釜式反应器

多相反应的分类1、按相态分：气-固、气-液、液-固、气-液-固等。2、按是否使用催化剂分：•催化反应•非催化反应3、根据化学反应进行的部位分：•在两相界面处发生反应•在一个相内发生反应•在两个相内同时发生反应本章讨论气－固催化反应，着重阐明传递现象对化学反应过程的影响。6多相系统中的化学反应与传递现象6.1多相催化反应过程步骤一、固体催化剂的宏观结构及性质1比表面积（Sg）：单位质量催化剂所具有的表面积。单位：[m2/g]。由BET法或者色谱法测定。2孔容：Vg：单位质量催化剂所具有的孔的容积。单位：[cm3/g]。3平均孔半径ra)l()l2(n,l2agagarnVrnSr个孔单位质量催化剂含，平均长度孔径假设圆柱，gVagadVrVr01ggaSVr24孔隙率：5颗粒密度：真密度：堆密度：三者都是单位体积中的固体质量，但差别在于体积计算不同。三种密度的大小顺序为：。孔＝固体体积固体质量VVptW颗粒体积固体质量p床层体积固体质量bbptpgppVVVV/W孔孔＝＝固体颗粒体积孔的体积床层空隙率：pbbpbpbVVVVV11＝床层体积颗粒间空隙体积（1）筛分法，如用40～60目筛子，然后取平均值。（2）颗粒粒度用与颗粒相当的球体直径表示。•与颗粒体积相等的球体直径•与颗粒外表面积相等的球体直径•与颗粒比外表面积相等的颗粒直径6粒度（颗粒尺寸）7形状系数ψa：为与颗粒体积相同的球体的外表面积as与颗粒的外表面积ap之比，即/psaaaΨa≤1，Ψa=1为球形。二多相催化反应过程步骤(1)反应物A由气相主体扩散到颗粒外表面(2)A由外表面向孔内扩散，到达吸附反应活动中心(3)(4)(5)依次进行A吸附，A在表面上反应生成B，产物B自表面解吸(6)B由内表面扩散到外表面(7)B由颗粒外表面扩散到气相主体图6.1多相催化反应过程步骤步骤(1)、(7)属于外扩散过程，(2)、(6)属于内扩散过程，而(3)-(5)属于表面反应过程。七个步骤：对于串联过程，存在着速率控制步骤，定态下各步骤的速率相等，且等于控制步骤的速率。由于扩散的影响，流体主体CAG、催化剂外表面反应物浓度CAS、催化剂颗粒中心CAC、平衡浓度CAe是不一样的，且CAG≥CAS≥CAC≥CAe。对反应产物，其浓度高低顺序相反：CBe≥CBC≥CBS≥CBG例6.1在半径为R的球形催化剂上，等温进行气相反应。若分别以反应物A的浓度CA和产物B的浓度CB为纵座标，径向距离r为横座标，针对下列三种情况分别绘出A和B的浓度分布示意图。（1）化学动力学控制（2）外扩散控制（3）内、外扩散的影响均不能忽略图中要示出CAG、CAS、CAC、CAe及CBG、CBS、CBC、CBe的相对位置。三扩散对多相催化反应的影响1单一反应外扩散效率因子ηx：对a级不可逆反应：表面处的反应速率外扩散无影响时颗粒外表面处的反应速率外扩散有影响时颗粒外x)(AGASAGwASwxCCCkCk1,01,0xxAGASCC时；时只考虑相间传质，不考虑相间传热和内扩散内扩散有效因子η颗粒内浓度并不均匀，总反应速率要对整个颗粒平均。的反应速率内扩散对过程无影响时的反应速率内扩散对过程有影响时LApAdZCkLr01LAspAspACkdZLZLCkr0)tanh()/cosh(coshAspAASACkrCC,内扩散无影响时，)tanh(2扩散对复合反应选择性的影响平行反应：A2DA1BCkrCkr)(DABA主αβ，SS’，不利；αβ，SS’，有利；α=β，S=S’，无影响一级不可逆连串反应：扩散对连串反应不利，使选择性降低。提高气体质量速度G，可降低外扩散阻力，消除外扩散影响。