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1、反应工程反应器第1页，共43页，编辑于2022年，星期五 两个绝热层间加换热器 在层加换热盘管 有多层绝热 用外加物料中间直接冷激 用原料气中间冷激第2页，共43页，编辑于2022年，星期五对可逆和不可逆吸热反应，T升高rA增加。可逆放热反应，T升高rA有一极大值。平衡温度 6.3绝热床反应器绝热床反应器无径向床壁传热，可做平推流处理，只在轴向上有温度和浓度的变化，而在与流向垂直的截面上（径向）是等温等浓度。6.3-1 平衡温度和最优温度分布平衡温度和最优温度分布第3页，共43页，编辑于2022年，星期五绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器 单段绝热反应器优点单段绝热反应器优点：结构简单；空间
2、利用率高；造价低。但是，：结构简单；空间利用率高；造价低。但是，对于一些热效应大的反应，由于温升过大，反应器出口温度可对于一些热效应大的反应，由于温升过大，反应器出口温度可能会超过允许的温度。对于可逆放热反应，反应器的轴向温度能会超过允许的温度。对于可逆放热反应，反应器的轴向温度分布会远离最佳温度分布，从而造成反应器的生产能力降低，分布会远离最佳温度分布，从而造成反应器的生产能力降低，甚至会由于化学平衡的限制而使反应器出口达不到所要求的转甚至会由于化学平衡的限制而使反应器出口达不到所要求的转化率。因此，单段绝热反应器的使用受到了一些限制，化率。因此，单段绝热反应器的使用受到了一些限制，单段绝单
3、段绝热反应器适用于下列场合热反应器适用于下列场合：(1)反反应应热热效效应应较较小小的的反反应应，(2)温温度度对对目目的的产产物物收收率率影影响响不不大大的的反反应应;(3)虽虽然然反反应应热热效效应应大大，但但单单程程转转化化率率较较低低的的反反应应或或者有大量惰性物料存在，使反应过程中温升小的反应，者有大量惰性物料存在，使反应过程中温升小的反应，第4页，共43页，编辑于2022年，星期五径向反应器由混合室、收集室、催化剂室和中心室组成。可用于细颗粒催化剂、压降不高节省了动力消耗。第5页，共43页，编辑于2022年，星期五绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器图图7.3多段固定床绝热反应器多
4、段固定床绝热反应器(补充动画）补充动画）产品原料(a)(b)(c)原料产品原料冷激剂产品（a)间接换热式；（b）原料气冷激式；（c）非原料气冷激式第6页，共43页，编辑于2022年，星期五 气固相催化反应器内进行的是非均相反应。均相反应与气固相催化反应器内进行的是非均相反应。均相反应与非均相反应的基本区别在于，前者的反器物料之间无相接口，非均相反应的基本区别在于，前者的反器物料之间无相接口，也不存在相际间的物质传递过程，其反应速率只与温度、浓也不存在相际间的物质传递过程，其反应速率只与温度、浓度有关；而后者在反应物料之间或反应物与催化剂之间有相度有关；而后者在反应物料之间或反应物与催化剂之间有
5、相接口，存在相际物质传递过程，非均相反应器的实际反应速接口，存在相际物质传递过程，非均相反应器的实际反应速率还与相接口的大小及相间扩散速率有关。率还与相接口的大小及相间扩散速率有关。6.5 气固相催化反应器气固相催化反应器 气固相催化反应过程是化工生产中最常见的非均相反应气固相催化反应过程是化工生产中最常见的非均相反应过程，例如基本化工原料工业中的硫酸、硝酸、合成氨、甲过程，例如基本化工原料工业中的硫酸、硝酸、合成氨、甲醇和尿素等的生产，都是以气固相催化反应过程为主体的生醇和尿素等的生产，都是以气固相催化反应过程为主体的生产过程。产过程。第7页，共43页，编辑于2022年，星期五1 1气固相催
