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4、氣固相催化反應(yīng)器 packed bed catalytic reactor 4、氣固相催化反應(yīng)器 4.1 氣固相催化反應(yīng)器的基本類型和結(jié)構(gòu) 固定床反應(yīng)器的類型與結(jié)構(gòu) 流化床反應(yīng)器的類型與結(jié)構(gòu) 氣固相催化反應(yīng)器的特點(diǎn) 4.2 固定床反應(yīng)器 固定床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng) 固定床反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱 固定床反應(yīng)器的日常運(yùn)行與操作 4.3 流化床反應(yīng)器 流化床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng) 流化床反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱 流化床反應(yīng)器的日常運(yùn)行與操作 4.1 氣固相催化反應(yīng)器的基本類型和結(jié)構(gòu) 一、固定床反應(yīng)器的類型與結(jié)構(gòu) （一）絕熱式固定床反應(yīng)器 1、單段絕熱式 一、固定床反應(yīng)器的類型與結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)器生產(chǎn)能力大，但反應(yīng)過程中溫度變化較大。 適用： 反應(yīng)熱效應(yīng)不大，反應(yīng)過程允許 溫度有較寬變動(dòng)范圍的反應(yīng)過程； 熱效應(yīng)較大的反應(yīng)只要對反應(yīng)溫度不很敏感或是反應(yīng)速率非常快的過程，有時(shí)也使用這種類型的反應(yīng)器。 一、固定床反應(yīng)器的類型與結(jié)構(gòu) 一、固定床反應(yīng)器的類型與結(jié)構(gòu) 一、固定床反應(yīng)器的類型與結(jié)構(gòu) 一、固定床反應(yīng)器的類型與結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)及適用： 多段絕熱式彌補(bǔ)了單段絕熱式的不足； 冷激式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，便于裝卸催化劑，內(nèi)無冷管，避免由于少數(shù)冷管損壞而影響操作，特別適用于大型催化反應(yīng)器。 一、固定床反應(yīng)器的類型與結(jié)構(gòu) 一、固定床反應(yīng)器的類型與結(jié)構(gòu) 管徑：一般為25～50mm的管子，但不小于25mm。 催化劑粒徑：應(yīng)小于管徑的8倍，通常固定床用的粒徑約為2～6mm，不小于1.5mm。 傳熱所用的熱載體： 沸水可以用于100℃～300℃的溫度范圍。 聯(lián)苯與聯(lián)苯醚的混合物以及以烷基萘為主的石油餾分能用于200～350℃的范圍。 無機(jī)熔鹽(硝酸鉀，硝酸鈉及亞硝酸鈉的混合物)可用于300～400℃的情況。 對于600～700℃左右的高溫反應(yīng)，只能用煙道氣作為熱載體。 一、固定床反應(yīng)器的類型與結(jié)構(gòu) 一、固定床反應(yīng)器的類型與結(jié)構(gòu) 一、固定床反應(yīng)器的類型與結(jié)構(gòu) 一、固定床反應(yīng)器的類型與結(jié)構(gòu) （三）徑向固定床反應(yīng)器 二、流化床反應(yīng)器的類型與結(jié)構(gòu) （一）流化床反應(yīng)器的分類 （一）流化床反應(yīng)器的分類 （二）流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu) 1、流化床反應(yīng)器主體 錐底 濃相段 稀相段 擴(kuò)大段 2、氣體分布裝置 3、內(nèi)部構(gòu)件 檔板和檔網(wǎng) 4、換熱裝置 5、氣固回收裝置 三、氣固相催化反應(yīng)器的特點(diǎn) （一）固定床反應(yīng)器的特點(diǎn) 三、氣固相催化反應(yīng)器的特點(diǎn) （二）流化床反應(yīng)器的特點(diǎn) 復(fù)習(xí) 固定床反應(yīng)器 絕熱式 單段絕熱式 多段絕熱式 換熱式 對外式 自熱式 徑向反應(yīng)器 流化床反應(yīng)器 類型 單器和雙器 自由床和限制床 結(jié)構(gòu) 主體 氣體分布裝置 內(nèi)部構(gòu)件 換熱裝置 氣固分離裝置 思考 下列反應(yīng)特征的選固定床還是 流化床反應(yīng)器？ 