7-第6章-固定床反应器4

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21.定义：凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置。固体催化剂颗粒堆积起来所形成的固定床层静止不动，气体反应物自上而下流过床层，进行反应的装置称作固定床反应器。6.1概述反应工程第六章·固定床反应器3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6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，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7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反应工程第六章·固定床反应器8二、固定床反应器的优缺点固定床反应器的优点：1、催化剂不易磨损。2、固定床层内的气相流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性；3、可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力；4、结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂；5、反应器的操作方便、操作弹性较大。反应工程第六章·固定床反应器9固定床反应器的优缺点相对于流化床反应器，固定床反应器缺点：•催化剂颗粒较大，有效系数较低；•催化剂床层的传热系数较小，容易产生局部过热；•催化剂颗粒的更换费事，不适于容易失活的催化剂。反应工程第六章·固定床反应器10三、固定床反应器类型固定床反应器形式多种多样，按床层与外界的传热方式分类，可有以下几类：绝热式固定床反应器，多段绝热式固定床反应器，列管式固定床反应器，自热式反应器。））反应工程第六章·固定床反应器11固定床反应器类型1.绝热式固定床反应器反应器外壳包裹绝热保温层，使催化剂床层与外界没有热量交换。中空圆筒的底部放置搁板，上面堆放固体催化剂。气体从上而下通过催化剂床层。结构简单，床层横截面温度均匀。单位体积内催化剂量大，即生产能力大。但只适用于热效应不大的反应。反应工程第六章·固定床反应器12原料气产物催化剂绝热式固定床反应器固定床反应器类型反应工程第六章·固定床反应器13固定床反应器类型1、绝热式固定床反应器可分为轴向反应器和径向反应器。(1)轴向绝热式固定床反应器如图(a)所示。这种反应器结构最简单，实际上是一个容器，催化剂均匀堆置于床内，预热到一定温度的反应物料自上而下流过床层进行反应，床层同外界无热交换反应工程第六章·固定床反应器14固定床反应器类型(2)径向绝热式固定床反应器如图(b)所示。径向反应器的结构较轴向反应器复杂，催化剂装载于两个同心圆构成的环隙中，流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动。径向反应器的优点是流体流过的距离较短，流道截面积较大，床层阻力降较小。反应工程第六章·固定床反应器15固定床反应器类型（a）（b）反应工程第六章·固定床反应器16固定床反应器类型反应工程第六章·固定床反应器17固定床反应器类型2.多段绝热式固定床反应器热效应大，常把催化剂床层分成几段(层)，段间采用间接冷却或原料气（或惰性组分）冷激，以控制反应温度在一定的范围内。图(c)是用于SO2转化的多段绝热反应器，段间引入冷空气进行冷激。对于这类可逆放热反应过程，通过段间换热形成先高后低的温度变化，提高转化率和反应速率。反应工程第六章·固定床反应器18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19固定床反应器类型反应工程第六章·固定床反应器20固定床反应器类型3.列管式固定床反应器热效应较大，不宜采用绝热式反应器，可采用换热式固定床反应器。此设备如同列管式换热器，又称为列管式固定床反应器。如图(d)所示，反应器由多根反应管并联构成，管径一般为25~30㎜，管数可达万根以上。管内装催化剂，传热介质流经管间进行加热或冷却。反应工程第六章·固定床反应器21固定床反应器类型反应工程第六章·固定床反应器22固定床反应器类型•列管式固定床反应器具有良好的传热性能，单位床层体积具有较大的传热面积，可用于热效应中等或稍大的反应过程。反应器由成千上万根“单管”组成。一根单管的反应性能可以代表整个反应器的反应效果，因而放大设计较有把握，在实际生产中应用比较广泛。反应工程第六章·固定床反应器23列管式固定床反应器反应工程第六章·固定床反应器24固定床反应器类型列管式反应器优点：•传热较好，管内温度较易控制；•返混小、选择性较高；•只要增加管数，便可有把握地进行放大；•对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物料来稀释催化剂•适用:原料成本高，副产物价值低以及分离不是十分容易的情况。反应工程第六章·固定床反应器25固定床反应器类型蒸汽原料调节阀催化剂补充水产物反应工程第六章·固定床反应器26固定床反应器类型4、自热式反应器采用反应放出的热量来预热新鲜的进料，达到热量自给和平衡，其设备紧凑，可用于高压反应体系。但其结构较复杂，操作弹性较小，启动反应时常用电加热。