6、化反应过程气固相催化反应过程 图为气固相催化反应图为气固相催化反应A一一B的整个反应的整个反应过程示意图。气团相催化反应的全过程过程示意图。气团相催化反应的全过程为七个步骤：为七个步骤：（1）气固相催化反应过程分析）气固相催化反应过程分析组分组分A从颗粒外表面通过微孔扩散到颗粒内表面从颗粒外表面通过微孔扩散到颗粒内表面组分组分A在内表面上被吸附；在内表面上被吸附；组分组分A在内表面上进行化学反应，生成产物在内表面上进行化学反应，生成产物B；组分组分B在内表面上脱附；在内表面上脱附；组分组分B从颗粒内表面通过微孔扩散到颗粒外表面从颗粒内表面通过微孔扩散到颗粒外表面 反应生成物反应生成物B从颗粒外
7、表面扩散到气流主体。从颗粒外表面扩散到气流主体。反应组分反应组分A从气流主体扩散到催化剂颗从气流主体扩散到催化剂颗粒外表面；粒外表面；第8页，共43页，编辑于2022年，星期五 、称为外扩散过程；称为外扩散过程；、称为内扩散过程，称为内扩散过程，受孔隙大小所控制；受孔隙大小所控制；、分别称为表面吸附和脱附过分别称为表面吸附和脱附过程，程，为表面反应过程，为表面反应过程，、这三个步骤总称为这三个步骤总称为表面动力学过程，其速率与反应组分、催化剂性能和温表面动力学过程，其速率与反应组分、催化剂性能和温度、压强等有关。度、压强等有关。整个气固催化宏观反应过程是外扩散、内扩散、整个气固催化宏观反应过程
8、是外扩散、内扩散、表面动力学三类过程的综合。表面动力学三类过程的综合。（2）外扩散过程）外扩散过程 外扩散过程由分子扩散和涡流扩散组成。工业规模的气外扩散过程由分子扩散和涡流扩散组成。工业规模的气固相催化反应器中，气体的流速较高，涡流扩散占主导地位。固相催化反应器中，气体的流速较高，涡流扩散占主导地位。第9页，共43页，编辑于2022年，星期五当反应为外扩散控制时，整个反应的速率等于这个扩当反应为外扩散控制时，整个反应的速率等于这个扩散过程的速率。在稳定状况下，单位时间单位体积催化散过程的速率。在稳定状况下，单位时间单位体积催化剂层中组分剂层中组分A的反应量（的反应量（-rA）等于由主流体扩散
9、到颗粒）等于由主流体扩散到颗粒外表面的组分外表面的组分A的量，即：的量，即：式中式中(-rA)催化剂层中组分催化剂层中组分A的反应速率的反应速率,mols-1m-3(催化剂催化剂)kg 外扩散传质系数外扩散传质系数,ms-1,kg=kg/RT Se催化剂层催化剂层(外外)比表面积比表面积,m2m-3 催化剂的形状系数催化剂的形状系数,圆球为圆球为1,圆柱为圆柱为0.91,不规不规则颗粒为则颗粒为0.9.第10页，共43页，编辑于2022年，星期五cA,g,cA,s气体主流及颗粒外表面组分气体主流及颗粒外表面组分A的浓度的浓度,molm-3 pA,g,pA,s气体主流及颗粒外表面的组分气体主流及
10、颗粒外表面的组分A的分压的分压,Pa.kg与吸收过程的气膜传质分系数相似与吸收过程的气膜传质分系数相似,决定于流体力学决定于流体力学情况和气体的物理性质情况和气体的物理性质,增大气速可以显著增大外扩散增大气速可以显著增大外扩散传质系数传质系数.第11页，共43页，编辑于2022年，星期五当反应组分向催化剂微孔内扩当反应组分向催化剂微孔内扩散的同时，便在微孔内壁上进行散的同时，便在微孔内壁上进行表面催化反应。由于反应消耗了表面催化反应。由于反应消耗了反应组分，因而愈深入微孔内部，反应组分，因而愈深入微孔内部，反应物浓度愈小。图中显示了扩反应物浓度愈小。图中显示了扩散过程的浓度变化。散过程的浓度变
11、化。内扩散路径极不规则，既有分子内扩散路径极不规则，既有分子间的碰撞为阻力的容积扩散，又有间的碰撞为阻力的容积扩散，又有以分子与孔壁之间碰撞为阻力的诺以分子与孔壁之间碰撞为阻力的诺森扩散。森扩散。（3）内扩散过程）内扩散过程第12页，共43页，编辑于2022年，星期五 当微孔直径远大于气体分子运动的平均自由路径时，当微孔直径远大于气体分子运动的平均自由路径时，气体分子相互碰撞的机会比与孔壁碰撞的机会多，这种扩气体分子相互碰撞的机会比与孔壁碰撞的机会多，这种扩散称为散称为容积扩散容积扩散。容积扩散系数与微孔半径大小无关，而与容积扩散系数与微孔半径大小无关，而与绝对温度绝对温度1.75次方呈正比，
