精细化工过程与设备第五课固定床反应器精选文档.ppt

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1、精细化工过程与设备第五精细化工过程与设备第五课固定床反应器课固定床反应器本讲稿第一页，共四十二页第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 5.1 5.1 固定床反应器的特点固定床反应器的特点固定床反应器的特点固定床反应器的特点 凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备称为固定床反应器凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备称为固定床反应器凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备称为固定床反应器凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备称为固定床反应器,而而而而其中尤以利用气态的反应物料，通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气固其中尤以利用气态的反应

2、物料，通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气固其中尤以利用气态的反应物料，通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气固其中尤以利用气态的反应物料，通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气固相催化反应器，在工业生产中应用最为广泛。如乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢相催化反应器，在工业生产中应用最为广泛。如乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢相催化反应器，在工业生产中应用最为广泛。如乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢相催化反应器，在工业生产中应用最为广泛。如乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯、乙烯水合制乙醇等反应都在固定床反应器中进行。制苯乙烯、乙烯水合制乙醇等反应都在固定床反应器中进行。制苯乙烯、乙烯水合制乙醇

3、等反应都在固定床反应器中进行。制苯乙烯、乙烯水合制乙醇等反应都在固定床反应器中进行。固定床反应器之所以成为气固相反应器的主要形式，是和它具有下述优点分不开的。固定床反应器之所以成为气固相反应器的主要形式，是和它具有下述优点分不开的。固定床反应器之所以成为气固相反应器的主要形式，是和它具有下述优点分不开的。固定床反应器之所以成为气固相反应器的主要形式，是和它具有下述优点分不开的。（1 1）在生产操作中，除床层极薄和气体流速很低的特殊情况外，床层内气体的流动）在生产操作中，除床层极薄和气体流速很低的特殊情况外，床层内气体的流动）在生产操作中，除床层极薄和气体流速很低的特殊情况外，床层内气体的流动）

4、在生产操作中，除床层极薄和气体流速很低的特殊情况外，床层内气体的流动皆可看成是理想置换流动。因此其化学反应速度较快，在完成同样生产能力时，皆可看成是理想置换流动。因此其化学反应速度较快，在完成同样生产能力时，皆可看成是理想置换流动。因此其化学反应速度较快，在完成同样生产能力时，皆可看成是理想置换流动。因此其化学反应速度较快，在完成同样生产能力时，所需要的催化剂用量和反应体积较小。所需要的催化剂用量和反应体积较小。所需要的催化剂用量和反应体积较小。所需要的催化剂用量和反应体积较小。（2 2）气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，因而有利于提高化学反应的转化率和）气体停留时间可以严格控制，温

5、度分布可以调节，因而有利于提高化学反应的转化率和）气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，因而有利于提高化学反应的转化率和）气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性。选择性。选择性。选择性。（3 3）催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。）催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。）催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。）催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。（4 4）适宜于在高温高压下操作。）适宜于在高温高压下操作。）适宜于在高温高压下操作。）适宜于在高温高压下操作。本讲稿第二页，共四十二页第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 固定床反应器由于固体

6、催化剂在床层静止不动，也存在一些缺点：固定床反应器由于固体催化剂在床层静止不动，也存在一些缺点：固定床反应器由于固体催化剂在床层静止不动，也存在一些缺点：固定床反应器由于固体催化剂在床层静止不动，也存在一些缺点：（1 1）化学反应总是伴随着热效应，温度对反应速度影响很大，反应过程要求及时移走或供给热量，但）化学反应总是伴随着热效应，温度对反应速度影响很大，反应过程要求及时移走或供给热量，但）化学反应总是伴随着热效应，温度对反应速度影响很大，反应过程要求及时移走或供给热量，但）化学反应总是伴随着热效应，温度对反应速度影响很大，反应过程要求及时移走或供给热量，但在固定床内，由于催化剂载体往往导热性

7、不良，流体流速受压降限制又不能太大，这就造成了传热在固定床内，由于催化剂载体往往导热性不良，流体流速受压降限制又不能太大，这就造成了传热在固定床内，由于催化剂载体往往导热性不良，流体流速受压降限制又不能太大，这就造成了传热在固定床内，由于催化剂载体往往导热性不良，流体流速受压降限制又不能太大，这就造成了传热和温度控制上的困难。对于放热反应，在换热式反应器的入口处，因为反应物浓度较高，反应速度和温度控制上的困难。对于放热反应，在换热式反应器的入口处，因为反应物浓度较高，反应速度和温度控制上的困难。对于放热反应，在换热式反应器的入口处，因为反应物浓度较高，反应速度和温度控制上的困难。对于放热反应，