反应工程第六章·固定床反应器27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28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29四、传热介质•传热介质的选用根据反应的温度范围决定，其温度与催化床的温差宜小，但又必须移走大量的热，常用的传热介质有：1.沸腾水：温度范围100~300℃。使用时需注意水质处理，脱除水中溶解的氧。2.联苯醚、烷基萘为主的石油馏分：粘度低，无腐蚀，无相变，温度范围200~350℃反应工程第六章·固定床反应器30传热介质3.熔盐：温度范围300℃～400℃，由无机熔盐KNO3、NaNO3、NaNO2按一定比例组成，在一定温度时呈熔融液体，挥发性很小。但高温下渗透性强，有较强的氧化性。4.烟道气：适用于600～700℃的高温反应。反应工程第六章·固定床反应器31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列管式反应器自热式加压热水（＜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32二、固定床反应器的优缺点固定床反应器的优点：1、催化剂不易磨损。2、固定床层内的气相流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性；3、可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力；4、结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂；5、反应器的操作方便、操作弹性较大。反应工程第六章·固定床反应器33固定床反应器的优缺点相对于流化床反应器，固定床反应器缺点：•催化剂颗粒较大，有效系数较低；•催化剂床层的传热系数较小，容易产生局部过热；•催化剂颗粒的更换费事，不适于容易失活的催化剂。反应工程第六章·固定床反应器34原料气产物催化剂绝热式固定床反应器固定床反应器类型反应工程第六章·固定床反应器35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36固定床反应器类型反应工程第六章·固定床反应器37列管式固定床反应器反应工程第六章·固定床反应器38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39固定床反应器类型（a）（b）反应工程第六章·固定床反应器40固定床反应器类型反应工程第六章·固定床反应器416.2固定床的传递特性•气体在催化剂颗粒之间的孔隙中流动，较在管内流动更容易达到湍流。•气体自上而下流过床层。反应工程第六章·固定床反应器426.2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43一、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44(1)描述颗粒形状①颗粒的球形度φ颗粒的表面积粒的表面积与颗粒等体积的球形颗球形度AAs公式表示：表明：颗粒形状接近于球形的程度；φ↑，则颗粒越接近于球形。球形颗粒：11球形颗粒非球形颗粒反应工程第六章·固定床反应器45②颗粒的比表面积aVAmma)()(32颗粒体积颗粒表面积VAas说明：V相同时，a↓，则颗粒越接近球形。a与φ关系：sssssdddVAa6632球形颗粒比表面积：反应工程第六章·固定床反应器46例1边长为L=4mm的正方体颗粒求：dv,ds,da,ψ,a解：336πvdLVmm524.14π63LdV22π6SdLSmm5.538.14π6LdSadLLVSa6632mm4Lda反应工程第六章·固定床反应器47②dv,ds,da三者关系da≤dv≤ds32/mm1500004.066ada81.05.552222SVddsvaddd5.1反应工程第六章·固定床反应器48混合颗粒的特性参数(1)颗粒的筛分尺寸标准筛：有不同的系列，常用泰勒标准筛。筛号(目数)：每英寸长度筛网上的筛孔数目；筛过量：通过筛孔的颗粒量；筛余量：截留于筛面上的颗粒量。反应工程第六章·固定床反应器49①颗粒的筛分尺寸21iipiddd算术平均：iipiddd1几何平均：②筛分尺寸与颗粒特性参数的关系颗粒不是明显的长或短：颗粒在某方向上略长：(2)颗粒群的平均特性参数①平均比表面积：piaidd21)2(长短比piaiddaiiimdwawai6di-1didi+1di+2反应工程第六章·固定床反应器50②颗粒群的等比表面积当量直径aiimamdwad116颗粒床层的特性(1)床层空隙率①定义：床层中，空隙所占体积分率。表明：床层堆积的松散程度；ε↑，空隙越大，床层越松散；ε对流体流过床层的阻力影响很大。BBBVVVVV1Lu反应工程第六章·固定床反应器51②影响床层空隙率的因素（a）装填方法：干装湿装（b）颗粒特性的影响颗粒形状：靠壁面处：粒径分布：③空隙率测量---充水法、称量法;,,/DdP壁效应，使；颗粒均匀，颗粒光滑，反应工程第六章·固定床反应器52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53二、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54颗粒视密度又称颗粒密度。即单个颗粒的密度。若单个催化剂颗粒质量为m，颗粒体积为V粒，则视密度ρp=m/V粒床层堆积密度是单位体积颗粒床层的固体质量，颗粒床层体积是颗粒体积与颗粒之间空隙的总和。若催化剂质量为m，堆体积为