第6章 固定床反应器1

反应工程第六章·固定床反应器1第六章固定床反应器反应工程第六章·固定床反应器26.1概述凡是流体通过固定的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器。如：气-固相催化反应、气-固相非催化反应。乙苯水蒸气催化剂产品测温口乙苯脱氢的绝热床反应器反应工程第六章·固定床反应器3结构简单高空速很少催化剂损耗很小气固返混较长的扩散时间及距离高床层压降床内取热供热困难催化剂取出更新困难催化剂颗粒大，效率低一、固定床反应器的特点反应工程第六章·固定床反应器4反应工程第六章·固定床反应器5反应工程第六章·固定床反应器61.固定床反应器的优点是：①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。②催化剂机械损耗小。③结构简单。2.固定床反应器的缺点是：①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。②操作过程中催化剂不能更换。催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。反应工程第六章·固定床反应器7固定床反应器的分类固定床反应器不同的传热要求和传热方式绝热式二段三段四段冷激式反应特征单段绝热式段间反应气冷却或加热方式中间间接换热式多段绝热式原料气冷激式非原料气冷激式换热式对外换热式自热式加压热水（＜240℃）导热油（250~300℃）熔盐（＞300℃）反应气的流动方向轴向流动固定床反应器径向流动固定床反应器反应工程第六章·固定床反应器8传热介质选用原则：保证催化剂床层与传热介质之间有适宜的温差。常用传热介质的温度范围沸腾水100-300℃有机液态传热介质200-350℃熔盐300-400℃烟道气600-700℃反应工程第六章·固定床反应器9单段绝热式特点：反应器结构简单，生产能力大。缺点：反应过程中温度变化较大。一、绝热式甲醇氧化制甲醛的反应器适合热效应不大、反应对温度的要求较宽的反应反应工程第六章·固定床反应器10多段绝热床根据段间反应气体的冷却或加热方式，多段绝热床又分为中间间接换热式和冷激式。特点：催化剂床层的温度波动小。缺点：结构较复杂，催化剂装卸较困难。反应工程第六章·固定床反应器11反应工程第六章·固定床反应器12间接换热原料冷激非原料冷激多段固定床绝热反应器原料原料冷激剂原料产品产品产品反应工程第六章·固定床反应器13冷激式特点：反应器结构简单，便于装卸催化剂，催化剂床层的温度波动小。缺点：操作要求较高应用：适用于放热反应，能做成大型催化反应器二、换热式按换热介质不同，可分为对外换热式固定床反应器和自热式固定床反应器。对外换热式固定床反应器列管式固定床反应器:通常是在管内放催化剂，管间走热载体对外换热式反应器乙炔法合成氯乙烯反应为放热反应109kj/mol，利用高位槽或加压泵强制循环换热，水温靠调节阀控制压力来调节。气体自上而下流过床层催化剂床层内的流动是通过颗粒之间的空隙进行的，易达到湍流，但与圆管内的流动状况不完全相同反应工程第六章·固定床反应器15逆流并流不同流向的自热式固定床反应器的轴向温度分布示意图反应工程第六章·固定床反应器16逆流并流反应器温升快，且下降也快相反热点靠近反应器进口热点靠近反应器出口反应后期易过冷前期升温较慢，后期易过热可逆放热反应不可逆放热反应反应工程第六章·固定床反应器17催化剂的粒径取值催化剂的粒径25-30mm催化剂的粒径管径1/8粒径↓阻力↑，粒径↑η↓当η≈1时，反应过程为动力学控制，当η＜1时，反应过程为内扩散控制。内扩散不仅影响反应速率，而且影响复合反应的选择性。