常州工程职院化学反应过程与设备课件11固定床反应器

固定床反应器¢固定床反应器的结构è固定床反应器的结构Ø绝热式固定床反应器　反应器绝热措施良好，无热量损失且与外界无热量交换。对于可逆放热反应，依靠本身放出的反应热而使反应气体温度逐步升高；催化床入口气体温度高于催化剂的起始活性温度，而出口气体温度低于催化剂的耐热温度。　　绝热式反应器又分为单段绝热式和多段绝热式。Ø单段绝热式Ø多段绝热式Ø换热式固定床反应器热载体：水、高压水：100~300℃导生油：200~350℃熔盐：300~500℃烟道气：600~700℃特点：换热效果好、床温均匀，但结构较复杂。应用：热效应大、温度要求均匀控制的场合。Ø对外换热式结构Ø热点（成因、解决措施）Ø径向反应器由混合室、收集室、催化剂室和中心室组成。可用于细颗粒催化剂、压降不高节省了动力消耗。固定床反应器内的流体流动è固定床反应器内的流体流动n催化剂的物理性状Ø比表面积指每克催化剂的表面积，记为，单位为m2/g。Ø空隙率指催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比，用ε表示。Ø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时，该颗粒的密度，记为，单位为g/cm3。Ø堆积密度又称填充密度，是对催化反应床层而言。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，单位可用g/cm3、g/l或kg/m3表示。n固定床特性Ø1.体积相当直径dV：用体积相同的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的直径。　　　　球粒：非球粒：VP　　　　　VP=VSSVVd36316PVVdØ面积当量直径da：用面积相同的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的直径。球粒：非球粒：APAS=APSaAd221PaAdØ比表面相当直径dS：用比面积相同的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的直径。比表面积Sg:m2/m3:单位体积的催化剂所具有的表面积。m2/g:单位质量的催化剂所具有的表面积。球粒：非球形颗粒：　　　=326SSdd326SSddPPVAPPSAVd6Ø形状系数：用体积相同的球形颗粒的外表面积比上非球形颗粒的外表面积。1PSSAAØ三种直径的关系：dS=　dV=SaSd5.1Ø平均直径算术平均直径：调和平均直径：几何平均直径：niiWidxd1niiWidxd11iiidddn固定床当量直径dede=4RH=4式中：dS:比表面当量直径流道的润湿周边流道的有效截面积Sedd132n固定床反应器中流体流动特性Ø流体在固定床中的流动的复杂性　　在床层径向，流速分布不均匀，滞流、过渡流、湍流同时存在径向、轴向返混同时存在。Ø固定床流体流动模型　　流体流动由两部分合成：一部分为流体以平均流速沿轴向作理想置换式流动；另一部分为流体的径向和轴向的混和扩散。Ø使气体分布均匀的办法a.使催化剂各部位阻力相等。b.采用气体分布器。如分布锥、分配头、设栅板等。c.附加导流装置。n流体通过固定床的压力降Ø压降产生原因：摩擦阻力ΔP1：由于流体颗粒表面之间的摩擦产生。局部阻力ΔP2：流体在孔道内的收缩、扩大及再分布所引起的。Ø压降的计算ΔP=ΔP1+ΔP2=　　　　　　　　　　　　Pa　　　　　　　　　式中混合物的粘度　　　　　　　kg/m.s3023202)1(75.1)1(150LduLduSOGfSOGf2121iiifiifMyMy简化式：当　　　　　　　　　　时：ΔP=ΔP1当ReM103时：ΔP=ΔP2设计要求：ΔP≤15%P操工业上降低压力降的办法：↑ε、↓L0、↓uOG、↑dS等。