12、与压力呈反比。次方呈正比，与压力呈反比。对于压力超过对于压力超过 1107Pa的反应或常压下颗粒微孔半径大于的反应或常压下颗粒微孔半径大于 10-7m的扩散，均的扩散，均属容积扩散。属容积扩散。当微孔直径小于气体分子的平均自由路径时，气体分子当微孔直径小于气体分子的平均自由路径时，气体分子与微孔壁碰撞的机会，比与其它分子碰撞的机会多，这种扩与微孔壁碰撞的机会，比与其它分子碰撞的机会多，这种扩散称为散称为诺森扩散诺森扩散。诺森扩散系数与孔半径及绝对温度的平方诺森扩散系数与孔半径及绝对温度的平方根呈正比，而与压力无关。根呈正比，而与压力无关。多数工业催化剂的微孔半径多在多数工业催化剂的微孔半径多在
13、10-7m以下，如操作压力不高，气体的扩散均属诺森扩散。以下，如操作压力不高，气体的扩散均属诺森扩散。第13页，共43页，编辑于2022年，星期五 颗粒内表面上的催化反应速率取决于反应组分颗粒内表面上的催化反应速率取决于反应组分A的浓度。的浓度。在微孔口浓度较大，反应速率较快；在微孔底浓度最小，反应在微孔口浓度较大，反应速率较快；在微孔底浓度最小，反应速率也最小。在等温情况下，整个催化剂颗粒内单位时间的实速率也最小。在等温情况下，整个催化剂颗粒内单位时间的实际反应量际反应量N1为：为：式中式中,Si为单位床层体积催化剂的内表面积，为单位床层体积催化剂的内表面积，ks为表为表面反应速率常数，面反
14、应速率常数，f(cA,s)为颗粒内表面上以浓度表示的动力为颗粒内表面上以浓度表示的动力学浓度函数学浓度函数 若按颗粒外表面上的反应组分浓度若按颗粒外表面上的反应组分浓度cA，s及催化剂颗粒及催化剂颗粒内表面积进行计算，则得理论反应量内表面积进行计算，则得理论反应量N2为：为：第14页，共43页，编辑于2022年，星期五 内表面利用率实际上是受内扩散影响的反应速率与不受内表面利用率实际上是受内扩散影响的反应速率与不受内扩散影响的反应速率之比。若内表面利用率的值接近或等内扩散影响的反应速率之比。若内表面利用率的值接近或等于于1，反应过程为动力学控制；若远小于，反应过程为动力学控制；若远小于1，则为
15、内扩散，则为内扩散控制。工业催化剂颗粒的内表面利用率一般在控制。工业催化剂颗粒的内表面利用率一般在0.20.8之之间。间。令令N1/N2=,称为催化剂颗粒的内表面利用率称为催化剂颗粒的内表面利用率,则则N2=ks Si f(cA,S)第15页，共43页，编辑于2022年，星期五 以球形颗粒催化剂表面进行等温一级不可逆反应以球形颗粒催化剂表面进行等温一级不可逆反应的内表面利用率为例，的内表面利用率为例，式中式中,R R催化剂颗粒半径催化剂颗粒半径,m,m Kv Kv催化剂反应速度常数催化剂反应速度常数,s,s-1-1DeDe内扩散系数内扩散系数m m2 2s s-1-1式中式中 量纲为一的数量纲
16、为一的数,称内扩散模数称内扩散模数,又称西勒模数又称西勒模数.是是的函数的函数,两者呈反比两者呈反比,增大增大,降低降低.定义为定义为第16页，共43页，编辑于2022年，星期五 催化剂颗粒半径催化剂颗粒半径R越大，内孔越小，扩散系数越大，内孔越小，扩散系数De越小，越小，越大，而越大，而越小，表明选用小颗粒、大孔径的催化剂有越小，表明选用小颗粒、大孔径的催化剂有利于提高内扩散速率；催化剂体积反应速率常数利于提高内扩散速率；催化剂体积反应速率常数kV越大，越大，越小，说明反应速率太大，内扩散对整个过程的阻滞作越小，说明反应速率太大，内扩散对整个过程的阻滞作用越严重。表明并非催化剂活性越大越好，
