7-第6章-固定床反应器4.ppt

第六章 固定床反应器,1. 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,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,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,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。

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绝热式 固定床 反应器,固定床反应器类型,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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,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，床层阻力降较小固定床反应器类型,,,,,,,,,（a） （b）,,,,固定床反应器类型,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,固定床反应器类型,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固定床反应器类型,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列管式 固定床 反应器,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固定床反应器类型,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,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℃,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,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绝热式 固定床 反应器,固定床反应器类型,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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,固定床反应器类型,列管式 固定床 反应器,,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,固定床反应器类型,,,,,,,,,（a） （b）,,,,固定床反应器类型,6.2 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,(1) 描述颗粒形状,① 颗粒的球形度φ,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：,② 颗粒的比表面积 a,说明：V相同时，a ↓，则颗粒越接近球形a 与φ关系：,球形颗粒比表面积：,例 1 边长为L=4mm的正方体颗粒 求：dv,ds,da,ψ,a 解：,②dv, ds, da三者关系da≤dv≤ds,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① 颗粒的筛分尺寸,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：,② 颗粒群的等比表面积当量直径,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② 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,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VB，则堆密度ρB=m/VB同一种颗粒，其真密度不变，但当床层的空隙率不同时，颗粒床层的堆密度不同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,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光滑均一,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εB——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，可不计壁效应按混合颗粒的平均直径计算离壁距离,床层空隙率εB,0,1,0.8,0.4,0.5 1 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。

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,,1,0,2,6.2.2 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：,摩擦系数,,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Rem1000，湍流，上式中右边第一项可忽略。