1011fOGfseMudR固定床反应器内的传质与传热固定床反应器的工艺计算è固定床反应器内的传质与传热n固定床反应器内的传质Ø传质过程：外扩散、内扩散Ø催化反应的总速度考虑内扩散和动力学后的总速度才是实际催化反应速度催化剂的有效系数η度相等时的反应速度催化剂内外表面温度浓实际催化反应速度1SRrrη=0.01~1η=1动力学控制　　η1内扩散控制n传热过程Ð传热过程分析：以放热反应为例Ø反应热从催化剂的内表面向外表面传递。Ø反应热从催化剂的外表面向气相主体传递。Ø反应热少部分由反应后的物料沿轴向带走，大部分沿径向通过催化剂和流体构成的床层传到器壁，再由热载体带走。Ð床层对壁总给热系数αt的计算：w/m2.℃•dQ=αt(Tm-Tw)dA=αtdt(Tm-Tw)dl式中：αt：由为利瓦提出床层被加热时：（吸热反应）床层被冷却时：（放热反应）P91例3—6、P91例3—7tpfpfttddGdd6exp813.09.0tpfpfttddGdd6.4exp5.37.0è固定床反应器的工艺计算n固定床反应器工艺设计原则　Ø工艺设计不只是一个单纯的催化剂用量及优化计算，而是根据工艺的特点和工程实际情况，应用工程的观点来确定最优工艺操作参数。Ø应根据工艺操作参数、设备制备和检修、催化剂的装卸等方面的要求综合起来选用催化床的类型和结构。Ø高压反应器的筒体内要设置催化床、床外换热器、冷激气管和热电偶管，有时还要放置开工预热用的电加热器。这些部件要在反应器内合理地组合，催化剂的装载系数要高，气流分布要均匀，气流通过反应器的压降要小。Ø机械结构要可靠，要考虑到反应器内某些部件处于高温状况下的机械强度和温差应力等因素。Ø多段式催化床要妥善地设计段间气体和冷激气体的分布以及均匀混合装置。n设计方法Ø经验法：用实验室、中间试验装置或工厂现有装置中最佳条件测得的数据，如空速、催化剂的空时收率及催化剂的负荷等作为设计依据，按规定的生产能力计算并确定催化剂的用量、床高、床径等的计算。该法简单，但精确度较差。Ø数学模型法：根据反应动力学可分为非均相与拟均相两类；根据催化床中温度分布可分为一维模型和二维模型；根据流体的流动状况又可分为理想流动模型（包括理想置换和理想混合流动模型）和非理想流动模型。n固定床反应器的工艺计算内容（经验法）Ø催化剂用量的计算。Ø反应器高度和直径的计算。Ø传热面积的计算与校核。Ø床层压力降的计算与校核。n催化剂用量的计算Ø空速Sv：单位体积的催化剂在单位时间内所通过的原料的标准体积流量。RNVV0SVØ接触时间τc：反应条件下，气体通过催化剂床层中自由空间所需要的时间。36001103.10127330PTSVVVRC式中：V0：反应条件下气体的体积流量。Ø空时收率Sw：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。SGØ催化剂的负荷Sg：单位质量的催化剂在单位时间内通过化学反应所消耗的原料量。SWGWWSØ床层线速度u与空床速度u0:床层线速度u:反应条件下气体通过催化剂床层自由截面的速率。tAVu0空床速度u0:反应条件下气体通过床层截面时的速率。tAVu00n反应器高度和直径的计算：根据经验取u0→At→ΔP校核00uVAt00VVuAVHRtR绝热时：tAD4列管式：dt→n　　　或　　　　　　若为正三角形排列：　　　　　　（N为圆整后的列管数）+2e24ttdAnHdVntR2460sin2NtAttAD43、床层传热面积的计算与校核：mtKQ≥A需A=式中：K的计算根据经验选取。è固定床反应器的日常运行与操作n温度调节Ø控制反应器入口温度Ø控制反应床层间的急冷氢量Ø原料组成的变化会引起温度的变化Ø反应器初期与末期的温度变化Ø反应温度的限制è以加氢裂化反应器运行与操作为例n压力的调节Ø氢气压缩机的压力调节Ø反应温度的影响Ø原料变化的影响n氢油比的控制n空速操作原则n催化剂器内再生操作Ø再生前的预处理Ø再生的进行Ø再生的结束