17、而要使催化剂用越严重。表明并非催化剂活性越大越好，而要使催化剂活性与催化剂的结构调整和颗粒大小相适应。活性与催化剂的结构调整和颗粒大小相适应。气固催化反应各过程的速度必定相等，宏观反应速度气固催化反应各过程的速度必定相等，宏观反应速度等于其中任一步的速度。等于其中任一步的速度。（4 4）气固催化反应宏观动力学模型）气固催化反应宏观动力学模型第17页，共43页，编辑于2022年，星期五 因为上式包含难测定的界面参数因为上式包含难测定的界面参数c cA,sA,s,无法用气相无法用气相主体中的各组分直接确定主体中的各组分直接确定(-(-r rA A),),不便于使用不便于使用,需要进需要进一步处理一
18、步处理.以一级不可逆反应以一级不可逆反应ABAB为例为例,(-,(-r rA A)=)=k k(c cA,SA,S-c cA A*)式中式中c cA A*为在操作温度为在操作温度,压力下组分压力下组分A A的平衡浓度的平衡浓度.故故f(cA,S)=c cA,SA,S-c cA A*解解c cA,SA,S出出,代入速度方程式代入速度方程式.得得第18页，共43页，编辑于2022年，星期五 上式是一级可逆反应的宏观反应速率方程式或宏观动上式是一级可逆反应的宏观反应速率方程式或宏观动力学模型，它描述了总反应速度与其影响的关系式。式中力学模型，它描述了总反应速度与其影响的关系式。式中 表示外扩散阻力，
19、表示外扩散阻力，表示内扩散阻力表示内扩散阻力,cA-cA*表示反应过程的推动力。表示反应过程的推动力。可以判断过程的控制阶段：可以判断过程的控制阶段：时，时，可以忽略不计，总反应过程为外扩散控制。可以忽略不计，总反应过程为外扩散控制。第19页，共43页，编辑于2022年，星期五在工业催化反应器中，由于存在着温度分布、浓度分布在工业催化反应器中，由于存在着温度分布、浓度分布和压力分布，在不同和压力分布，在不同“空间空间”甚至不同甚至不同“时间时间”可能会有可能会有不同的控制阶段。不同的控制阶段。(-(-r rA A)=)=k kS SS SI I(c cA A-c cA A*)总反应过程属动力学
20、控制。总反应过程属动力学控制。当当时时,如果如果1说明说明总反应过程属内扩散控制。这种情况通总反应过程属内扩散控制。这种情况通常发生在主气流速度足够大常发生在主气流速度足够大,催化剂的活性和颗粒都比催化剂的活性和颗粒都比较大的时候较大的时候.1/kgSe可以忽略不计可以忽略不计,当当时时,当当=1说明说明外扩散和内扩散外扩散和内扩散均均可忽略可忽略,可以变为可以变为。第20页，共43页，编辑于2022年，星期五 固定床反应器的主要优点是固定床反应器的主要优点是床层内流体的流动接近活塞流，床层内流体的流动接近活塞流，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力，可用较少量的催化剂和较小
21、的反应器容积获得较大的生产能力，较高的选择性。结构简单、操作方便、催化剂机械磨损小。较高的选择性。结构简单、操作方便、催化剂机械磨损小。2固定床催化反应器固定床催化反应器 固定床反应器有三种基本形式：固定床反应器有三种基本形式：绝热式、对外换热绝热式、对外换热式和自热式反应器式和自热式反应器。固定床反应器主要缺点是固定床反应器主要缺点是传热能力差，在操作过程传热能力差，在操作过程中，催化剂不能更换中，催化剂不能更换。流体通过静止不动的固体催化剂或反应物床层而进行反流体通过静止不动的固体催化剂或反应物床层而进行反应的装置称作固定床反应器。应的装置称作固定床反应器。第21页，共43页，编辑于202
22、2年，星期五 简单绝热反应器的结构简单，如图简单绝热反应器的结构简单，如图623所示。它适用所示。它适用于反应的热效应较小，反应过程对温度的变化不敏感及副反于反应的热效应较小，反应过程对温度的变化不敏感及副反应较少的简单反应。例如，乙烯水合生产乙醇反应。应较少的简单反应。例如，乙烯水合生产乙醇反应。简单绝热式反应器具有结构简单，气体分布均匀，反简单绝热式反应器具有结构简单，气体分布均匀，反应空间利用率高和造价便宜等优点。其缺点是反应器轴向应空间利用率高和造价便宜等优点。其缺点是反应器轴向温度分布很不均匀，不适用于热效应大的反应。温度分布很不均匀，不适用于热效应大的反应。（1）绝热式反应器）绝热