8、在换热式反应器的入口处，因为反应物浓度较高，反应速度较快，放出的热量往往来不及移走，而使物料温度升高，这又促使反应以更快的速度进行，放出更较快，放出的热量往往来不及移走，而使物料温度升高，这又促使反应以更快的速度进行，放出更较快，放出的热量往往来不及移走，而使物料温度升高，这又促使反应以更快的速度进行，放出更较快，放出的热量往往来不及移走，而使物料温度升高，这又促使反应以更快的速度进行，放出更多的热量，物料温度继续升高，直到反应物浓度降低，反应速度降低，反应速度减慢，使传热速度多的热量，物料温度继续升高，直到反应物浓度降低，反应速度降低，反应速度减慢，使传热速度多的热量，物料温度继续升高，直到

9、反应物浓度降低，反应速度降低，反应速度减慢，使传热速度多的热量，物料温度继续升高，直到反应物浓度降低，反应速度降低，反应速度减慢，使传热速度超过了反应速度时，温度才逐渐下降。所以在放热反应时，通常在换热式反应器的轴向存在一个最超过了反应速度时，温度才逐渐下降。所以在放热反应时，通常在换热式反应器的轴向存在一个最超过了反应速度时，温度才逐渐下降。所以在放热反应时，通常在换热式反应器的轴向存在一个最超过了反应速度时，温度才逐渐下降。所以在放热反应时，通常在换热式反应器的轴向存在一个最高温度点，称为高温度点，称为高温度点，称为高温度点，称为“热点热点热点热点”。如设计或操作不当，则在强放热反应时，床

10、内热点温度会超过工艺允许。如设计或操作不当，则在强放热反应时，床内热点温度会超过工艺允许。如设计或操作不当，则在强放热反应时，床内热点温度会超过工艺允许。如设计或操作不当，则在强放热反应时，床内热点温度会超过工艺允许的最高温度，甚至失去控制，称为的最高温度，甚至失去控制，称为的最高温度，甚至失去控制，称为的最高温度，甚至失去控制，称为“飞温飞温飞温飞温”。此时，对反应的选择性、催化剂的活性和寿命、设备。此时，对反应的选择性、催化剂的活性和寿命、设备。此时，对反应的选择性、催化剂的活性和寿命、设备。此时，对反应的选择性、催化剂的活性和寿命、设备的强度等均极不利。的强度等均极不利。的强度等均极不利

11、。的强度等均极不利。所以，固定床反应器从结构到操作控制所作的种种改进，大多数是为了解决这个问题。所以，固定床反应器从结构到操作控制所作的种种改进，大多数是为了解决这个问题。所以，固定床反应器从结构到操作控制所作的种种改进，大多数是为了解决这个问题。所以，固定床反应器从结构到操作控制所作的种种改进，大多数是为了解决这个问题。（2 2）不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，破环了正常操作，所以催化剂的活性内表面得不到充）不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，破环了正常操作，所以催化剂的活性内表面得不到充）不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，破环了正常操作，所以催化剂的活性内表面得不到充）不能使用

12、细粒催化剂，否则流体阻力增大，破环了正常操作，所以催化剂的活性内表面得不到充分利用。分利用。分利用。分利用。（3 3）催化剂的再生、更换均不方便。）催化剂的再生、更换均不方便。）催化剂的再生、更换均不方便。）催化剂的再生、更换均不方便。本讲稿第三页，共四十二页第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 随着化工生产的发展，已出现多种固定床反应器的结构形式，以适应不同随着化工生产的发展，已出现多种固定床反应器的结构形式，以适应不同随着化工生产的发展，已出现多种固定床反应器的结构形式，以适应不同随着化工生产的发展，已出现多种固定床反应器的结构形式，以适应不同的转热要求和转热方式。主要分为绝热式和换热式

13、两大类。的转热要求和转热方式。主要分为绝热式和换热式两大类。的转热要求和转热方式。主要分为绝热式和换热式两大类。的转热要求和转热方式。主要分为绝热式和换热式两大类。绝热式固定床反应器结构简单，催化剂均匀堆置于床内，一般有下列特点：绝热式固定床反应器结构简单，催化剂均匀堆置于床内，一般有下列特点：绝热式固定床反应器结构简单，催化剂均匀堆置于床内，一般有下列特点：绝热式固定床反应器结构简单，催化剂均匀堆置于床内，一般有下列特点：床层直径远大于催化剂颗粒直径；床层高度与催化剂颗粒直径之比一般超过床层直径远大于催化剂颗粒直径；床层高度与催化剂颗粒直径之比一般超过床层直径远大于催化剂颗粒直径；床层高度与

14、催化剂颗粒直径之比一般超过床层直径远大于催化剂颗粒直径；床层高度与催化剂颗粒直径之比一般超过100100；与外界没有热量交换，床层温度沿物料的流向而变化。；与外界没有热量交换，床层温度沿物料的流向而变化。；与外界没有热量交换，床层温度沿物料的流向而变化。；与外界没有热量交换，床层温度沿物料的流向而变化。换热式固定床反应器一列管式为多，通常管内装催化剂，管间走载热换热式固定床反应器一列管式为多，通常管内装催化剂，管间走载热换热式固定床反应器一列管式为多，通常管内装催化剂，管间走载热换热式固定床反应器一列管式为多，通常管内装催化剂，管间走载热体，一般有下列特点：催化剂的颗粒小于管径的体，一般有下列