3减小扩散影响的办法epDkL减小内扩散影响的办法（增大η的措施）：减小催化剂颗粒尺寸，.,,De半径，增大催化剂孔容和孔,内外扩散都有影响时的有效因子总有效因子率无扩散影响时的反应速反应速率内外扩散都有影响时的0根据固体催化剂是处于静态状态还是运动状态，反应器可分为两大类：属于静止状态的有固定床反应器和滴流床反应器。处于运动状态的有流化床反应器，移动床反应器和浆态反应器等。本章主要讨论固定床反应器，对流化床反应器作简要的阐述。第七章气固催化反应器的设计和分析7.3绝热式固定床反应器固定床反应器按催化剂床层是否与外界进行热量交换分两大类：绝热式-反应过程中与外界无热交换换热式-反应过程中与外界有热交换一绝热反应器的类型1单段绝热反应器特点：反应物料在绝热情况下只反应一次。优点：结构简单，空间利用率高，造价低缺点：①对一些热效应大的反应，温差太大，不太适合。②对可逆放热反应，反应器轴向温度分布可能会远离最佳温度分布，使生产强度下降。适用于:①热效应较小的反应②温度对目的产物收率影响不大的反应③虽然热效应较大，但单程转化率不高的反应。2多段绝热反应器特点：反应物料多次在绝热条件下反应，每反应一次，要进行一次换热。反应与换热交替进行。多段绝热床,按换热方式不同,可分为:间接换热式直接换热式原料气冷激式非原料气冷激只改变物料的温度不改变物料的流率和组成既改变物料的温度又改变了物料的流率和组成二、固定床绝热反应器的催化剂用量设反应器系在恒压下进行单一反应，绝热过程。2))((0rAbptHRdZdTGC1)(00AbAAARdZMdXGWptAr0AACM)H(WdXdT1/2得是组成和温度的函数，（-△Hr）是T的函数，取—组成为XA时在T～T0之间的混合物的平均比热容。积分得ptCptCAXTT0ptATrACMHW0)(0AL0AXXAAA0AbA0Ar)]T,X(R)[T,X(dXMGWLAL0AXXAAA0Ab0Ar)]T,X(R)[T,X(dXFV将T=T0+λXA带入上式积分，即可求出达到XAf所需要Lr，Lr乘以床层截面积，最后得到反应体积。例题7.27.4换热式固定床反应器1结构，注意流体的流向、反应物和载热体。2换热介质的选择希望系统和换热介质之间的温差要小，以保持系统操作的稳定。常见的换热介质包括：水（200℃）、有机物（250-300℃）、无机盐（300℃以上）和烟道气（600℃）。一、引言3反应器直径小,多为20-35mma是为了减少催化剂床层径向温度差b是为了使单位床层体积具有较大的传热面积与流化床相比,具有:催化剂磨损小,返混小,催化剂生产能力高，放大容易。换热式固定床反应器可用于放热反应,也可用于吸热反应。当催化剂失活很快,需频繁再生或更换时,固定床反应器不适用。但催化剂失活不算太快且可以再生的话,用换热式固定床还是可以的,但需两套装置,一套反应,一套再生，交替进行。换热式与绝热式相比,优点为:床层轴向温度分布比较均匀；缺点为：结构比绝热式复杂,催化剂装卸也不方便。7.5自热式固定床反应器以原料气作为冷却剂来冷却床层，而将其本身预热至反应所要求的反应温度，然后进入床层进行反应。适用：（1）放热反应（2）原料气必须预热的系统。一反应物料的流向1.逆流流动优点：原料气进入床层后，很快就升到热点温度。缺点：反应前期，升温快，不太合理。反应后期，传热温度差大，温度下降较快，易过冷。2.并流流动优点：反应前期，放热速率最大，但传热温度差也最大。反应后期，反应速率，而传热温度差也，是合理的。缺点：前期升温较慢。7.7流化床反应器适用于流-固或气-液-固催化或非催化反应系统。在流化床中，固体粒子可以象流体一样进行流动，这种现象就是所谓的流态化。一流态化临界流化点为固定床与流化床的分界点。二流化床催化反应器组成：壳体，气体分布装置，热换装置，气固分离装置，内部构件，及催化剂加入与卸出装置等。优点：1传热效果好，床层温度均匀，气-固两相剧烈运动，可实现等温操作。2可用小颗粒催化剂，内扩散影响可忽略，催化剂利用率高。