工业上减少内扩散影响的办法：选用工业上适宜的催化剂颗粒尺寸；必须采用细颗粒时，可以考虑改用径向反应器反应工程第六章·固定床反应器18其他型式固定床反应器气固相固定床催化反应器除以上几种主要型式外，近年来又发展了径向反应器。按照反应气体在催化床中的流动方向，固定床反应器可分为轴向流动与径向流动。轴向流动反应器中气体流向与反应器的轴平行，而径向流动催化床中气体在垂直于反应器轴的各个横截面上沿半径方向流动径向流动催化床的气体流道短，流速低，可大幅度地降低催化床压降，为使用小颗粒催化剂提供了条件。径向流动反应器的设计关键是合理设计流道使各个横截面上的气体流量均等，对分布流道的制造要求较高，且要求催化剂有较高的机械强度，以免催化剂破损而堵塞分布小孔，破坏流体的均匀分布。反应工程第六章·固定床反应器19径向流动反应器中气体在垂直于反应器轴的各个横截面上沿半径方向流动径向流动催化床的气体流道短，流速低，可大幅度地降低催化床压降，为使用小颗粒催化剂提供了条件。径向反应塔示意图反应工程第六章·固定床反应器20反应工程第六章·固定床反应器21反应工程第六章·固定床反应器22反应工程第六章·固定床反应器23拉西环反应工程第六章·固定床反应器24金属环矩鞍反应工程第六章·固定床反应器256.2固定床中的传递过程6.2.1粒子直径和床层空隙率定型尺寸：最能代表颗粒性质的尺寸为颗粒的当量直径。对于非球形颗粒，可将其折合成球形颗粒，以当量直径表示。主要有三种表示：体积相当直径、外表面积相当直径和比表面积相当直径。反应工程第六章·固定床反应器26一、颗粒直径的表示方法1、表示方法体积相当直径面积相当直径比表面相当直径3/1)/6(PVVd2/1)/(PaadPPVSaVSd/6/6式中：SV=ap/Vp，——颗粒的比表面积ap——与非中空颗粒等外表面积的圆球外表面积Vp——非中空颗粒等体积的圆球体积注意：三种方法的计算结果不同反应工程第六章·固定床反应器272、不同当量粒径的关系PPSVSaVdd/62)/(aVSdd颗粒的形状系数球体的形状系数＝1，非球体的形状系数1pSSaa/1S颗粒的形状系数（球形系数）：φs等体积球形粒子的外表面积与非球颗粒的外表积之比。反应工程第六章·固定床反应器28对于大小不等的混合粒子，其平均直径可用筛分分析数据按下式求出：3、混合颗粒的平均直径n1iiiddx/1d大小不等且形状也各异的混合颗粒，其形状系数由待测颗粒所组成的固定床压力降来计算。同一批混合颗粒，平均直径的计算方法不同，计算出来的形状系数也不同。非球形颗粒的形状系数物料形状φs物料形状φs鞍形填料－0.3砂0.75拉西环－0.3各种形状平均尖状0.65烟道尘球状0.89硬砂尖片状0.43聚集态0.55砂圆形0.83天然煤灰大至10mm0.65砂有角状0.73破碎煤粉0.75碎玻璃屑尖角状0.65反应工程第六章·固定床反应器30二、床层空隙率床层空隙率：粒子间的空隙所占床层容积的分率式中Bp——床层堆积密度；——颗粒视密度。PBBPB1VV11床层层体颗粒体积床层体积空隙体积注意：颗粒视密度与真密度之间的区别。反应工程第六章·固定床反应器31孔隙率是催化剂颗粒的孔容积和颗粒的体积之比。VVgp注意：空隙率与孔隙率的区别。反应工程第六章·固定床反应器32固定床的空隙率是颗粒物料层中颗粒间自由体积与整个床层体积之比，它是固定床的重要特性之一。空隙率对流体通过床层的压力降、床层的传热都有重大的影响。颗粒形状、颗粒的粒度分布、充填方式、颗粒直径与容器直径之比都影响空隙率。固定床中同一截面上的空隙率也不相同，近壁处较大，中心处较小。一般工程上认为当床层直径与颗粒直径之比达8时，可不计壁效应。壁效应影响是指靠近器壁的空间结构与其他部分有很大差别，器壁处的流动状况、传质、传热状况与主流体中也有很大差别。