15、特点：催化剂的颗粒小于管径的体，一般有下列特点：催化剂的颗粒小于管径的体，一般有下列特点：催化剂的颗粒小于管径的8 8倍；利用载热体来移倍；利用载热体来移倍；利用载热体来移倍；利用载热体来移走或供给热量，床层温度维持稳定。走或供给热量，床层温度维持稳定。走或供给热量，床层温度维持稳定。走或供给热量，床层温度维持稳定。本讲稿第四页，共四十二页第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 5.2 5.2 固体催化剂床层内流体的传质和传热固体催化剂床层内流体的传质和传热固体催化剂床层内流体的传质和传热固体催化剂床层内流体的传质和传热 由于固定床反应器是反应物料流经固体催化剂所构成的床层进行化学反应的反应设

16、备，由于固定床反应器是反应物料流经固体催化剂所构成的床层进行化学反应的反应设备，由于固定床反应器是反应物料流经固体催化剂所构成的床层进行化学反应的反应设备，由于固定床反应器是反应物料流经固体催化剂所构成的床层进行化学反应的反应设备，固体催化剂本身及其构成的催化剂床层对反应有着重要影响，因此了解固体催化剂、床层以固体催化剂本身及其构成的催化剂床层对反应有着重要影响，因此了解固体催化剂、床层以固体催化剂本身及其构成的催化剂床层对反应有着重要影响，因此了解固体催化剂、床层以固体催化剂本身及其构成的催化剂床层对反应有着重要影响，因此了解固体催化剂、床层以及反应物料在床层内的流动是很重要的。及反应物料在

17、床层内的流动是很重要的。及反应物料在床层内的流动是很重要的。及反应物料在床层内的流动是很重要的。一，固体催化剂组成一，固体催化剂组成一，固体催化剂组成一，固体催化剂组成 固体催化剂通常不是单一的物质，而是有多种物质组成，绝大多数工业催化剂有三固体催化剂通常不是单一的物质，而是有多种物质组成，绝大多数工业催化剂有三固体催化剂通常不是单一的物质，而是有多种物质组成，绝大多数工业催化剂有三固体催化剂通常不是单一的物质，而是有多种物质组成，绝大多数工业催化剂有三类可以区分的组分，即活性组分、助催化剂、载体。类可以区分的组分，即活性组分、助催化剂、载体。类可以区分的组分，即活性组分、助催化剂、载体。类可

18、以区分的组分，即活性组分、助催化剂、载体。1 1，活性组分（或主催化剂），活性组分（或主催化剂），活性组分（或主催化剂），活性组分（或主催化剂），它是催化剂的主要成分，是起催化作用的根本性物质，没有它是催化剂的主要成分，是起催化作用的根本性物质，没有它是催化剂的主要成分，是起催化作用的根本性物质，没有它是催化剂的主要成分，是起催化作用的根本性物质，没有它，就不存在催化作用。活性组分有时由一种物质组成，如乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂，它，就不存在催化作用。活性组分有时由一种物质组成，如乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂，它，就不存在催化作用。活性组分有时由一种物质组成，如乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂，

19、它，就不存在催化作用。活性组分有时由一种物质组成，如乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂，活性组分就是银单一物质；有时则由多种物质组成，如丙烯氨化氧化制丙烯腈用的钼活性组分就是银单一物质；有时则由多种物质组成，如丙烯氨化氧化制丙烯腈用的钼活性组分就是银单一物质；有时则由多种物质组成，如丙烯氨化氧化制丙烯腈用的钼活性组分就是银单一物质；有时则由多种物质组成，如丙烯氨化氧化制丙烯腈用的钼-铋催铋催铋催铋催化剂，活性组分就是由氧化钼和氧化铋两种物质组合而成。化剂，活性组分就是由氧化钼和氧化铋两种物质组合而成。化剂，活性组分就是由氧化钼和氧化铋两种物质组合而成。化剂，活性组分就是由氧化钼和氧化铋两种物质组合而

20、成。2 2，助催化剂，助催化剂，助催化剂，助催化剂，一些本身对某一反应没有活性或活性很小，但添加少量于催化剂中（一一些本身对某一反应没有活性或活性很小，但添加少量于催化剂中（一一些本身对某一反应没有活性或活性很小，但添加少量于催化剂中（一一些本身对某一反应没有活性或活性很小，但添加少量于催化剂中（一般小于催化剂总量的般小于催化剂总量的般小于催化剂总量的般小于催化剂总量的10%10%）却能使催化剂具有所期望的活性、选择性或稳定性）却能使催化剂具有所期望的活性、选择性或稳定性）却能使催化剂具有所期望的活性、选择性或稳定性）却能使催化剂具有所期望的活性、选择性或稳定性的物质称为助催化剂。例如，用于脱