反應(yīng)熱效應(yīng)很大 反應(yīng)對返混敏感 反應(yīng)需要溫度分布 催化劑強(qiáng)度差 4.2 固定床反應(yīng)器 fixed bed reactor 在固定床中進(jìn)行催化反應(yīng)，流體必須進(jìn)行流動(dòng)；催化反應(yīng)的同時(shí)還會(huì)進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱過程；二者互相影響。 流體流動(dòng)、傳質(zhì)、傳熱過程會(huì)影響床層中的濃度、溫度分布，最終將影響反應(yīng)過程，因此必須了解這些過程。 4.2.1 固定床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng) 一、空隙率 二、流體在固定床中的流動(dòng)特性 三、流體流過固定床層的壓力降 4.2.2 固定床反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱 一、固定床中的傳質(zhì) 二、固定床中的傳熱 4.2.1 固定床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng) 一、空隙率 固定床內(nèi)流體是通過催化劑顆粒構(gòu)成的床層而流動(dòng)，了解催化劑床層的性質(zhì)很必要。 空隙率是床層的重要特性之一，對流體通過床層的壓力降、床層的有效導(dǎo)熱系數(shù)等都有重大的影響。 一、空隙率 1、空隙率的含義 ε ：催化劑床層的空隙體積與催化劑床層總 體積之比。 2、影響空隙率的因素 3、壁效應(yīng) 由于器壁的存在對ε分布造成的這種影響及由此造成對流體流動(dòng)、傳質(zhì)和傳熱的影響，稱為壁效應(yīng)。 壁效應(yīng)產(chǎn)生出床層徑向截面上流速、溫度及反應(yīng)速率都不均勻，惡化了反應(yīng)器的操作性能。 dt/dp越大，壁效應(yīng)的影響越小，一般工程上認(rèn)為當(dāng)達(dá)8時(shí)，可不計(jì)壁效應(yīng)。但是當(dāng)dt/dp<8時(shí)，必須考慮壁效應(yīng)的影響。 舉例：管式催化床內(nèi)直徑一般為25-40mm，而催化劑顆粒直徑一般為5-8mm，即管徑與催化劑顆粒直徑比相當(dāng)小，此時(shí)壁效應(yīng)對床層中徑向空隙率分布和徑向流速分布及催化反應(yīng)性能的影響必須考慮。 二、流體在固定床中的流動(dòng)特性 1、流動(dòng)特性 二、流體在固定床中的流動(dòng)特性 在床層徑向，空隙率分布的不均勻造成了流速分布不均勻（不同于空管）。 流速的不均勻造成物料停留時(shí)間和傳熱情況不均勻性，最終影響反應(yīng)結(jié)果。 二、流體在固定床中的流動(dòng)特性 流體在流動(dòng)過程中由于本身的湍流、對顆粒的撞擊、繞行及孔道的縮小或擴(kuò)大，使得流體不斷分散和匯合。而這種混合擴(kuò)散現(xiàn)象并非各向同性，從而造成徑向、軸向混合同時(shí)存在。 2、固定床流體流動(dòng)模型 流體流動(dòng)由兩部分合成： 一部分為流體以平均流速沿軸向作理想置換式流動(dòng)； 另一部分為流體的徑向和軸向的混和擴(kuò)散 ，包括分子擴(kuò)散（滯流時(shí)）和渦流擴(kuò)散（湍流時(shí)）。根據(jù)不同的混合擴(kuò)散程度，進(jìn)行疊加。 三、 流體流過固定床層的壓力降 1、壓力降產(chǎn)生原因 （1）摩擦阻力：由于流體與顆粒表面之間的摩 擦產(chǎn)生。 （2）局部阻力：流體在孔道內(nèi)的收縮、擴(kuò)大 及再分布所引起的。 低流速時(shí)，摩擦阻力為主； 高流速及薄床層中流動(dòng)時(shí)，以局部阻力為 主。 2、影響固定床壓力降的因素 （1）屬于流體的：氣流速度★、流體的粘度、 密度等物理性質(zhì)。 流體的物理性質(zhì)是由操作工藝確定的； 降低氣流速度，可以降低床層壓降。 （2）屬于床層的 床層的高度、床層空隙率和顆粒特性如形狀、粒度等 （3）當(dāng) dt/dp 小于8時(shí)，壁效應(yīng)對壓降的影響不容忽視。 生產(chǎn)中由于流體的壓頭有限，一般固定床中的壓降不宜超過床內(nèi)壓力的15%。 三、 流體流過固定床層的壓力降 壓力降過大對反應(yīng)的影響： 影響生產(chǎn)能力； 影響床層中的濃度和溫度分布； 增加動(dòng)力消耗。 