当采用实验规模的小型设备研究传质、传热、反应的规律时，器壁的影响远比大型设备为大。6-9填充床的空隙率床层空隙率εB球形圆柱形不规则反应工程第六章·固定床反应器34三、固定床的当量直径1、床层比表面SBppBppppBppedVaaVanS/)1(6)1()1(式中，np——单位体积床层中颗粒的个数。ap——为与非中空颗粒等外表面积的圆球外表面积εB——床层空隙率Vp——非中空颗粒等体积的圆球体积反应工程第六章·固定床反应器35VSBBSBBeBHeddSRd132132442、床层当量直径式中，RH——水力半径。床层的空隙体积总的润湿面积HR有效截面积润湿周边＝eBS根据水力半径的定义有：反应工程第六章·固定床反应器363、固定床的径向流速分布尽管在近壁处空隙率较大，但壁摩擦阻力使流速将低到接近0。一般工程上认为当床层直径与颗粒直径之比dt/ds=8时，可不计壁效应。反应工程第六章·固定床反应器37空管内层流空管内湍流填充层内液体流动填充层内气体流动102反应工程第六章·固定床反应器38按混合颗粒的平均直径计算离壁距离床层空隙率εB010.80.40.511.522.523.544.55距壁4个颗粒直径处，床层空隙率和流速分布趋平坦，因此一般工程上认为当床层直径与颗粒直径之比值达8时可不计壁效应。反应工程第六章·固定床反应器3975.1R1501LdupemB3BS2m6.2.2床层压降床层压降是固定床反应器设计的重要参数，要求床层压降不超过床内压力的15%。气体流动通过催化剂床层的压力降厄根(Ergun)方程计算式：75.1R150fem摩擦系数反应工程第六章·固定床反应器40)1(udRBmSem修正雷诺数：um——平均流速(空床气速)；L——床层高度；ρ、μ——流体的密度和粘度；ds——比表面当量直径。反应工程第六章·固定床反应器4175.1R1501LdupemB3BS2mRem10，层流，上式中右边第二项可忽略；Rem1000，湍流，上式中右边第一项可忽略。反应工程第六章·固定床反应器423Bn3spn3B2md)1(LGf2p式中：dp——体积相当直径；——质量流速。fm和n可由图6-11查取。muG常用的Δp计算公式：图6-11固定床的摩擦系数VBBe2e2eS)1(44d2ud1fdldp2udlfp润湿周边流通截面积推导在化工原理中：de：当量床层直径(水力直径)dp/dl：床层高向的压强变化ρ：流体密度u：实际流速，通常以空塔气速um=uεB表示反应工程第六章·固定床反应器45VSBBSBBeBHeddSRd13213244sBBHeVseBHd)1(32R4dS/6dSR而比表面当量直径：总的润湿面积床层空隙体积润湿周边有效截面积水力半径：床层比表面积：SBed/)1(6S反应工程第六章·固定床反应器46修正雷诺准数其中：中得将eMeM'3BBs2m'2emeR)R(ff43f1dufdldp2ud1fdldpud代入式、75.1R150fRfR32)1(ud32udRem'eM'emBmsee：　的经验关联式与s2m3BBems2m3BBemdu175.1R150LPdu175.1R150dldpErgun解为床层填充均匀，则方程对较小，温度变化不大，压降相如果流体通过床层时的方程得：反应工程第六章·固定床反应器48影响固定床压力降的因素流体流体的密度流体的粘度流体的质量流率床层床层的高度床层的空隙率流通截面积颗粒颗粒的形状颗粒的粒度颗粒的表面粗糙度颗粒的物理特性75.1R1501LdupemB3BS2m床层直径与颗粒直径之比dt/ds8时应考虑壁效应对固定床压力降的影响。用下列关联式：75.1GdM1150M11LGdpSBfB