任務(wù)8設(shè)計固定床反應(yīng)器

任務(wù)8固定床反應(yīng)器設(shè)計工作任務(wù)

根據(jù)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)條件和工藝要求進行固定床反應(yīng)器的工藝設(shè)計。預(yù)備知識

固體催化劑的的基礎(chǔ)知識。12.1固體催化劑基礎(chǔ)知識化學(xué)催化可分為均相催化和非均相催化兩大類。當(dāng)催化劑與反應(yīng)物處于同一相，沒有相界面存在時，其催化系統(tǒng)為均相催化系統(tǒng)；當(dāng)催化劑與反應(yīng)物處于不同相中，催化反應(yīng)在界面上進行的催化系統(tǒng)稱為非均相催化。12.1.1催化作用與催化劑12.1.1.1催化作用的定義與基本特征（1）催化作用定義

催化劑是一種物質(zhì)，它能夠加速化學(xué)反應(yīng)的速率而不改變該反應(yīng)的標準自由焓的變化，這種作用稱為催化作用。（2）催化劑的基本特征①催化劑只能加速熱力學(xué)上可能進行的化學(xué)反應(yīng)。②催化劑能夠加速化學(xué)反應(yīng)速率，但它本身并不進入化學(xué)反應(yīng)的計量。③催化劑對反應(yīng)具有選擇性。④催化劑只能改變化學(xué)反應(yīng)速率，即縮短到達平衡的時間，而不能改變平衡的位置。⑤催化劑既能同等程度的加速正反應(yīng)及逆反應(yīng)速率。12.1.1.2催化劑組成與功能絕大多數(shù)工業(yè)催化劑的組分：活性組分、助催化劑、載體（1）活性組分活性組分有時由一種物質(zhì)組成，有時則有多種成分組成。活性組分一般為過渡金屬。（2）助催化劑一些本身對某一反應(yīng)沒有活性或活性很小，但添加少量于催化劑之中卻能使催化劑具有所預(yù)期的活性、選擇性或穩(wěn)定性的物質(zhì)，稱為助催化劑。助催化劑可分為：結(jié)構(gòu)性助催化劑和電子型助催化劑。（3）載體

載體是固體催化劑所特有的組分。

負載型催化劑：將活性組分、助催化劑組分負載于載體上所得的催化劑。

作用：增大催化劑的比表面積、提高耐熱性和機械強度。（4）抑制劑

在活性組分中添加添加少量的物質(zhì)，便能使活性組分的催化活性適當(dāng)調(diào)低，甚至在必要時大幅度地下降，稱為抑制劑。12.1.1.3催化劑性能與標志（1）活性催化劑的活性是指催化劑改變反應(yīng)速率的能力，即加快反應(yīng)速率的程度。①比活性一般來說，催化劑的表面積越大，催化活性越高?？捎脝挝槐砻娣e上的反應(yīng)速率即比表活性來表示活性的大小。②轉(zhuǎn)化率在一定條件下可以用轉(zhuǎn)化率來表示催化劑的活性，轉(zhuǎn)化率高活性高，轉(zhuǎn)化率低活性低。③空時收率空時收率是指單位時間內(nèi)單位催化劑（單位體積或單位質(zhì)量）上生成目的產(chǎn)物的數(shù)量。（2）選擇性

催化劑的選擇性是指催化劑促使反應(yīng)向所要求的方向進行而得到目的產(chǎn)物的能力。（3）使用壽命

催化劑的使用壽命是指催化劑在反應(yīng)條件下具有活性的使用時間，或活性下降經(jīng)再生而又恢復(fù)的累積使用時間。

催化劑壽命越長，使用價值越大。

催化劑的活性隨時間變化的規(guī)律：①成熟期②穩(wěn)定期③衰老期（4）機械強度和穩(wěn)定性

影響催化劑機械強度的因素很多，主要有催化劑的化學(xué)組成、物理結(jié)構(gòu)、制備成型方法及使用條件。

工業(yè)上對于固定床反應(yīng)器主要考慮壓碎強度，流化床反應(yīng)器則主要考慮磨損強度。

工業(yè)催化劑還需要耐熱穩(wěn)定性及抗毒穩(wěn)定性好。（5）其他物理性狀①形狀與尺寸②比表面積每克催化劑的表面積sg，單位m2/g③孔容積每克催化劑中孔隙的體積，Vg，單位mL/g。④孔徑分布、平均孔徑或然孔徑或然孔徑：在實際催化劑的孔徑分布中出現(xiàn)概率最大的孔徑值。⑤孔隙率指催化劑顆?？紫扼w積與催化劑顆粒總體積之比。⑥空隙率指催化劑床層的空隙體積與催化劑床層體積之比。⑦真密度催化劑顆粒中固體實體的密度。⑧表觀密度包括催化劑顆粒中的孔隙容積時該顆粒的密度。⑨堆積密度催化劑質(zhì)量與催化劑床層體積之比。12.1.2工業(yè)催化劑的制備1.沉淀法借助沉淀反應(yīng)，用沉淀劑（如堿類物質(zhì)）將可溶性的催化劑組分（金屬鹽類）轉(zhuǎn)化為難溶化合物，再經(jīng)分離、洗滌、干燥、焙燒、成型等工序制得成品催化劑。2.浸漬法制備步驟：①抽空載體；②載體與被浸漬溶液接觸；③除去過剩的溶液；④干燥；⑤煅燒及活化。3.混合法

