6精细化工过程与设备_第五课_固定床反应器.ppt

《6精细化工过程与设备_第五课_固定床反应器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《6精细化工过程与设备_第五课_固定床反应器.ppt（43页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精细化工过程与设备精细化工过程与设备授课教师授课教师 张大德张大德代代代代第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 5.1 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床反应器,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相催化反应器，在工业生产中应用最为广泛。如乙烯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、乙苯脱氢制苯乙烯、乙烯水合制乙醇等反应都在固定床氧

2、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。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。优点分不开的。（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）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，所需要的催化剂用量和反应体积较小。样生产能力时，所需要的催化剂用量和反应体积较小。（2）气体

3、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）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。学反应的转化率和选择性。（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。（4）适宜于在高温高压下操作。）适宜于在高温高压下操作。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）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）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

4、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不良，流体流速受压降走或供给热量，但在固定床内，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，反应速度较快，放出的热量往往来不及移反应器的入口处，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，放出更多的热量，物料走，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

5、反应物浓度降低，反应速度降低，反应速度减慢，使传热速度温度继续升高，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，称为轴向存在一个最高温度点，称为“热点热点”。如设计或操作不当，则在强放热反应时，。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“飞温飞温”。此时，。此时，对反应的选择性、催化剂的活性和寿命、设备的强度

6、等均极不利。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。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。题。（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）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分利用。性内表面得不到充分利用。（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。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随着化工生产的发展，已出现多种固

7、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，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两大类。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剂颗粒直径之比一般超过100；与外界没有热量交换，床层温度沿；与外界没有热量交换，床层温度沿物料的流向而变化。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，管间换热式固定床反应器一列管式

8、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走载热体，一般有下列特点：催化剂的颗粒小于管径的8倍；利用倍；利用载热体来移走或供给热量，床层温度维持稳定。载热体来移走或供给热量，床层温度维持稳定。第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 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 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

9、固体催化剂、床层以及反应物料在床层内的流动是很重要影响，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。要的。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。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。1，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，根本性物质，

10、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，活性组分就是银单一物质；有时则由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多种物质组成，如丙烯氨化氧化制丙烯腈用的钼-铋催化剂，活性组分就铋催化剂，活性组分就是由氧化钼和氧化铋两种物质组合而成。是由氧化钼和氧化铋两种物质组合而成。2，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催化剂中（一般小于催化剂总量的10%）却能使催化剂具有所期望的活性

11、、）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，用于脱水的选择性或稳定性的物质称为助催化剂。例如，用于脱水的AI2O3催化剂可催化剂可用用CaO、MgO、ZnO作为助催化剂。作为助催化剂。第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 3，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的作用，有时还能担当助催化剂的角色。它与助催化剂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，载体在催化剂中的含量远大于助催化剂。的不同之处在于，载体在催化剂中的含量远大于助催化剂

12、。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，其物理结构和性质，往往对催化剂有载型催化剂。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。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、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、硅胶、AI2O3、硅藻土、碳化硅等。、硅藻土、碳化硅等。4，抑制

13、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质，便能使活性组分的催化活性适当降低，甚至在必要时分中添加少量物质，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，则这样的少量物质称为抑制剂。抑制剂的作用正好与助催化大幅度下降，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。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一些催化剂配方中添加抑制剂，是为了使

14、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致“飞温飞温”，或者导致副反应加剧、选择性下降，甚至引起催化剂积炭失，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。活。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

15、（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。这三个条件。二，固体催化剂的特性二，固体催化剂的特性 1，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、蜂窝形、内外齿轮型、有圆柱形（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。图三叶草形、小球及微球形、菊花形等。图5.1例举了固

16、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 第五章第五章 固定

17、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s表示表示其与圆球形的差异程度，通常有以下三种相当直径：其与圆球形的差异程度，通常有以下三种相当直径：（1）体积相当直径）体积相当直径dv，即采用体积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒，即采用体积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径，直径，dv=（6Vp/）式中式中Vp 非球形颗粒的体积，。非球形颗粒的体积，。（2）面积相当直径）面积相当

18、直径da，即采用外表面积相同的球形颗粒直径来表示非球形，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，颗粒直径，da=（Ap/）式中式中Ap 非球形颗粒的外表面积，。非球形颗粒的外表面积，。（3）比表面相当直径）比表面相当直径ds，即采用比表面积相同的球形颗粒直径来表示非球，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，形颗粒直径，ds=6 Vp/Ap 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。径，在传热传质的研究中，常常采用面积相当直径。第五章第五章 固