23、式反应器 该类反应器不与外界进行任何热量交换。对于放该类反应器不与外界进行任何热量交换。对于放热反应，反应过程中所放出的热量完全用来加热系统热反应，反应过程中所放出的热量完全用来加热系统内的物料。内的物料。第22页，共43页，编辑于2022年，星期五 为了克服简单绝热式反应器的缺点，把催化剂层分成为了克服简单绝热式反应器的缺点，把催化剂层分成数层，如图数层，如图624所示。所示。第23页，共43页，编辑于2022年，星期五其特点是在反应区进行热交换。载热体或冷却剂是根其特点是在反应区进行热交换。载热体或冷却剂是根据反应温度、反应热效应、操作情况以及过程对温度波据反应温度、反应热效应、操作情况以
24、及过程对温度波动的敏感性来选择。催化剂的颗粒直径不得超过管内径动的敏感性来选择。催化剂的颗粒直径不得超过管内径的的18，一般采用直径为，一般采用直径为26 mm的颗粒。的颗粒。对外换热的列管式反应器的优点是传热效果好，容易保对外换热的列管式反应器的优点是传热效果好，容易保证温度均匀一致。其缺点是结构比较复杂，不易在高压下操证温度均匀一致。其缺点是结构比较复杂，不易在高压下操作。作。（2）对外换热列管式反应器）对外换热列管式反应器第24页，共43页，编辑于2022年，星期五第25页，共43页，编辑于2022年，星期五 在反应区用原料气体加热或冷却催化剂层的一类反在反应区用原料气体加热或冷却催化剂
25、层的一类反应器。合成氨和二氧化硫的氧化中广泛应用这类反应器。应器。合成氨和二氧化硫的氧化中广泛应用这类反应器。图图626是自热式双套管催化床反应器的主要部分示意图。是自热式双套管催化床反应器的主要部分示意图。（3）非绝热自热式列管反应器）非绝热自热式列管反应器3流化床催化反应器流化床催化反应器 流化床反应器是利用气体自下而上通过团体颗粒流化床反应器是利用气体自下而上通过团体颗粒层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气团相反层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气团相反应的装置。应的装置。流化床催化反应器亦有多种类型，各适用于不同的反应。流化床催化反应器亦有多种类型，各适用于不同的反应。一些常用
26、的型式见图一些常用的型式见图627。第26页，共43页，编辑于2022年，星期五第27页，共43页，编辑于2022年，星期五 双体流化床双体流化床 由反应器和再生器两部分组成。反应器内进由反应器和再生器两部分组成。反应器内进行催化反应，再生器内使催化剂恢复活性。它适用于催化剂易行催化反应，再生器内使催化剂恢复活性。它适用于催化剂易于失活的场合，例如石油产品的催化裂化就可用这类反应器。于失活的场合，例如石油产品的催化裂化就可用这类反应器。设有内部构件的流化床设有内部构件的流化床 床内设有换热管式挡板，或两床内设有换热管式挡板，或两者兼而有之的密相流化床。这是流化床应用最广泛的一种者兼而有之的密相
27、流化床。这是流化床应用最广泛的一种形式，例如奈的氧化生产苯酐和丙烯睛的合成等都采用这形式，例如奈的氧化生产苯酐和丙烯睛的合成等都采用这类反应器。类反应器。自由床自由床 流化床内除分布板和旋风分离器外，没有其它流化床内除分布板和旋风分离器外，没有其它构件。床中催化剂被反应气体密相流化。例如乙炔与醋酸构件。床中催化剂被反应气体密相流化。例如乙炔与醋酸生成醋酸乙烯所用的反应器。生成醋酸乙烯所用的反应器。第28页，共43页，编辑于2022年，星期五 流化床它与固定床相比，具有以下优点：流化床它与固定床相比，具有以下优点：可以使用粒度很小的固体颗粒，有利于消除内扩可以使用粒度很小的固体颗粒，有利于消除内