將幾種組分用機械混合的方法制成多組分催化劑。混合的目的是促使物料間的均勻分布，提高分散度。4.熔融法

熔融法是在高溫條件下進行催化劑組分的熔合，使之成為均勻的混合體、合金固溶體或氧化物固溶體。在熔融溫度下金屬、金屬氧化物都呈流體狀態(tài)，有利于它們混合均勻，促使助催化劑組分在活性組分上的分布。

制備程序：①固體的粉碎；②高溫熔融或燒結(jié)；③冷卻、破碎成一定的粒度；④活化。5.離子交換法

離子交換法是利用載體表面上存在著可進行交換的離子，將活性組分通過離子交換交換到載體上，然后經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮筇幚?，如洗滌、干燥、焙燒、還原，最后得到負載型金屬催化劑。（三）催化劑制備新進展（1）納米技術(shù)

主要特征是：材料的基本構(gòu)成是數(shù)個納米直徑的微小粒子。（2）氣相淀積技術(shù)

氣相淀積是利用氣態(tài)物質(zhì)在一固體表面進行化學(xué)反應(yīng)后在其上生成固態(tài)淀積物的過程。（3）膜催化劑

膜催化劑將化學(xué)反應(yīng)與膜分離結(jié)合起來，甚至以無機膜作催化劑載體負載催化劑活性組分及助催化劑，把催化劑、反應(yīng)器及分離膜構(gòu)成一體化設(shè)備。（4）微乳化技術(shù)

用微乳化技術(shù)制備催化劑的關(guān)鍵是在微乳中形成催化劑的活性組分或載體。12.2氣固相催化反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)（一）氣固相催化反應(yīng)速率的表示反應(yīng)速率定義式：對于氣固相反應(yīng)，反應(yīng)區(qū)域的選擇有以下幾種：①選用催化劑體積，速率單位為：②選用催化劑質(zhì)量，速率單位為：③選用催化劑堆積體積，速率單位為：（二）氣固相催化反應(yīng)過程

經(jīng)歷以下七個步驟：①反應(yīng)組分從流體主體向固體催化劑外表面?zhèn)鬟f（外擴散過程）；②反應(yīng)組分從催化劑外表面向催化劑內(nèi)表面?zhèn)鬟f（內(nèi)擴散過程）；③反應(yīng)組分在催化劑表面的活性中心吸附（吸附過程）；④在催化劑表面上進行化學(xué)反應(yīng)（表面反應(yīng)過程）；⑤反應(yīng)產(chǎn)物從催化劑表面的活性中心脫附（脫附過程）；⑥反應(yīng)產(chǎn)物從催化劑內(nèi)表面向催化劑外表面?zhèn)鬟f（內(nèi)擴散過程）；⑦反應(yīng)產(chǎn)物從固體催化劑外表面向流體主體傳遞（外擴散過程）；

速率控制步驟：某一步驟的速率與其他各步的速率相比要慢得多，以致整個反應(yīng)速率取決于這一步的速率，該步驟稱為控制步驟速率。1.化學(xué)吸附速率的一般表達式活性中心;A組分在活性中心上的吸附可表示為組分A的覆蓋率空位率對于吸附過程，吸附速率可表示為：脫附式：脫附速率為：吸附過程的凈速率：吸附達平衡時，則滿足：得吸附平衡方程為：2.朗格繆爾吸附模型（理想吸附模型）基本假設(shè)：①催化劑表面各處的吸附能力是均勻的，各吸附位具有相同的能量；②被吸附物僅形成單分子層吸附；③吸附的分子間不發(fā)生相互作用，也不影響分子的吸附作用；（1）固體吸附劑僅吸附A組分吸附式為：吸附速率：脫附速率：

且凈吸附速率：吸附達平衡時：

令，稱為吸附平衡常數(shù)，則有：（吸附等溫方程）（2）若A組分在吸附時發(fā)生解離則吸附式為吸附速率脫附速率凈吸附速率當(dāng)達到平衡時則有（3）對于n個組分在同一吸附劑上被吸附時