3大量催化剂可方便输送，对cat.失活快需要连续再生的过程尤其适用。缺点：1由于磨损和气体带走而造成催化剂损失大2大部分气体以气泡形式快速通过床层，气-固两相接触差，难以达到高转化率。3粒子运动基本上是全混流，影响反应速度选择性。8多相反应器8.1气液反应气液反应：指气相中的组分必须进入到液相中才能进行的反应。液相可以是液体反应物，也可以是催化剂溶液。一分类•通过气液反应制备产品。如：CHOCHHNOOHNO32423222OHC2氯化钯•通过气液反应净化气体。（化学吸收）如脱除CO,H2S等。与物理吸收相比，化学吸收推动力大。三气液反应过程二气液反应的特点•非均相反应，气液两相间存在相界面，反应的进行是以两相界面的传质为前提。•由于气液两相均为流动相，不存在固定不变的相界面，这一点与气－固催化反应不同。气液相间的物质传递用传质模型来描述。双膜模型双膜理论假定气液相界面两侧各存在一个静止的膜，即气膜和液膜，两相间的物质传递速率取决于通过气膜与液膜的分子扩散速率。气液反应的步骤1.气相组分A从气相主体通过气膜扩散到气液相界面，在相界面上达到气液平衡PAi=HCAi2.组分A由相界面向液膜内扩散，并与由液相主体扩散到液膜的组分B进行反应。此时反应与扩散同时进行。3.未反应的A继续向液相主体扩散。并同B在液相主体中反应。4.产物R向其浓度梯度下降的方向扩散。不挥发BlRlBgARB8.2气液反应器一气液反应器的主要类型1填料塔气相——连续相液相——分散相特点：相界面大，储液量小。适用于瞬间、快速反应,不适用于慢反应。轴向返混可以忽略，故液相转化率高。床层压降小，操作适应性好，结构简单，操作费用低。气相——连续相液相——分散相特点：相界面大，储液量极小。适用于瞬间反应，过程属气膜控制的情况，有固相生成也能适应。喷雾塔为空塔，结构更简单，压降更小，但气、液两相返混很严重。2喷雾塔气相——分散相液相——连续相特点：轴向返混小，液体流率小，转化率高，湍动激烈，液相传质系数大，存液量较大。适用于中速和慢速反应。由于气液逆流接触，气体要穿过各塔板上的液层，所以压降大，结构较复杂。3板式塔气相——分散相液相——连续相特点：相界面积小、储液量大。适用于慢反应、极慢反应和放热量大的反应。但轴向返混严重，液相全混，转化率低。4鼓泡塔特点：除具有鼓泡塔的特点外，尤其适用于高粘性的气体和非牛顿液体（粘性液体、浆料等）之间的反应。因为有搅拌，所以气体分散得更好，且将气泡破碎成更小的气泡，气液混合均匀，相界面和存液量都增大。5搅拌反应器适用性较强，但结构复杂，能耗较高。二气液反应器的选型具体选择时，应结合气液反应的特点,速率控制步骤和化学反应的特性等进行综合考察。通常情况下,相界面积的大小和液含率的高低是选择气液反应器类型的主要技术指标.型式比相界面积液含率低存液量填料塔1000.08板式塔1500.15喷雾塔600.05高存液量鼓泡塔200.98搅拌釜2000.908.3气液固反应一概述（1）气体、液体及固体三者都是反应物或反应产物，例如，氨水与二氧化碳反应生成固体产物碳酸氢铵。（2）固相为催化剂，反应物为气相和液相，例如采用镍催化剂（固相），将苯(液相)加氢（气相）制环己烷（液相）。（3）两个反应相，而第三相则为惰性物料。第三相的加入是为了改善两相间的接触、传热情况等等。例如，在填料塔中进行气液反应，填料为惰性物，它的存在是为了使气液接触良好，又如液固反应过程中通入惰性气体进行搅拌等。指同时存在气、液、固三种不同相态的反应过程，包括二气液固相催化反应过程步骤和速率设气相反应物A与液相反应物B在固体催化剂的作用下生成产物R，即：反应组分A从气相经液相传递至固体催化剂的表面，并在其上进行反应，整个反应过程由下列步骤组成：)()()(lRlBgARB•组分A从气相主体经过气膜传递