28、扩散阻力，充分发挥催化剂表面利用率；散阻力，充分发挥催化剂表面利用率；由于颗粒在流体中处于运动状态，颗粒与流体接口由于颗粒在流体中处于运动状态，颗粒与流体接口不断搅动，接口不断更新，颗粒湍动程度增加，因而其传不断搅动，接口不断更新，颗粒湍动程度增加，因而其传热系数比固定床大得多，当大量反应热放出时，能够很快热系数比固定床大得多，当大量反应热放出时，能够很快传出；传出；在催化剂必须定期再生，特别是催化剂活性消失很快在催化剂必须定期再生，特别是催化剂活性消失很快而需及时进行再生的情况下，具有优越性。而需及时进行再生的情况下，具有优越性。第29页，共43页，编辑于2022年，星期五 气因流化床中，少
29、量气体以气泡形式通过床层，气团接气因流化床中，少量气体以气泡形式通过床层，气团接触严重不均，导致气体反应很不完全，其转化率往往比全混触严重不均，导致气体反应很不完全，其转化率往往比全混流反应器还低；流反应器还低；固体颗粒的运动方式接近全混流，停留时间相差很固体颗粒的运动方式接近全混流，停留时间相差很大，对固相加工过程，会造成固相转化率不均匀；大，对固相加工过程，会造成固相转化率不均匀；固体颗粒间以及颗粒和器壁间的磨损会产生大量细粉，固体颗粒间以及颗粒和器壁间的磨损会产生大量细粉，被气体夹带而出，造成催化剂的损失和环境污染，必须设置被气体夹带而出，造成催化剂的损失和环境污染，必须设置旋风分离器等
30、颗粒回收装置；旋风分离器等颗粒回收装置；流化床反应器的放大远较固定床反应器困难。流化床反应器的放大远较固定床反应器困难。流化床反应器也存在一些严重的缺点：流化床反应器也存在一些严重的缺点：第30页，共43页，编辑于2022年，星期五 小小 结结 本章以恒温、等容、均相反应器为例，从理想流动本章以恒温、等容、均相反应器为例，从理想流动模型入手，介绍了活塞流反应器、全混流反应器等理想模型入手，介绍了活塞流反应器、全混流反应器等理想反应器的特点及计算，并引入返混概念，在此基础上，反应器的特点及计算，并引入返混概念，在此基础上，比较和分析了各种理想反应器的流动状况对生产能力、比较和分析了各种理想反应器
31、的流动状况对生产能力、反应的选择性的影响，从而对选择适宜反应器、强化生反应的选择性的影响，从而对选择适宜反应器、强化生产、优化反应提供了途径。产、优化反应提供了途径。工业反应器是大规模化学反应过程进行的场所，其工业反应器是大规模化学反应过程进行的场所，其结构型式和操作方式及流体在它里面的流动状况都直接结构型式和操作方式及流体在它里面的流动状况都直接影响着产品的质量和产量。影响着产品的质量和产量。第31页，共43页，编辑于2022年，星期五 对非理想流动反应器，其偏离理想流动对非理想流动反应器，其偏离理想流动(返混返混)的程度采用的程度采用停留时间分布表征，它的设计计算也像理想反应器一样从建模停
32、留时间分布表征，它的设计计算也像理想反应器一样从建模开始。实际反应器的建模思路是：研究实际反应器的流动状况开始。实际反应器的建模思路是：研究实际反应器的流动状况和传递规律，设想非理想流动模型，导出该模型参数与停留时和传递规律，设想非理想流动模型，导出该模型参数与停留时间分布的定量关系，然后通过实验测定停留时间分布确定模型间分布的定量关系，然后通过实验测定停留时间分布确定模型参数，再从若干可能的模型中筛选出最能反映实际情况而参数参数，再从若干可能的模型中筛选出最能反映实际情况而参数又少的模型又少的模型(检验模型检验模型)供设计计算。供设计计算。反应器计算的思路是：研究反应器的流动状况，建立流反应
33、器计算的思路是：研究反应器的流动状况，建立流动模型动模型(对等温反应器借助物料衡算对等温反应器借助物料衡算)，结合反应器内的动，结合反应器内的动力学模型，获得反应器的数学模型，再根据已知条件使用模力学模型，获得反应器的数学模型，再根据已知条件使用模型进行计算。型进行计算。第32页，共43页，编辑于2022年，星期五 气固相催化反应器在化工生产中有着广泛的应用，其中气固相催化反应器在化工生产中有着广泛的应用，其中进行的气固相催化反应过程较之均相反应具有复杂性，但气进行的气固相催化反应过程较之均相反应具有复杂性，但气固相催化反应器的设计计算与均相反应器的设计计算的思路固相催化反应器的设计计算与均相