19、定床反应器固定床反应器 （4）形状系数）形状系数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，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此，引入一个无因次系数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 s=As/Ap 式中式中 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，m2，As=dv2。对于球形颗粒对于球形颗粒s=1；对于非球形颗粒；对于非球形颗粒s1。2，密度，密度 （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p表示，单位

20、表示，单位为为g/cm3。（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）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，记为粒的密度，记为s，单位为，单位为g/cm3。（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）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，包括床层中的自由空间，每单位体积反应器中催化剂的质量，记为应器中时，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B，单位可用，单位可用g/cm3、g/L或或 kg/m3表示。表示。第五章第五章 固定床反应器固定床

21、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 （1）转化率）转化率 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。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。（2）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行而得到目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，说明不同的产物的能力，它是催化剂的又一个重要指标。催

22、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，选用不同的催化剂，则获得不同类型的化学反应需要不同的催化剂，同样的反应物，选用不同的催化剂，则获得不同的产物。的产物。（3）空速）空速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，即间速率，简称空速，即 式中式中 Sv 空速，空速，h-1;原料气标准体积流量，原料气标准体积流量，m3/h;催化剂堆积体积，催化剂堆积体积，m3。第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 （4）催化剂空时收率）催化剂空时收率Sw 催化剂空时收率的定义

23、为：单位质量（或体积）的催化剂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内所获得的目的产物量，即在单位时间内所获得的目的产物量，即 式中式中 Sw 催化剂的空时收率，催化剂的空时收率，kg/(kgh)或或kg/(m3h);目的产物量，目的产物量，kg/h;Ws 催化剂用量，催化剂用量，kg或或m3。（5）催化剂负荷）催化剂负荷SG 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 在单位时间内所处在单位时间内所处理的某一原料量，即理的某一原料量，即 式中式中 SG 催化剂负荷，催化剂负荷，kg/(kgh)或或kg/(m3h);WG 单位时间内处理的某一

24、物料量，单位时间内处理的某一物料量，kg/h。（6）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，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。催化剂的活性随运转时间而变化。化剂的活性随运转时间而变化。第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 （7）机械强度和

25、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在化工生产中，大多数催化剂都采用连续操作流程，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。催化剂又需要定时更换，在装卸、填装和使用时都要承受碰撞和摩擦作用。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度要求，否则会造成催化剂的破碎，增加反应器的因此对催化剂有一定强度要求，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。更严重的还会堵塞阻力降，甚至物料将催化剂带走，造成催化剂的损失。更

26、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。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、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。制备成型方法及使用条件等。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。固定床反应器主要考虑压碎强度。床反应器主要考虑压碎强度。（8）催化剂的失活）催化剂的失活 所有催化剂的活性都是随使用时间的延长而不断所有催

27、化剂的活性都是随使用时间的延长而不断下降，在使用过程中缓慢地失活是正常的、允许的，但是催化剂活性的迅下降，在使用过程中缓慢地失活是正常的、允许的，但是催化剂活性的迅速下降将会导致工艺过程在经济上失去生命力。失活的原因是各种各样的。速下降将会导致工艺过程在经济上失去生命力。失活的原因是各种各样的。主要是中毒、积炭和烧结、沾污等。主要是中毒、积炭和烧结、沾污等。第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 中毒中毒 指原料中极微量的杂质导致催化剂活性指原料中极微量的杂质导致催化剂活性迅速下降的现象。工业催化剂在使用时常常会遇到活迅速下降的现象。工业催化剂在使用时常常会遇到活性突然下降，这通常是由于催化剂

28、已发生了中毒。性突然下降，这通常是由于催化剂已发生了中毒。催化剂的毒物通常可分为化学型毒物和选择型毒物两催化剂的毒物通常可分为化学型毒物和选择型毒物两大类。大类。a，化学型毒物，这是一种最常见的毒物。毒物，化学型毒物，这是一种最常见的毒物。毒物比反应物能够更强烈地吸附在催化剂活性中心上，由比反应物能够更强烈地吸附在催化剂活性中心上，由于毒物的吸附导致反应速率迅速下降。升高温度时，于毒物的吸附导致反应速率迅速下降。升高温度时，脱附速率比吸附速率增加得快，从而中毒现象可以明脱附速率比吸附速率增加得快，从而中毒现象可以明显地减弱，如允许高温操作，可尽量提高操作温度。显地减弱，如允许高温操作，可尽量提