降低壓降的方法：降低流速、增大空隙率、減小床層高度、增加催化劑顆粒直徑等。 固定床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng) 小結(jié)： 1、關(guān)于空隙率 存在壁效應(yīng)，床徑與粒徑之比大于8可忽略； 2、關(guān)于固定床中的流體流動(dòng) 流動(dòng)模型由兩部分合成：沿軸向作理想置換式流動(dòng) 徑向和軸向的混和擴(kuò)散 3、關(guān)于床層壓降 壓降產(chǎn)生原因：摩擦阻力和局部阻力； 影響壓降因素：氣體流速和空隙率的影響顯著； 一般固定床中的壓降不宜超過床內(nèi)壓力的15% 4.2.2 固定床反應(yīng)器內(nèi)的 傳質(zhì)與傳熱 一、 固定床中的傳質(zhì) 固定床反應(yīng)器中的傳質(zhì)過程包括外擴(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散和床層內(nèi)的混合擴(kuò)散。 一、 固定床中的傳質(zhì) 1、外擴(kuò)散過程 固定床一般都在較高流速下操作，主流體與催化劑外表面之間的壓差很小，因此，外擴(kuò)散的影響可以忽略。 2、內(nèi)擴(kuò)散過程 催化劑微孔內(nèi)的擴(kuò)散對反應(yīng)速率影響很大。反應(yīng)物進(jìn)入微孔后，邊擴(kuò)散邊反應(yīng)。擴(kuò)散速率與反應(yīng)速率的大小，進(jìn)行如下方法判別。 （1）催化劑有效系數(shù)進(jìn)行判別 當(dāng)η≈1時(shí)，反應(yīng)過程為動(dòng)力學(xué)控制； 當(dāng)η＜1時(shí)，反應(yīng)過程為內(nèi)擴(kuò)散控制。 實(shí)際生產(chǎn)中采用的催化劑，其有效系數(shù)為0.01～1�？赏ㄟ^實(shí)驗(yàn)測定。 （2）內(nèi)擴(kuò)散對反應(yīng)的影響 影響反應(yīng)速率 影響復(fù)雜反應(yīng)的選擇性 舉例：平行反應(yīng)中，對于反應(yīng)速率快、級(jí)數(shù)高的反應(yīng)， 內(nèi)擴(kuò)散阻力的存在將降低其選擇性。 連串反應(yīng)以中間產(chǎn)物為目的產(chǎn)物時(shí)，深入到微孔中 去的擴(kuò)散將增加中間產(chǎn)物進(jìn)一步反應(yīng)的機(jī)會(huì)而降低 其選擇性。 （3）改善內(nèi)擴(kuò)散影響的措施 制造孔徑較大的催化劑 改變催化劑工程結(jié)構(gòu) 如：雙孔結(jié)構(gòu)的催化劑； 表面薄層催化劑 3、床層內(nèi)的混合擴(kuò)散 流體流經(jīng)固定床時(shí)徑向、軸向混合同時(shí)存在。 當(dāng)反應(yīng)器長度和催化劑粒徑之比大于100時(shí)，軸向混合影響可忽略不計(jì)。 1、徑向傳熱過程分析（以換熱式反應(yīng)器進(jìn)行放熱反應(yīng)為例） 二、 固定床中的傳熱 簡化處理： （1）催化劑顆粒等溫 （2）忽略催化劑表面和流體間的溫度差。 以床層的平均溫度與管壁溫差為推動(dòng)力-----相應(yīng)采用床層對壁給熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。 若要了解床層徑向溫度分布，必須采用床層有效導(dǎo)熱系數(shù)和表面壁膜給熱系數(shù)相結(jié)合計(jì)算。 2、列管式固定床反應(yīng)器的軸向溫度分布（強(qiáng)放熱反應(yīng)） 二、 固定床中的傳熱 一般沿軸向溫度分布都有一最高溫度——熱點(diǎn)。 熱點(diǎn)以前，放熱速率大于移熱速率，出現(xiàn)軸向床層溫度升高； 熱點(diǎn)以后，恰恰相反，沿床層溫度逐漸降低。 熱點(diǎn)溫度過高，使反應(yīng)選擇性降低，催化劑變劣，甚至使反應(yīng)失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生飛溫。 二、 固定床中的傳熱 為降低熱點(diǎn)溫度，減少軸向溫差，工業(yè)上從工藝上采取措施，其思路是調(diào)整放熱速率或移熱速率。 