1、7. 多相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析 許多重要的化學(xué)產(chǎn)品如氨、硫酸、硝酸、甲醇、甲醛、氯乙烯及丙烯脂等，都是通過(guò)多相催化反應(yīng)而合成得到的。石油煉制和其他能源工業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品深度加工的主要方法，也是通過(guò)多相催化，如催化裂化、催化重整等。當(dāng)今環(huán)境保護(hù)問(wèn)題日趨嚴(yán)重，工業(yè)廢氣的污染廣泛為人們所關(guān)注，多相催化為處理工業(yè)廢氣的方法之一，典型的例子是汽車尾氣凈化器。總之，催化反應(yīng)廣泛用于各個(gè)工業(yè)部門和環(huán)境保護(hù)，據(jù)統(tǒng)計(jì)工業(yè)化學(xué)反應(yīng)約有80%左右屬于催化反應(yīng)。 17.1 固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象7.1.1固定床內(nèi)的流體流動(dòng)床層空隙率：?jiǎn)挝惑w積床層內(nèi)的空隙體積（未被催化劑占據(jù)的體積，不含催化劑顆粒內(nèi)的體積） 表征床層結(jié)構(gòu)的主要

2、參數(shù)為床層空隙率，床層空隙率的大小與顆粒形狀、粒度分布、顆粒直徑與床直徑之比以及顆粒的充填方法等有關(guān)。在與器壁的距離為12倍顆粒直徑處的空隙率比其它部位的空隙率大，此即為壁效應(yīng)。 為減少壁效應(yīng)的影響，要求床層直徑至少要大于顆粒直徑的8倍以上。2床層空隙率3床層阻力降流體流過(guò)固定床時(shí)所產(chǎn)生的壓力損失主要來(lái)自兩方面:一方面是由于顆粒的粘滯曳力，即流體與顆粒表面間的摩擦;另一方面是由于流體流動(dòng)過(guò)程中孔道截面積突然擴(kuò)大和收縮，以及流體對(duì)顆粒的沖擊及流體的再分布而產(chǎn)生。 流體在固定床中的流動(dòng)，與空管中的流體流動(dòng)相似，只是流道不規(guī)則而已。故此可將管中流體流動(dòng)的壓力降計(jì)算公式修正后用于固定床。4床層阻力降下

3、式為常用的固定床壓力降計(jì)打公式：式中顆粒直徑按與顆粒比外表面積當(dāng)直徑計(jì)算。摩擦系數(shù)f與雷諾數(shù)的關(guān)系如下 ：5床層阻力降當(dāng)Re1000時(shí),流體在床層中呈湍流流動(dòng)，摩擦系數(shù)近似等于1.75。 床層壓力降影響最大的是床層的空隙率和流體的流速，兩者稍有增加,都可使壓力降產(chǎn)生較大的變化。所以，想方設(shè)法使床層的空隙增大至關(guān)重要。 由公式計(jì)算得到的壓力降一般是對(duì)新催化劑的預(yù)期壓力降。在催化劑使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生破損和粉化現(xiàn)象，使粒度減小，空隙率降低，從而使床層阻力增加。 67.2 固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型 最常用的固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型 是一維擬均相活塞流模型。一維：只考慮流動(dòng)方向上的濃度與溫度變化。擬均相：對(duì)于

4、多相催化反應(yīng)，認(rèn)為流體主體與催化劑顆粒表面與內(nèi)部不存在濃度差溫度差。將傳遞過(guò)程的影響歸于一個(gè)催化劑活性校正系數(shù)。活塞流：流體在固定床內(nèi)的流動(dòng)狀況與活塞流十分接近，因之可采用活塞流模型。 7固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型反應(yīng)器設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的宏觀動(dòng)力學(xué)方程是用本征動(dòng)力學(xué)方程與催化劑活性校正系數(shù)的乘積代之。催化劑活性校正系數(shù)校正的內(nèi)容有： 外擴(kuò)散的影響、內(nèi)擴(kuò)散的影響、催化劑中毒情況、催化劑還原情況、催化劑的衰老情況等。根據(jù)該模型，即可建立固定床反應(yīng)器的物料衡算方程與熱量衡是方程。根據(jù)方程便可對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行分析與計(jì)算。873 絕熱式固定床反應(yīng)器 固定床絕熱反應(yīng)器有單段與多段之分。所謂單段絕熱反應(yīng)器，是指反應(yīng)物