21、水的的物质称为助催化剂。例如，用于脱水的的物质称为助催化剂。例如，用于脱水的的物质称为助催化剂。例如，用于脱水的AIAI2 2OO3 3催化剂可用催化剂可用催化剂可用催化剂可用CaOCaO、MgOMgO、ZnOZnO作为助催化剂。作为助催化剂。作为助催化剂。作为助催化剂。本讲稿第五页，共四十二页第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 3 3，载体，载体，载体，载体，载体是固体催化剂所特有的成分，它起增大表面积、提高耐热性和机械强度载体是固体催化剂所特有的成分，它起增大表面积、提高耐热性和机械强度载体是固体催化剂所特有的成分，它起增大表面积、提高耐热性和机械强度载体是固体催化剂所特有的成分，它起

22、增大表面积、提高耐热性和机械强度的作用，有时还能担当助催化剂的角色。它与助催化剂的不同之处在于，载体在催化剂中的的作用，有时还能担当助催化剂的角色。它与助催化剂的不同之处在于，载体在催化剂中的的作用，有时还能担当助催化剂的角色。它与助催化剂的不同之处在于，载体在催化剂中的的作用，有时还能担当助催化剂的角色。它与助催化剂的不同之处在于，载体在催化剂中的含量远大于助催化剂。含量远大于助催化剂。含量远大于助催化剂。含量远大于助催化剂。载体是催化活性组分的分散剂、粘合物或支撑体，是负载活性组分的骨架，将活性组分、载体是催化活性组分的分散剂、粘合物或支撑体，是负载活性组分的骨架，将活性组分、载体是催化活

23、性组分的分散剂、粘合物或支撑体，是负载活性组分的骨架，将活性组分、载体是催化活性组分的分散剂、粘合物或支撑体，是负载活性组分的骨架，将活性组分、助催化剂组分负载于载体上所得到的催化剂，称为负载型催化剂。负载型催化剂的载体，其助催化剂组分负载于载体上所得到的催化剂，称为负载型催化剂。负载型催化剂的载体，其助催化剂组分负载于载体上所得到的催化剂，称为负载型催化剂。负载型催化剂的载体，其助催化剂组分负载于载体上所得到的催化剂，称为负载型催化剂。负载型催化剂的载体，其物理结构和性质，往往对催化剂有决定性的影响。物理结构和性质，往往对催化剂有决定性的影响。物理结构和性质，往往对催化剂有决定性的影响。物理

24、结构和性质，往往对催化剂有决定性的影响。载体的种类很多，可以是天然物，也可以是人工合成的，例如活性炭、硅胶、载体的种类很多，可以是天然物，也可以是人工合成的，例如活性炭、硅胶、载体的种类很多，可以是天然物，也可以是人工合成的，例如活性炭、硅胶、载体的种类很多，可以是天然物，也可以是人工合成的，例如活性炭、硅胶、AIAI2 2OO3 3、硅藻土、碳化硅等。硅藻土、碳化硅等。硅藻土、碳化硅等。硅藻土、碳化硅等。4 4，抑制剂，抑制剂，抑制剂，抑制剂，大多数化工使用的催化剂是由活性组分、助催化剂和载体三大大多数化工使用的催化剂是由活性组分、助催化剂和载体三大大多数化工使用的催化剂是由活性组分、助催化

25、剂和载体三大大多数化工使用的催化剂是由活性组分、助催化剂和载体三大部分组成，个别情况也有多于或少于这三部分的。如果在活性组分中添加少量物部分组成，个别情况也有多于或少于这三部分的。如果在活性组分中添加少量物部分组成，个别情况也有多于或少于这三部分的。如果在活性组分中添加少量物部分组成，个别情况也有多于或少于这三部分的。如果在活性组分中添加少量物质，便能使活性组分的催化活性适当降低，甚至在必要时大幅度下降，则这样的质，便能使活性组分的催化活性适当降低，甚至在必要时大幅度下降，则这样的质，便能使活性组分的催化活性适当降低，甚至在必要时大幅度下降，则这样的质，便能使活性组分的催化活性适当降低，甚至在

26、必要时大幅度下降，则这样的少量物质称为抑制剂。抑制剂的作用正好与助催化剂相反。少量物质称为抑制剂。抑制剂的作用正好与助催化剂相反。少量物质称为抑制剂。抑制剂的作用正好与助催化剂相反。少量物质称为抑制剂。抑制剂的作用正好与助催化剂相反。一些催化剂配方中添加抑制剂，是为了使工业催化剂的各性能达到均衡匹一些催化剂配方中添加抑制剂，是为了使工业催化剂的各性能达到均衡匹一些催化剂配方中添加抑制剂，是为了使工业催化剂的各性能达到均衡匹一些催化剂配方中添加抑制剂，是为了使工业催化剂的各性能达到均衡匹配，整体优化。有时过高的活性反而有害，它会影响反应器移热而导致配，整体优化。有时过高的活性反而有害，它会影响反

