第6章 固定床反应器

1、第六章 固定床反应器,6 . 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。,乙苯脱氢的绝热床反应器,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,1.固定床反应器的优点是：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。催化剂机械损耗小。结构简单。 2.固定床反应器的缺点是：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）。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。,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（250300 ）,熔盐（30

2、0 ）,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,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 ,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,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。,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,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

3、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,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,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,当1时，反应过程为动力学控制，当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,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

4、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。,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,拉西环,金属环矩鞍,6 . 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。,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,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,2、不同当量粒径的关系,颗粒的形状系数 球体的形状系数1，非球体的形状系数1,颗粒的形状系数（球形系数）：s,等体积球形粒子的外表面积与非球颗粒的外表积之比。,对于大小不等的混合粒子，其平均直径可用筛分分析数据

5、按下式求出：,3、混合颗粒的平均直径,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,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, 床层堆积密度； 颗粒视密度。,注意：颗粒视密度与真密度之间的区别。,孔隙率是催化剂颗粒的孔容积和颗粒的体积之比。,注意：空隙率与孔隙率的区别。,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B,光滑均

6、一,光滑非均一,粘土,球形,圆柱形,不规则,光滑均一,刚玉均一尺寸,1 / 4 英寸陶质拉西环,熔融刚玉,熔融磁铁,铝砂,三、固定床的当量直径,1、床层比表面,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 B床层空隙率 Vp 非中空颗粒等体积的圆球体积,2、床层当量直径,式中，RH 水力半径。,根据水力半径的定义有：,3、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。,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,1,0,2,按混合颗粒的平均直径计算离壁距离,床层空隙率B,0,1,0.8,0.4,0.51 1.5 2 2.5 2 3.5 4 4.5 5,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。,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：

7、,摩擦系数,修正雷诺数：,um 平均流速(空床气速)； L 床层高度； 、 流体的密度和粘度； ds 比表面当量直径。,Rem1000，湍流，上式中右边第一项可忽略。,式中：dp 体积相当直径； 质量流速。 fm和n可由图6-11查取。,常用的p计算公式：,图6-11 固定床的摩擦系数,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 ：流体密度 u：实际流速，通常以空塔气速um=uB表示,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,床层直径与颗粒直径之比 dt / ds 8 时应考虑壁效应对固定床压力降的影响。用下列关联式：,床层压降计算 例：在内径为50mm的管内装有4m高的催化剂层，催化剂的粒度分布如下表。催化剂为球体，空隙率B0.44。在反应条件下的气体密度=2.46kg/m3，粘度=2.310-5kg/(ms)，气体的质量流速G =6.2kg/(m2s)。求床层压降。,习题： 1、气体通过固定床空床气速为0.2

8、m/s，填充的固体颗粒的堆密度为1.2g/cm3，颗粒视密度1.8g/cm3，求实际流速为多少？ 2、P194 1,例:在充填直径为9mm,高为7mm的圆柱形铁铬催化剂的固定床反应器中，在0.6865MPa下进行水煤气变换反应。反应气体的平均相对分子量为18.96，质量速度（按空床计算）为0.936kg/(s.m2)。设床层的平均温度为689K，反应气体的黏度为2.510-5Pa.s。已知催化剂的颗粒密度和床层的堆密度分别为2000kg/m3及1400kg/m3， L=1m 。试计算单位床层高度的压力降。 解：由题意知,床层空隙率为,代入厄根(Ergun)方程：,6.2.3 固定床中的传热,床层的传热性能直接决定了床内的温度分布，从而对反应速率和产物的组成分布都具有十分重要的影响。,传热方式： 导热、对流传热、热辐射。 传热途径： 粒内传热、颗粒与流体间传热、床层与器壁间传热。,固定床的径向传热方式,床层空隙内部流体的传热,颗粒之间通过接触的传热,颗粒表面附近流体中的传热,空隙内部流体的辐射传热,流体混合所引起的径向对流传热,颗粒表面之间的热辐射传热,一、颗粒与流体间传热系数,1、传热

9、因子,适用范围,颗粒与流体间的传（给）热系数hp,dp可用dv代,注意：在参考其他教材时，给热系数多以表示。,计算传热系数的经验公式有很多，可从有关文献或工具书中查取。应用时要注意公式规定的特性尺寸、特性温度和适用范围。,式中： 单位重量催化剂的外表面积 床层比表面积Se的校正系数 主体、外表面温度,2、流体与颗粒间传热温差的计算,热量平衡,上式可整理成,其中，传热量,普朗特数,根据6-12的关联图，查图可求得不同条件下的t。,根据牛顿冷却定律：,：单位时间内传递的热量 ：流体对颗粒的给热系数 ：气相主体和催化剂表面温度 ：催化剂外表面积 ：床层比表面积的校正系数 注：在其他教材中给热系数通常是以表示,图6-12 固定床中流体与颗粒外表面温差,t0 rA Hr,G时t,e 是针对拟均相模型提出的综合性传热参数，一般是指径向热导率er (轴向热导率为ez)。 e值与颗粒与流体之间对流传热，颗粒及流体本身的导热，床层的辐射传热等多种传热作用有关。它不是物性参数，而是流体和固体颗粒特性以及流动状态的函数。,二、固定床的有效热导率,粒径/管径,图6-14求有效热导率e,式中， 流体的热导率 流体静止时床层的热导率 径向与轴向传质速率之比 颗粒间距与粒径比的影响 值可由图6-14查取。,包含床层空隙和颗粒对传热的贡献，由下式计算,式中， 分别表示颗粒与流体的热导率； 粒子表面的热辐射率； 床层的平均温度； 空隙的辐射给热系数；,颗粒的辐射给热系数；,颗粒的辐射给热系数；, 颗粒接触点处流体薄膜对导热的影响。,床层空隙的辐射给热系数：hrv,由图6-15查取。,由图6-15查取。,图6-15求所用的值,当颗粒直径甚小，床层温度不是很高，以及含有液体时，空隙和颗粒的辐射传热可忽略，床层空隙和颗粒对传热的贡献可简化为：,三、床层与器壁间的给热系数 h0 一维模型中，床层与器壁间传热速率为,h0可由经验公式计算,式中， y 无量纲数,（适用范围：y 0.2）,：床

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