采用细粒子，使得内扩散阻力↓，内表面利用率↑。 粒子运动接近全混流，停留时间不一，使得rA↓，xA↓，副反应↑； 气流状态不均，气固接触不够有效，对高xA不利； 催化剂易磨损，要有旋风分离系统。 固定床反应器的基础数学模型 根据反应动力学可分为拟均相和非均相两类： 拟均相－－把固体催化剂与流体当作一均相体系来考虑。若为化学动力学控制，催化剂颗粒表面与内部的反应组分浓度及温度都与气体主流一致。 非均相－－同时考虑气体主流与颗粒外表面以及颗粒内表面的浓度梯度和温度梯度。 根据温度和浓度分布状态又可分为一维模型和二维模型： 一维－－仅考虑流体流动方向(轴向)上的温度和浓度变化，与流向垂直的截面(径向)上则认为是等温和等浓度的。 二维－－不仅考虑了轴向，且还考虑了径向上的浓度和温度变化。(对于管径大、热效应大的反应) 流化床反应器的数学模型类别 两相模型 气相平推流、固相部分返混式 气相平推流、固相平推流的统一模型 气相平推流、固相全混流 上流相（气＋固）、回流相（气＋固）均为平推流的逆流模型 三相模型 气汽相、汽晕相、固相三相均为平推流 四相模型 气汽相、汽晕相、上流相、下流相均为平推流 固定床的拟均相一维模型 等温平推流 仅需物料平衡式 等温有轴向返混 单段绝热式 还需热量衡算式 绝热方程，即绝热操作时温度与转化率的关系 与物料衡算式联立求解，即得床内轴向温度和转化率变化情况。 固定床的拟均相二维模型 如果管径不是那么小，反应热也比较大，径向温度往往可观，需考虑径向与轴向二维。 取一环形微元体积，对反应组分A作物料衡算 非等温衡算 类似可写出热量衡算式 非均相要分别列出流体、粒子的物料衡算及热量衡算式，不少学者做过许多研究后认为，在固定床反应器中，粒内、外各步传递过程的重要性顺序为： 传热：层内流体粒子内粒内 传质：粒内层内流体－粒子内 在工业装置中，由于实用的流速往往足够高，所以流体与粒子间的温差和浓度差，除少数