29、高操作温度。在有中毒现象时，这个方案是合理的。在有中毒现象时，这个方案是合理的。b，选择性毒物，有些催化剂毒物不是损害催化，选择性毒物，有些催化剂毒物不是损害催化剂的活性，而是使催化剂的复杂反应的选择性变坏。剂的活性，而是使催化剂的复杂反应的选择性变坏。(a)(a)中毒中毒 第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 积炭，在催化反应中如裂化、重整、选择性氧化、脱积炭，在催化反应中如裂化、重整、选择性氧化、脱氢、脱氢环化、加氢裂变、聚合、乙炔气相水合等，除毒化作氢、脱氢环化、加氢裂变、聚合、乙炔气相水合等，除毒化作用外，积炭也是导致催化剂活性衰退的主要原因之一。积炭是用外，积炭也是导致催化剂活性衰

30、退的主要原因之一。积炭是催化剂在使用过程中，逐渐在表面上沉积一层炭质化合物，减催化剂在使用过程中，逐渐在表面上沉积一层炭质化合物，减少了可利用的表面积，引起催化剂活性衰退。发生积炭的原因少了可利用的表面积，引起催化剂活性衰退。发生积炭的原因很多，通常是催化剂导热性能不好或孔隙过细时容易发生。很多，通常是催化剂导热性能不好或孔隙过细时容易发生。烧结、挥发和剥落，烧结、挥发和剥落，烧结是引起催化剂活性下降的另烧结是引起催化剂活性下降的另一个重要因素，由于催化剂长期处于高温下操作，金属会融结一个重要因素，由于催化剂长期处于高温下操作，金属会融结而导致晶粒长大并减少孔隙，减少了催化金属的比表面积。烧而

31、导致晶粒长大并减少孔隙，减少了催化金属的比表面积。烧结过程与时间和温度有关，在一定的反应条件下催化剂随着使结过程与时间和温度有关，在一定的反应条件下催化剂随着使用时间的增长总会伴有烧结而导致活性下降。化工操作切忌迅用时间的增长总会伴有烧结而导致活性下降。化工操作切忌迅速升温，这样常会导致催化剂的迅速失活。这种情况常出现在速升温，这样常会导致催化剂的迅速失活。这种情况常出现在负载催化剂上，因为很多载体是热的不良导体。工业上使用的负载催化剂上，因为很多载体是热的不良导体。工业上使用的催化剂要注意使用的工艺条件，重要的是要了解其烧结温度，催化剂要注意使用的工艺条件，重要的是要了解其烧结温度，催化剂不

32、允许在出现烧结的温度下操作。催化剂不允许在出现烧结的温度下操作。沾污，沾污，催化剂表面渐渐沉积铁锈、粉尘、水垢等非活催化剂表面渐渐沉积铁锈、粉尘、水垢等非活性物质而导致活性下降的现象。沾污的影响与积炭相近。性物质而导致活性下降的现象。沾污的影响与积炭相近。(b)(b)沉积沾污沉积沾污(c)(c)烧结烧结(d)(d)经由气体损失经由气体损失 图图5.2 5.2 催化剂失活原因图解催化剂失活原因图解 第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 四，固定床反应器内的流体流动四，固定床反应器内的流体流动 催化剂反应进行时，经常同时发生传热和传质过程，而流体的催化剂反应进行时，经常同时发生传热和传质过程，而

33、流体的流动直接影响床层的传质、传热，最终将影响反应过程。因此，必流动直接影响床层的传质、传热，最终将影响反应过程。因此，必须了解反应器内流体流动的特征。须了解反应器内流体流动的特征。（一）床层孔隙率及径向流速分布（一）床层孔隙率及径向流速分布 孔隙率是催化剂床层的重要特性之一，它对流体通过床层的压力降、孔隙率是催化剂床层的重要特性之一，它对流体通过床层的压力降、床层的有效热导率及比表面积都有重大的影响。床层的有效热导率及比表面积都有重大的影响。孔隙率是催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比，可用下孔隙率是催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比，可用下式进行计算：式进行计算：式中式中 床

34、层孔隙率床层孔隙率 B 催化剂床层堆积密度，即单位体积催化剂床层具有催化剂床层堆积密度，即单位体积催化剂床层具有 的质量，的质量，kg/m3 s 催化剂的表观密度，即单位体积催化剂颗粒具有的催化剂的表观密度，即单位体积催化剂颗粒具有的质量，质量，kg/m3 床层孔隙率床层孔隙率的大小与下列因素有关：颗粒形状、颗粒的粒度分布、的大小与下列因素有关：颗粒形状、颗粒的粒度分布、颗粒表面的粗糙度、充填方式、颗粒直径与容器直径之比等。颗粒表面的粗糙度、充填方式、颗粒直径与容器直径之比等。第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 反应器中充填催化剂应以适当的方式加以振动压紧，床层的压力反应器中充填催化剂应以