其凈速率通式為

吸附等溫方程為：（三）本證動力學(xué)方程

推導(dǎo)步驟：①確定反應(yīng)所經(jīng)歷的步驟；②決定控制步驟，該步驟的速率即為反應(yīng)過程的速率；③由非速率控制步驟達到平衡，列出吸附等溫式；④將上述平衡關(guān)系得到的等式代入控制步驟式，并用氣相組分的濃度或分壓表示，即得到動力學(xué)表達式。雙曲線形本征動力學(xué)方程候根-瓦特森假設(shè)：①在吸附-反應(yīng)-脫附三個步驟中必然存在一個控制步驟，該控制步驟的速率便是本征反應(yīng)速率；②除了控制步驟外，其他步驟均處于平衡狀態(tài)；③吸附和脫附過程屬于理想過程，即吸附和脫附過程可用朗格繆爾模型加以描述。12.3.1固定床反應(yīng)器內(nèi)流體的流動12.3.1.1催化劑顆粒直徑與形狀系數(shù)

球形顆粒直接用直徑來表示其大?。欢乔蛐晤w粒常用與球形顆粒作對比所得到的相當(dāng)直徑來表示其大小。顆粒的形狀是用形狀系數(shù)來表示的。（1）體積相當(dāng)直徑式中dV—體積相當(dāng)直徑，m；Vp—非球形顆粒的體積，m3。12.3固定床反應(yīng)器設(shè)計（2）面積相當(dāng)直徑式中da—面積相當(dāng)直徑，m；Ap—非球形顆粒的外表面積，m2。（3）比表面相當(dāng)直徑式中Sv—非球形顆粒的比表面積，。則

式中ds—比表面相當(dāng)直徑，m。

在研究流體力學(xué)時，常用體積相當(dāng)直徑；而在研究傳質(zhì)傳熱時，常用面積相當(dāng)直徑。

12.3.1.2平均直徑與形狀系數(shù)式中dp—顆粒的平均直徑，m；xi—各種篩分粒徑所占的質(zhì)量分數(shù)；di—質(zhì)量分數(shù)為xi的篩分顆粒的平均直徑，m。其中—同一篩分顆粒上下篩目尺寸，m。

形狀系數(shù)

式中Aa—與球形顆粒等體積的非球形外表面積，m2。

形狀系數(shù)反映了非球形顆粒與球形顆粒的差異程度。對球形顆粒來說；對非球形顆粒，＜1。

三種相當(dāng)直徑間的關(guān)系為：

實驗結(jié)果表明，空隙率在徑向上分不是不均勻的。空隙率在貼壁處達到最大值，而床層中部空隙率較小。將器壁對空隙率分布的影響以及由此造成的對流流動、傳熱、傳質(zhì)的影響稱為壁效應(yīng)。12.3.1.3床層空隙率與徑向流速分布

床層空隙率是指顆粒間的自由體積與整個床層體積之比。式中

—床層空隙率

—催化劑顆粒密度，Kg/m3

—催化劑床層堆積密度，Kg/m312.3.1.4流體在固定床中的流動特性（1）流動特性床層內(nèi)流體的流動分為兩部分：一部分是流體以平均流速沿軸向作理想置換流動；另一部分為流體的徑向和軸向的混合擴散，包括層流時的分子擴散和湍流時的渦流擴散。（2）氣體的分布在氣固相反應(yīng)器中，流體在徑向上的分布式不均勻的，因此，提高床層內(nèi)氣體流速分布的均勻性對降低返混，提高反應(yīng)器生產(chǎn)能力和反應(yīng)選擇性具有重要意義。提高氣體分布均勻性的方法有：①催化劑大小要均勻；②消除氣體初始動能。12.3.1.5流體流過固定床層的壓降壓降產(chǎn)生的原因

—流體與顆粒表面間的摩擦阻力

—流體在通道內(nèi)的收縮、擴大與撞擊顆粒、變向分流等引起的局部阻力。壓降的計算（歐根公式）

流體在圓管中等溫流動時的壓力降

當(dāng)

＜10時為層流，；當(dāng)＞1000時為充分湍流，。設(shè)計要求：ΔP≤15%P（操作）工業(yè)上降低壓力降的辦法：↑ε、↓L、↓uO、↑dS等。12.3.2固定床反應(yīng)器中的傳質(zhì)與傳熱12.3.2.1固定床反應(yīng)器中的傳質(zhì)固定床反應(yīng)器中的傳質(zhì)過程包括：外擴散、內(nèi)擴散、混合擴散（軸向擴散和徑向擴散）軸向擴散是由于催化劑顆粒粒度分布而引起的；徑向擴散則是由于催化劑床層空隙率引起的。催化反應(yīng)的總速度12.3.2.2固定床反應(yīng)器中的傳熱傳熱過程分析

整個固定床的傳熱包括：顆粒內(nèi)傳熱、顆粒與流體間的傳熱、床層與壁間的傳熱；

在工程計算中，一般進行簡化處理：催化劑顆粒假設(shè)為等溫體，忽略顆粒內(nèi)部、顆粒在流體間和床層徑向傳熱阻力，床層的傳熱阻力全部集中在管壁處。床層對壁總傳熱系數(shù)

假設(shè)床層為等溫體（Tm），總傳熱速率方程為：

當(dāng)床層被加熱時：