27、应器移热而导致配，整体优化。有时过高的活性反而有害，它会影响反应器移热而导致配，整体优化。有时过高的活性反而有害，它会影响反应器移热而导致“飞飞飞飞温温温温”，或者导致副反应加剧、选择性下降，甚至引起催化剂积炭失活。，或者导致副反应加剧、选择性下降，甚至引起催化剂积炭失活。，或者导致副反应加剧、选择性下降，甚至引起催化剂积炭失活。，或者导致副反应加剧、选择性下降，甚至引起催化剂积炭失活。本讲稿第六页，共四十二页第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 一种良好的催化剂不仅能有选择地催化所要求的反应，同时还必须具有一定的机械一种良好的催化剂不仅能有选择地催化所要求的反应，同时还必须具有一定的机械一

28、种良好的催化剂不仅能有选择地催化所要求的反应，同时还必须具有一定的机械一种良好的催化剂不仅能有选择地催化所要求的反应，同时还必须具有一定的机械强度，有适当的形状，以使流体阻力减小并能均匀通过，在长期使用后（包括开停车）仍能强度，有适当的形状，以使流体阻力减小并能均匀通过，在长期使用后（包括开停车）仍能强度，有适当的形状，以使流体阻力减小并能均匀通过，在长期使用后（包括开停车）仍能强度，有适当的形状，以使流体阻力减小并能均匀通过，在长期使用后（包括开停车）仍能保持其活性和力学性能，即必须具备高活性、合理的流体流动性及长寿命这三个条件。保持其活性和力学性能，即必须具备高活性、合理的流体流动性及长寿

29、命这三个条件。保持其活性和力学性能，即必须具备高活性、合理的流体流动性及长寿命这三个条件。保持其活性和力学性能，即必须具备高活性、合理的流体流动性及长寿命这三个条件。二，固体催化剂的特性二，固体催化剂的特性二，固体催化剂的特性二，固体催化剂的特性 1 1，直径，直径，直径，直径 催化剂颗粒可以为各种形状，工业上常用的催化剂，除无定形粒状外，还有圆催化剂颗粒可以为各种形状，工业上常用的催化剂，除无定形粒状外，还有圆催化剂颗粒可以为各种形状，工业上常用的催化剂，除无定形粒状外，还有圆催化剂颗粒可以为各种形状，工业上常用的催化剂，除无定形粒状外，还有圆柱形（包括拉西球形及多孔球形），锭形、球形、条形

30、、蜂窝形、内外齿轮型、三叶草形、柱形（包括拉西球形及多孔球形），锭形、球形、条形、蜂窝形、内外齿轮型、三叶草形、柱形（包括拉西球形及多孔球形），锭形、球形、条形、蜂窝形、内外齿轮型、三叶草形、柱形（包括拉西球形及多孔球形），锭形、球形、条形、蜂窝形、内外齿轮型、三叶草形、小球及微球形、菊花形等。图小球及微球形、菊花形等。图小球及微球形、菊花形等。图小球及微球形、菊花形等。图5.15.1例举了固定床反应器中常用的催化剂形状。例举了固定床反应器中常用的催化剂形状。例举了固定床反应器中常用的催化剂形状。例举了固定床反应器中常用的催化剂形状。(a)(a)七筋车轮型七筋车轮型 (b)(b)拉西环形拉西环

31、形(c)(c)四孔形四孔形 (d)(d)七孔形七孔形 (e)(e)五筋车轮型五筋车轮型(f)(f)外齿轮型外齿轮型(g)(g)内齿轮型内齿轮型(h)(h)梅花形梅花形 (i)(i)多孔梅花形多孔梅花形 (j)(j)蜂窝形蜂窝形(k)(k)七孔球形七孔球形 (l)(l)无孔外齿轮型无孔外齿轮型(m)(m)四叶蝶形四叶蝶形 图5.1固定床反应器中常用的催化剂形状 图图5.1 5.1 固定床反应器中常用的催化剂形状固定床反应器中常用的催化剂形状 本讲稿第七页，共四十二页第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 催化剂的粒径大小，对于球形颗粒可以方便地用直径表示，对于非球形颗催化剂的粒径大小，对于球形颗