35、适当的方式加以振动压紧，床层的压力降虽较大，但填装的催化剂可较多。固定床中间截面的孔隙率也是不降虽较大，但填装的催化剂可较多。固定床中间截面的孔隙率也是不均匀的，近壁处孔隙率较大，而中心处孔隙率较小，近壁处均匀的，近壁处孔隙率较大，而中心处孔隙率较小，近壁处0-1倍的颗倍的颗粒直径处，局部床层孔隙率变化较大。由于床层径向孔隙率分布不均，粒直径处，局部床层孔隙率变化较大。由于床层径向孔隙率分布不均，因此固定床中存在流速的分布不均匀。以近壁因此固定床中存在流速的分布不均匀。以近壁0-1倍颗粒直径处变化最倍颗粒直径处变化最大。器壁对孔隙率分布的这种影响及由此造成的对流动、传热和传质大。器壁对孔隙率分

36、布的这种影响及由此造成的对流动、传热和传质的影响，称为壁效应。一般工业上认为当的影响，称为壁效应。一般工业上认为当dt/dP（催化剂颗粒直径）达（催化剂颗粒直径）达8时，可不计壁效应。故工业上通常要求时，可不计壁效应。故工业上通常要求dt 8dP。管式催化床内直径一般为管式催化床内直径一般为25-40mm，而催化剂颗粒直径一般为，而催化剂颗粒直径一般为5-8mm，即管径与催化剂颗粒直径比，即管径与催化剂颗粒直径比dt/dP相当小，此时壁效应对床层相当小，此时壁效应对床层中径向孔隙率分布和径向流速分布及催化反应性能的影响必须考虑。中径向孔隙率分布和径向流速分布及催化反应性能的影响必须考虑。第五章

37、第五章 固定床反应器固定床反应器 （二）流体在固定床中流动的特性（二）流体在固定床中流动的特性 流体在固定床中的流动情况较之在空管中的流动要复杂得多。流体在固定床中的流动情况较之在空管中的流动要复杂得多。固定床中流体是在颗粒间的空隙中流动，颗粒间空隙形成的孔道固定床中流体是在颗粒间的空隙中流动，颗粒间空隙形成的孔道是弯曲的、相互交错的。孔道数和孔道截面沿流向也在不断改变。是弯曲的、相互交错的。孔道数和孔道截面沿流向也在不断改变。孔隙率是孔道特性的一个主要反映。如前所述，在床层径向，孔孔隙率是孔道特性的一个主要反映。如前所述，在床层径向，孔隙率分布的不均匀，造成流速分布的不均匀，流速分布的不均匀

38、隙率分布的不均匀，造成流速分布的不均匀，流速分布的不均匀造成物料停留时间和传热情况的不均匀，最终影响反应的结果。造成物料停留时间和传热情况的不均匀，最终影响反应的结果。此外，流体在固定床中流动时，由于本身的湍流，对催化剂此外，流体在固定床中流动时，由于本身的湍流，对催化剂颗粒的撞击、绕流以及孔道的不断缩小和扩大，造成流体的不断颗粒的撞击、绕流以及孔道的不断缩小和扩大，造成流体的不断分散和混合，这种混合扩散现象在固定床内并非各向同性。因而分散和混合，这种混合扩散现象在固定床内并非各向同性。因而通常把它分成径向混合和轴向混合两个方面进行研究。通常把它分成径向混合和轴向混合两个方面进行研究。第五章第

39、五章 固定床反应器固定床反应器 径向混合可以简单地理解为由于流体在流动径向混合可以简单地理解为由于流体在流动过程中不断撞击到颗粒上，发生流股的分裂而造过程中不断撞击到颗粒上，发生流股的分裂而造成的，如图成的，如图4.3所示。所示。轴向混合可简单地理解为流体沿轴向依次流轴向混合可简单地理解为流体沿轴向依次流过一个由颗粒间空隙形成的串联着的过一个由颗粒间空隙形成的串联着的“小槽小槽”，在进口处，由于孔道收缩，流速增大，进到在进口处，由于孔道收缩，流速增大，进到“小小槽槽”后，由于突然扩大而减速，形成混合。后，由于突然扩大而减速，形成混合。因此，固定床中的流体流动，可认为由两部因此，固定床中的流体流