34、反应器的设计计算的思路却是相同的。本章仅就气固相催化反应过程的特点和气团相却是相同的。本章仅就气固相催化反应过程的特点和气团相催化反应器的结构特征进行了介绍，若有进一步的学习需要，催化反应器的结构特征进行了介绍，若有进一步的学习需要，读者可参考有关专著读者可参考有关专著.化学反应工程学的框架及其相互联系，可用下图表示：化学反应工程学的框架及其相互联系，可用下图表示：第33页，共43页，编辑于2022年，星期五第34页，共43页，编辑于2022年，星期五气固相催化反应通常在固定床反应器、流化床反应器和移动床反应器中进行。一、固定床反应器一、固定床反应器气体反应物通过静止不同的固体催化剂所形成的固
35、定床层而进行反应的装置称作固定床反应器。表XX列出了一些主要的固定床催化反应过程。第五节第五节 气气固相催化反应器概述固相催化反应器概述第35页，共43页，编辑于2022年，星期五第五节第五节 气气固相催化反应器概述固相催化反应器概述表表XX XX 主要固定床催化反主要固定床催化反应过应过程程基本化学工业石油化学工业烃类水蒸气转化一氧化碳变换一氧化碳甲烷化氨合成二氧化硫氧化甲醇合成催化重整 异构化二氯化烷 醋酸乙烯酯丁二烯 顺酐苯酐 环已烷苯乙烯 加氢脱烷基第36页，共43页，编辑于2022年，星期五固定床反应器的主要优点是床层内流体的流动接近活塞流，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较
36、大的生产能力，当伴有串联副反应时，可获得较高的选择性。此外，结构简单、操作方便、催化剂机械磨损小，因而固定床反应器获得了广泛应用。固定床反应器有三种基本形式：绝热式、多段绝热式和列管（多管）式。第五节第五节 气气固相催化反应器概述固相催化反应器概述第37页，共43页，编辑于2022年，星期五1、绝绝热热式式固固定定床床反反应应器器尚可分为轴向反应器和径向反应器。轴向绝热式固定床反应器，如图XX所示。这种反应器结构最简单，它实际上就是一个容器，催化剂均匀堆置于床内，预热到一定温度的反应物料自上而下流过床层进行反应，床层同外界无热交换。径向绝热式固定床反应器，如图XX所示。径向反应器的结构较轴向反
37、应器复杂，催化剂装载于两个同心圆构成的环隙中，流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动。径向反应器的优点是流体流过的距离较短，流道截面积圈套，床层阻力降较小。径向反应器适用于要求气流通道截面大，但床层较薄。这时如采用轴向床，反应器直径将过于庞大，气流均布也有困难。第五节第五节 气气固相催化反应器概述固相催化反应器概述第38页，共43页，编辑于2022年，星期五第五节第五节 气气固相催化反应器概述固相催化反应器概述第39页，共43页，编辑于2022年，星期五2、多多段段绝绝热热式式固固定定床床反反应应器器系由多个绝热床组成，段间可以进行间接换热，或直接引入气体反应物（或惰性组分）以控制反应器
38、内的轴向温度分布。图XX是用于SO2转化的多段绝热反应器，段间引入冷空气进行冷激。对于这类可逆放热反应过程，可通过段间换热形成先高后低的温度序列利于提高转化率。第五节第五节 气气固相催化反应器概述固相催化反应器概述第40页，共43页，编辑于2022年，星期五第五节第五节 气气固相催化反应器概述固相催化反应器概述第41页，共43页，编辑于2022年，星期五3、列列管管式式固固定定床床反反应应器器，如图XX所示。这种反应器由多根管径通常为2530的反应管并联构成，管数可能多达万根以上。管内（或管间）装催化剂，载热体流经管间（或管内）进行加热或冷却。此外，还可将上述基本形式的反应器相互串联，反应器之间设换热器或补充物料调节一下反应器的入口温度，但也有将列管式反应器和绝热式的反应器互相组合的。第五节第五节 气气固相催化反应器概述固相催化反应器概述第42页，共43页，编辑于2022年，星期五第五节第五节 气气固相催化反应器概述固相催化反应器概述第43页，共43页，编辑于2022年，星期五