32、粒可以方便地用直径表示，对于非球形颗催化剂的粒径大小，对于球形颗粒可以方便地用直径表示，对于非球形颗催化剂的粒径大小，对于球形颗粒可以方便地用直径表示，对于非球形颗粒，习惯上常用与球形颗粒对比的相当直径表示，用形状系数粒，习惯上常用与球形颗粒对比的相当直径表示，用形状系数粒，习惯上常用与球形颗粒对比的相当直径表示，用形状系数粒，习惯上常用与球形颗粒对比的相当直径表示，用形状系数ss表示其与圆球表示其与圆球表示其与圆球表示其与圆球形的差异程度，通常有以下三种相当直径：形的差异程度，通常有以下三种相当直径：形的差异程度，通常有以下三种相当直径：形的差异程度，通常有以下三种相当直径：（1 1）体积相

33、当直径）体积相当直径）体积相当直径）体积相当直径dvdv，即采用体积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径，即采用体积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径，即采用体积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径，即采用体积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径，dv=dv=（6Vp/6Vp/）式中式中式中式中Vp Vp 非球形颗粒的体积，。非球形颗粒的体积，。非球形颗粒的体积，。非球形颗粒的体积，。（2 2）面积相当直径）面积相当直径）面积相当直径）面积相当直径dada，即采用外表面积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒，即采用外表面积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒，即采用外表面积相同的球形颗粒

34、直径来表示非球形颗粒，即采用外表面积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径，直径，直径，直径，da=da=（Ap/Ap/）式中式中式中式中Ap Ap 非球形颗粒的外表面积，。非球形颗粒的外表面积，。非球形颗粒的外表面积，。非球形颗粒的外表面积，。（3 3）比表面相当直径）比表面相当直径）比表面相当直径）比表面相当直径dsds，即采用比表面积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径，即采用比表面积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径，即采用比表面积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径，即采用比表面积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径，ds=6 Vp/Apds=6 Vp/Ap 在固定床的流体

35、力学研究中，非球形颗粒的直径常常采用体积相当直径，在传热传质的研在固定床的流体力学研究中，非球形颗粒的直径常常采用体积相当直径，在传热传质的研在固定床的流体力学研究中，非球形颗粒的直径常常采用体积相当直径，在传热传质的研在固定床的流体力学研究中，非球形颗粒的直径常常采用体积相当直径，在传热传质的研究中，常常采用面积相当直径。究中，常常采用面积相当直径。究中，常常采用面积相当直径。究中，常常采用面积相当直径。本讲稿第八页，共四十二页第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 （4 4）形状系数）形状系数）形状系数）形状系数s s，非球形颗粒的外表面积一定大于等体积的圆球的外表面积，因此，引入一个无，

36、非球形颗粒的外表面积一定大于等体积的圆球的外表面积，因此，引入一个无，非球形颗粒的外表面积一定大于等体积的圆球的外表面积，因此，引入一个无，非球形颗粒的外表面积一定大于等体积的圆球的外表面积，因此，引入一个无因次系数因次系数因次系数因次系数s s，称为颗粒的形状系数，其值如下，称为颗粒的形状系数，其值如下，称为颗粒的形状系数，其值如下，称为颗粒的形状系数，其值如下 s=As/Aps=As/Ap 式中式中式中式中 As As 与非球形颗粒等体积圆球的外表面积，与非球形颗粒等体积圆球的外表面积，与非球形颗粒等体积圆球的外表面积，与非球形颗粒等体积圆球的外表面积，mm2 2，As=dvAs=dv2

37、2。对于球形颗粒对于球形颗粒对于球形颗粒对于球形颗粒s=1s=1；对于非球形颗粒；对于非球形颗粒；对于非球形颗粒；对于非球形颗粒s s1 1。2 2，密度，密度，密度，密度 （1 1）真密度，又称骨架密度，即催化剂颗粒中固体实体的密度，用）真密度，又称骨架密度，即催化剂颗粒中固体实体的密度，用）真密度，又称骨架密度，即催化剂颗粒中固体实体的密度，用）真密度，又称骨架密度，即催化剂颗粒中固体实体的密度，用 p p表示，单位为表示，单位为表示，单位为表示，单位为g/cmg/cm3 3。（2 2）表观密度，又称假密度或颗粒密度，即包括催化剂颗粒中的孔隙容积，该颗粒的密度，记为）表观密度，又称假密度或

38、颗粒密度，即包括催化剂颗粒中的孔隙容积，该颗粒的密度，记为）表观密度，又称假密度或颗粒密度，即包括催化剂颗粒中的孔隙容积，该颗粒的密度，记为）表观密度，又称假密度或颗粒密度，即包括催化剂颗粒中的孔隙容积，该颗粒的密度，记为 s s，单，单，单，单位为位为位为位为g/cmg/cm3 3。（3 3）堆积密度，又称填充密度，是对催化床层而言的，即当催化剂自由地填入反应器中时，包括床层中的）堆积密度，又称填充密度，是对催化床层而言的，即当催化剂自由地填入反应器中时，包括床层中的）堆积密度，又称填充密度，是对催化床层而言的，即当催化剂自由地填入反应器中时，包括床层中的）堆积密度，又称填充密度，是对催化床