40、动，可认为由两部分合成：一部分为流体以平均流速沿轴向的理想分合成：一部分为流体以平均流速沿轴向的理想置换式流动，另一部分为流体的镜像和轴向的混置换式流动，另一部分为流体的镜像和轴向的混合扩散。合扩散。流体流过固定床层的压力降，主要是由流体流体流过固定床层的压力降，主要是由流体与颗粒表面间的摩擦阻力和流体在孔道中的收缩、与颗粒表面间的摩擦阻力和流体在孔道中的收缩、扩大和再分配等局部阻力引起的。增大流体空床扩大和再分配等局部阻力引起的。增大流体空床平均流速、减少颗粒直径以及减少床层孔隙率的平均流速、减少颗粒直径以及减少床层孔隙率的影响最为显著。影响最为显著。图图图图4.3 4.3 4.3 4.3

41、固定床内径向混合示意图固定床内径向混合示意图固定床内径向混合示意图固定床内径向混合示意图第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 （三）固定床反应器内的传质和转热（三）固定床反应器内的传质和转热 1，固定床中的传质，固定床中的传质 固定床反应器内进行的是气固相催化反应，固定床反应器内进行的是气固相催化反应，一般而言，气固相催化反应过程经历以下七一般而言，气固相催化反应过程经历以下七 个步骤（见图个步骤（见图5.4）。）。（1）反应组分从流体主体向固体催化剂外表面）反应组分从流体主体向固体催化剂外表面 传递（外扩散过程）；传递（外扩散过程）；（2）反应组分从催化剂外表面向催化剂内）反应组分从催化剂

42、外表面向催化剂内 表面传递（内扩散过程）；表面传递（内扩散过程）；（3）反应组分在催化剂表面的活性中心吸附（吸附过程）反应组分在催化剂表面的活性中心吸附（吸附过程）（4）在催化剂表面上进行化学反应（表面反应过程）在催化剂表面上进行化学反应（表面反应过程）（5）反应产物在催化剂表面上脱附（脱附过程）反应产物在催化剂表面上脱附（脱附过程）（6）反应产物从催化剂内表面向催化剂外表面传递（内扩散过程）反应产物从催化剂内表面向催化剂外表面传递（内扩散过程）（7）反应产物从催化剂外表面向流体主体传递（外扩散过程）反应产物从催化剂外表面向流体主体传递（外扩散过程）这七个步骤中，（这七个步骤中，（1）和（）和

43、（7）是气相主体通过气膜与颗粒外表面进行物质传递，称为）是气相主体通过气膜与颗粒外表面进行物质传递，称为外扩散过程；（外扩散过程；（2）和（）和（6）是颗粒内的传质，称为内扩散过程；（）是颗粒内的传质，称为内扩散过程；（3）和（）和（5）是在颗粒表）是在颗粒表面上进行化学吸附和化学脱附的过程；（面上进行化学吸附和化学脱附的过程；（4）是在颗粒表面上进行的表面反应动力学过程。）是在颗粒表面上进行的表面反应动力学过程。图图5.4 5.4 气固相催化反应过程气固相催化反应过程第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 在工业生产过程中，固定床反应器一般都在较高流速下操作。因此主在工业生产过程中，固定床反

44、应器一般都在较高流速下操作。因此主流体与催化剂外表面之间的压差很小，一般可以忽略不计，因此外扩散的流体与催化剂外表面之间的压差很小，一般可以忽略不计，因此外扩散的影响也可以忽略。影响也可以忽略。气固相催化反应在催化剂内表面进行，所以反应组分必须达到催化剂气固相催化反应在催化剂内表面进行，所以反应组分必须达到催化剂表面才能发生化学反应。而在固定床反应器中，由于催化剂粒径不能太小，表面才能发生化学反应。而在固定床反应器中，由于催化剂粒径不能太小，故常常采用多孔催化剂以提供反应所需要的表面积。因此内扩散过程则直故常常采用多孔催化剂以提供反应所需要的表面积。因此内扩散过程则直接影响着反应过程的的宏观速