5、料在絕熱情況下只反應(yīng)一次;而多段則是多次在絕熱條件下進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)一次之后經(jīng)過(guò)換熱以滿足所需的溫度條件，再進(jìn)行下一次的絕熱反應(yīng)。每反應(yīng)一次，稱為一段，一個(gè)反應(yīng)器可做成一段，也可以將數(shù)段合并在一起組成一個(gè)多段反應(yīng)器。9絕熱式固定床反應(yīng)器 單段絕熱反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；空間利用率高；造價(jià)低。但是，對(duì)于一些熱效應(yīng)大的反應(yīng)，由于溫升過(guò)大，反應(yīng)器出口溫度可能會(huì)超過(guò)允許的溫度。對(duì)于可逆放熱反應(yīng)，反應(yīng)器的軸向溫度分布會(huì)遠(yuǎn)離最佳溫度分布，從而造成反應(yīng)器的生產(chǎn)能力降低，甚至?xí)捎诨瘜W(xué)平衡的限制而使反應(yīng)器出口達(dá)不到所要求的轉(zhuǎn)化率。因此，單段絕熱反應(yīng)器的使用受到了一些限制，單段絕熱反應(yīng)器適用于下列場(chǎng)合： (1)反應(yīng)

6、熱效應(yīng)較小的反應(yīng)，(2)溫度對(duì)目的產(chǎn)物收率影響不大的反應(yīng);(3)雖然反應(yīng)熱效應(yīng)大，但單程轉(zhuǎn)化率較低的反應(yīng)或者有大量惰性物料存在，使反應(yīng)過(guò)程中溫升小的反應(yīng)， 10絕熱式固定床反應(yīng)器多段絕熱反應(yīng)器多用以進(jìn)行放熱反應(yīng)，適用于以下反應(yīng)：（1）反應(yīng)熱效應(yīng)大； （2）有最佳操作溫度； （3）單程轉(zhuǎn)化率高。按段間換熱方式不同分為以下三類：（1）間接換熱式； (2）原料氣冷激式；（3）非原料氣冷激式。后兩類又可總稱為直接換熱式。該類型反應(yīng)器示意圖如下圖所示：11絕熱式固定床反應(yīng)器圖7.3多段固定床絕熱反應(yīng)器(補(bǔ)充動(dòng)畫）產(chǎn)品原料(a)(b)(c)原料產(chǎn)品原料冷激劑產(chǎn)品（a)間接換熱式；（b）原料氣冷激式；（c）

7、非原料氣冷激式12固定床絕熱反應(yīng)器的催化劑用量確定催化反應(yīng)器為完成一定的生產(chǎn)任務(wù)所需要的催化劑量，是反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容之一。如反應(yīng)器截面積一定，也就能確定催化劑床層高度。設(shè)反應(yīng)器在恒壓下進(jìn)行單一反應(yīng)，則式（7.11）可略去，聯(lián)立求解式（7.9）、式（7.10）及式（7.12），便可確定達(dá)到規(guī)定的最終轉(zhuǎn)化率所需的床層高度。由于是絕熱反應(yīng)，床層與外界沒(méi)有熱交換，式（7.10）右邊第二項(xiàng)為零，固可簡(jiǎn)化為 （7.21）13固定床絕熱反應(yīng)器的催化劑用量式（7.9）式（7.21）相除得Cpt 為反應(yīng)混合物得定壓比熱容，為溫度及組成得函數(shù)，其他物理量為常數(shù)。若以平均溫度及平均組成下的比熱容代替，則式（7.22）右邊為常數(shù)，積分之有 (7.22)（7.23）14固定床絕熱反應(yīng)器的催化劑用