固定床反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱 小結(jié)： 傳質(zhì)過程包括 外擴(kuò)散 內(nèi)擴(kuò)散 徑向和軸向混合擴(kuò)散 徑向、軸向都存在濃度分布 徑向傳熱過程包括 粒內(nèi)傳熱 顆粒與流體的傳熱 床層與器壁的傳熱 徑向、軸向都存在溫度分布 思考題 4.3 流化床反應(yīng)器 fluidized reactor 一、流化床層中流體的流動(dòng) 1、 流態(tài)化的形成 一、流化床層中流體的流動(dòng) 2、 散式流化和聚式流化 2、散式流化和聚式流化 顆粒與流體之間的密度差是散式流化和聚式流化之間的主要區(qū)別。一般認(rèn)為液固流化為散式流化，而氣固流化為聚式流化。 3、流化床的壓降與流速 3、流化床的壓降與流速（2）實(shí)際流化床的壓降與流速 3、流化床的壓降與流速（3）實(shí)際流化床與理想流化床差異的原因 4、流化床中常見的異常現(xiàn)象及處理方法（1）溝流 4、流化床中常見的異常現(xiàn)象及處理方法（2）大氣泡 4、流化床中常見的異常現(xiàn)象及處理方法（3）騰涌 4、流化床中常見的異常現(xiàn)象及處理方法（4）觀察壓降變化判斷流化質(zhì)量 1、流化床中的氣泡及其行為 1、流化床中的氣泡及其行為 1、流化床中的氣泡及其行為 2、流化床反應(yīng)器的傳質(zhì) 2、流化床反應(yīng)器的傳質(zhì)   復(fù)習(xí)題 1、CSTR、PFR的特點(diǎn) 2、N—CSTR的優(yōu)點(diǎn) 3、圖解法求N—CSTR 的步驟 4、CSTR、N—CSTR、PFR的有效體積的計(jì)算 5、何謂連續(xù)操作釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性?符合什么條件的操作點(diǎn)為穩(wěn)定操作點(diǎn)?結(jié)合圖3-16分析說明五個(gè)操作點(diǎn)中哪個(gè)為最佳操作點(diǎn)。 6、半間歇操作有哪幾種操作方式？分別適應(yīng)于什么反應(yīng)情況？ 7、化學(xué)反應(yīng)過程優(yōu)化的含義，化學(xué)反應(yīng)過程的優(yōu)化包括哪兩種類型？ 8、對簡單反應(yīng)和復(fù)雜反應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)分別是什么？ 9、nCSTR組合反應(yīng)器的優(yōu)化方案 10、自催化反應(yīng)的含義、其反應(yīng)速率有何規(guī)律？當(dāng)自催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率要求較高時(shí)，反應(yīng)器的優(yōu)化方案？ 11、復(fù)雜反應(yīng)的選擇性比較 平行反應(yīng)：會(huì)分析溫度效應(yīng)、濃度效應(yīng);為提高產(chǎn)物的選擇性，如何選擇反應(yīng)器型式及相應(yīng)的操作方式 連串反應(yīng)：會(huì)分析溫度、濃度要求及相應(yīng)反應(yīng)器型式的選擇 12、氣固相催化反應(yīng)器有哪幾類？各有什么特點(diǎn)？如何根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)選擇反應(yīng)器？ 13、固定床反應(yīng)器分為哪幾種類型？各有何特點(diǎn)？如何根據(jù)化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的情況選擇不同型式的固定床反應(yīng)器？ 14、影響床層空隙率的因素有哪些？如何影響？ 15、什么叫壁效應(yīng)，工程上如何消除？ 16、流體在固定床反應(yīng)器中的流動(dòng)特性是什么？ 17、引起固定床床層壓降的原因？有哪些因素影響壓降？工程上對壓降有何要求？如何降低床層壓降？ 18、氣固相傳質(zhì)過程有哪些？在什么情況下哪些傳質(zhì)過程可以忽略？ 19、如何判斷內(nèi)擴(kuò)散過程？內(nèi)擴(kuò)散對反應(yīng)有何影響？如何改善內(nèi)擴(kuò)散的影響？ 20、固定床徑向溫度分布的情況？徑向傳熱過程的步驟？當(dāng)僅要求計(jì)算傳熱面積時(shí)如何簡化？ 21、固定床軸向溫度分布情況？熱點(diǎn)對反應(yīng)有何影響？如何降低熱點(diǎn)？ 22、隨氣速不同，流化床經(jīng)歷哪三個(gè)階段？ 23、有哪兩種流化態(tài)？如何判斷？ 24、有哪些不正常流化現(xiàn)象？如何判斷床層中出現(xiàn)了不正常流化現(xiàn)象？可采取哪些措施改善流化質(zhì)量？ 25、流化床反應(yīng)器中的傳質(zhì)和傳熱過程？BNb紅軟基地

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