39、层而言的，即当催化剂自由地填入反应器中时，包括床层中的自由空间，每单位体积反应器中催化剂的质量，记为自由空间，每单位体积反应器中催化剂的质量，记为自由空间，每单位体积反应器中催化剂的质量，记为自由空间，每单位体积反应器中催化剂的质量，记为 B B，单位可用，单位可用，单位可用，单位可用g/cmg/cm3 3、g/Lg/L或或或或 kg/mkg/m3 3表示。表示。表示。表示。本讲稿第九页，共四十二页第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 三，催化床层的一些重要指标三，催化床层的一些重要指标三，催化床层的一些重要指标三，催化床层的一些重要指标 （1 1）转化率）转化率）转化率）转化率 用转化率表

40、示催化剂的活性。是在一定反应时间、反应温度和反应物料配比的条件下用转化率表示催化剂的活性。是在一定反应时间、反应温度和反应物料配比的条件下用转化率表示催化剂的活性。是在一定反应时间、反应温度和反应物料配比的条件下用转化率表示催化剂的活性。是在一定反应时间、反应温度和反应物料配比的条件下进行比较的。转化率高则催化活性高，转化率低则催化活性低。进行比较的。转化率高则催化活性高，转化率低则催化活性低。进行比较的。转化率高则催化活性高，转化率低则催化活性低。进行比较的。转化率高则催化活性高，转化率低则催化活性低。（2 2）选择性）选择性）选择性）选择性 催化剂的选择性是指催化剂促使反应向所要求的方向进

41、行而得到目的产物的能力，催化剂的选择性是指催化剂促使反应向所要求的方向进行而得到目的产物的能力，催化剂的选择性是指催化剂促使反应向所要求的方向进行而得到目的产物的能力，催化剂的选择性是指催化剂促使反应向所要求的方向进行而得到目的产物的能力，它是催化剂的又一个重要指标。催化剂具有特殊的选择性，说明不同类型的化学反应需要不同的它是催化剂的又一个重要指标。催化剂具有特殊的选择性，说明不同类型的化学反应需要不同的它是催化剂的又一个重要指标。催化剂具有特殊的选择性，说明不同类型的化学反应需要不同的它是催化剂的又一个重要指标。催化剂具有特殊的选择性，说明不同类型的化学反应需要不同的催化剂，同样的反应物，选

42、用不同的催化剂，则获得不同的产物。催化剂，同样的反应物，选用不同的催化剂，则获得不同的产物。催化剂，同样的反应物，选用不同的催化剂，则获得不同的产物。催化剂，同样的反应物，选用不同的催化剂，则获得不同的产物。（3 3）空速）空速）空速）空速Sv Sv 单位体积的催化剂在单位时间内所通过的原料标准体积流量称为空间速率，简称单位体积的催化剂在单位时间内所通过的原料标准体积流量称为空间速率，简称单位体积的催化剂在单位时间内所通过的原料标准体积流量称为空间速率，简称单位体积的催化剂在单位时间内所通过的原料标准体积流量称为空间速率，简称空速，即空速，即空速，即空速，即 式中式中式中式中 Sv Sv 空速

43、，空速，空速，空速，h h-1-1;原料气标准体积流量，原料气标准体积流量，原料气标准体积流量，原料气标准体积流量，mm3 3/h;/h;催化剂堆积体积，催化剂堆积体积，催化剂堆积体积，催化剂堆积体积，mm3 3。本讲稿第十页，共四十二页第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 （4 4）催化剂空时收率）催化剂空时收率）催化剂空时收率）催化剂空时收率Sw Sw 催化剂空时收率的定义为：单位质量（或体积）的催化剂在单位时间催化剂空时收率的定义为：单位质量（或体积）的催化剂在单位时间催化剂空时收率的定义为：单位质量（或体积）的催化剂在单位时间催化剂空时收率的定义为：单位质量（或体积）的催化剂在单位时

44、间内所获得的目的产物量，即内所获得的目的产物量，即内所获得的目的产物量，即内所获得的目的产物量，即 式中式中式中式中 Sw Sw 催化剂的空时收率，催化剂的空时收率，催化剂的空时收率，催化剂的空时收率，kg/(kgh)kg/(kgh)或或或或kg/(mkg/(m3 3h);h);目的产物量，目的产物量，目的产物量，目的产物量，kg/h;kg/h;Ws Ws 催化剂用量，催化剂用量，催化剂用量，催化剂用量，kgkg或或或或mm3 3。（5 5）催化剂负荷）催化剂负荷）催化剂负荷）催化剂负荷S SGG 催化剂负荷的定义是：单位质量的催化剂催化剂负荷的定义是：单位质量的催化剂催化剂负荷的定义是：单位