45、率。接影响着反应过程的的宏观速率。由于催化剂颗粒内部微孔的不规则性和扩散要受到孔壁影响等，使催由于催化剂颗粒内部微孔的不规则性和扩散要受到孔壁影响等，使催化剂微孔内扩散过程十分复杂。化剂微孔内扩散过程十分复杂。催化剂微孔内的扩散过程对反应速率有很大的影响。反应物进入微孔催化剂微孔内的扩散过程对反应速率有很大的影响。反应物进入微孔后，内扩散不仅影响反应速率，而且影响复杂反应的选择性。如平行反应后，内扩散不仅影响反应速率，而且影响复杂反应的选择性。如平行反应中，对于反应速率大、级数高的反应内扩散阻力的存在将降低其选择性。中，对于反应速率大、级数高的反应内扩散阻力的存在将降低其选择性。又如连串反应以

46、中间产物为目的产物时，深入到微孔中去的扩散将增加中又如连串反应以中间产物为目的产物时，深入到微孔中去的扩散将增加中间产物进一步反应的机会而降低其选择性。间产物进一步反应的机会而降低其选择性。固定床反应器内常用的是直径固定床反应器内常用的是直径 3-5mm的大颗粒催化剂，一般难以的大颗粒催化剂，一般难以消除内扩散的影响。实际生产中采用的催化剂，其有效系数为消除内扩散的影响。实际生产中采用的催化剂，其有效系数为0.01-1.因因而工业生产上必须充分估计内扩散的影响。应采取必要的措施。而工业生产上必须充分估计内扩散的影响。应采取必要的措施。第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 2，固定床中的传热，

47、固定床中的传热 床层的传热性能对于床内的温度分布，进而对反应速率和物料组成分床层的传热性能对于床内的温度分布，进而对反应速率和物料组成分布都有很大影响。由于反应是在催化剂颗粒内进行的，因此固定床的传热布都有很大影响。由于反应是在催化剂颗粒内进行的，因此固定床的传热实质上包括了颗粒内的传热、颗粒与流体之间的传热以及床层与器壁的传实质上包括了颗粒内的传热、颗粒与流体之间的传热以及床层与器壁的传热等几个方面。热等几个方面。固定床反应器内的传热过程，以换热式反应器进行放热反应为例，包固定床反应器内的传热过程，以换热式反应器进行放热反应为例，包括：（括：（1）反应热由催化剂内部向外表面传递；（）反应热由

48、催化剂内部向外表面传递；（2）反应热由催化剂外）反应热由催化剂外表面向流体主体传递；（表面向流体主体传递；（3）反应热少部分由反应后的流体沿轴向带走；）反应热少部分由反应后的流体沿轴向带走；主要部分由径向通过催化剂和流体构成的床层传递至反应器壁，由载热体主要部分由径向通过催化剂和流体构成的床层传递至反应器壁，由载热体带走。上述的每一步传热过程都包含着传导、对流和辐射三种传热方式。带走。上述的每一步传热过程都包含着传导、对流和辐射三种传热方式。从固定床内传热和传质的研究结果得知，固定床内传热和传质的重要从固定床内传热和传质的研究结果得知，固定床内传热和传质的重要性顺序大体如下：性顺序大体如下：传

49、热：床层内部流体与催化剂间颗粒内部传热：床层内部流体与催化剂间颗粒内部 传质：颗粒内部床层内部流体与催化剂间。传质：颗粒内部床层内部流体与催化剂间。第五章第五章 固定床反应器固定床反应器 5.3 固定床反应器结构固定床反应器结构 固定床反应器的结构型式主要是为了适应不同的传固定床反应器的结构型式主要是为了适应不同的传热要求和传热方式，具体可分为：热要求和传热方式，具体可分为：一，绝热式固定床反应器一，绝热式固定床反应器 绝热式固定床反应器又分为单段绝热式和多段绝热绝热式固定床反应器又分为单段绝热式和多段绝热式。式。（一）单段绝热式固定床反应器（一）单段绝热式固定床反应器 单段绝热式固定床反应器

50、是在一个中空圆筒的底部单段绝热式固定床反应器是在一个中空圆筒的底部放置一支撑板，在板上堆积固体催化剂。反应气体经预放置一支撑板，在板上堆积固体催化剂。反应气体经预热到适当温度后，从圆筒体上部通人，经过气体予分布热到适当温度后，从圆筒体上部通人，经过气体予分布装置，均匀通过催化剂层进行反应，反应后的气体由下装置，均匀通过催化剂层进行反应，反应后的气体由下部引出，如图部引出，如图5.5所示。这类反应器结构简单，生产能力所示。这类反应器结构简单，生产能力大。对于反应热效应不大，且反应过程允许温度有较宽大。对于反应热效应不大，且反应过程允许温度有较宽变动范围的反应过程，常采用此类反应器。一个典型的变动