45、质量的催化剂催化剂负荷的定义是：单位质量的催化剂 在单位时间内所处理的某一原料量，在单位时间内所处理的某一原料量，在单位时间内所处理的某一原料量，在单位时间内所处理的某一原料量，即即即即 式中式中式中式中 S SG G 催化剂负荷，催化剂负荷，催化剂负荷，催化剂负荷，kg/(kgh)kg/(kgh)或或或或kg/(mkg/(m3 3h);h);W WGG 单位时间内处理的某一物料量，单位时间内处理的某一物料量，单位时间内处理的某一物料量，单位时间内处理的某一物料量，kg/hkg/h。（6 6）使用寿命）使用寿命）使用寿命）使用寿命 催化剂的使用寿命是指催化剂在反应条件下具有活性的使用时间，或活

46、性催化剂的使用寿命是指催化剂在反应条件下具有活性的使用时间，或活性催化剂的使用寿命是指催化剂在反应条件下具有活性的使用时间，或活性催化剂的使用寿命是指催化剂在反应条件下具有活性的使用时间，或活性下降经再生而又恢复的累计使用时间。它也是催化剂的一个重要指标，催化剂寿命越长，下降经再生而又恢复的累计使用时间。它也是催化剂的一个重要指标，催化剂寿命越长，下降经再生而又恢复的累计使用时间。它也是催化剂的一个重要指标，催化剂寿命越长，下降经再生而又恢复的累计使用时间。它也是催化剂的一个重要指标，催化剂寿命越长，使用价值越大，所以高活性、高选择性的催化剂还需要有长的使用寿命。催化剂的活性随使用价值越大，所

47、以高活性、高选择性的催化剂还需要有长的使用寿命。催化剂的活性随使用价值越大，所以高活性、高选择性的催化剂还需要有长的使用寿命。催化剂的活性随使用价值越大，所以高活性、高选择性的催化剂还需要有长的使用寿命。催化剂的活性随运转时间而变化。运转时间而变化。运转时间而变化。运转时间而变化。本讲稿第十一页，共四十二页第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 （7 7）机械强度和稳定性）机械强度和稳定性）机械强度和稳定性）机械强度和稳定性 在化工生产中，大多数催化剂都采用连续操作流程，在化工生产中，大多数催化剂都采用连续操作流程，在化工生产中，大多数催化剂都采用连续操作流程，在化工生产中，大多数催化剂都采用

48、连续操作流程，反应时有大量原料气通过催化剂层，有时还要在加压下运转。催化剂又需要定时反应时有大量原料气通过催化剂层，有时还要在加压下运转。催化剂又需要定时反应时有大量原料气通过催化剂层，有时还要在加压下运转。催化剂又需要定时反应时有大量原料气通过催化剂层，有时还要在加压下运转。催化剂又需要定时更换，在装卸、填装和使用时都要承受碰撞和摩擦作用。因此对催化剂有一定强更换，在装卸、填装和使用时都要承受碰撞和摩擦作用。因此对催化剂有一定强更换，在装卸、填装和使用时都要承受碰撞和摩擦作用。因此对催化剂有一定强更换，在装卸、填装和使用时都要承受碰撞和摩擦作用。因此对催化剂有一定强度要求，否则会造成催化剂的

49、破碎，增加反应器的阻力降，甚至物料将催化剂带度要求，否则会造成催化剂的破碎，增加反应器的阻力降，甚至物料将催化剂带度要求，否则会造成催化剂的破碎，增加反应器的阻力降，甚至物料将催化剂带度要求，否则会造成催化剂的破碎，增加反应器的阻力降，甚至物料将催化剂带走，造成催化剂的损失。更严重的还会堵塞设备和管道，被迫停车甚至造成事故。走，造成催化剂的损失。更严重的还会堵塞设备和管道，被迫停车甚至造成事故。走，造成催化剂的损失。更严重的还会堵塞设备和管道，被迫停车甚至造成事故。走，造成催化剂的损失。更严重的还会堵塞设备和管道，被迫停车甚至造成事故。所以机械强度是评价催化剂的重要指标。所以机械强度是评价催化

50、剂的重要指标。所以机械强度是评价催化剂的重要指标。所以机械强度是评价催化剂的重要指标。影响催化剂机械强度的因素也很多，主要有催化剂的化学组成、物理结构、制备成型方法及使影响催化剂机械强度的因素也很多，主要有催化剂的化学组成、物理结构、制备成型方法及使影响催化剂机械强度的因素也很多，主要有催化剂的化学组成、物理结构、制备成型方法及使影响催化剂机械强度的因素也很多，主要有催化剂的化学组成、物理结构、制备成型方法及使用条件等。用条件等。用条件等。用条件等。工业上表示催化剂机械强度的方法也很多，并随反应器的要求而定。固定床反应器工业上表示催化剂机械强度的方法也很多，并随反应器的要求而定。固定床反应器工