化学反应：第六章 固定床反应器.pptx

第六章 固定床反应器,定义：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 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6.1概述,其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占有最主要的地位 如，合成氨、硫酸、合成甲醇基本化学工业 环氧乙烷的制备、乙苯脱氢制苯乙烯及炼油厂中的铂重整等石油化工工业 红热焦炭中通入水蒸气制备水煤气，矿物的焙烧、还原非催化反应,固定床反应器的优点,催化剂不易磨损非失活可长期使用 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 反应速率快，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； 停留时间可以严格控制，温度分布可适当调节，反应器的操作方便、操作弹性较大 -大生产占优势,缺点,传热较差，结果就是对于热效应大的反应过程，传热与控制温度成为固定床技术的难点 催化剂颗粒的更换费事，必须停产进行不适于容易失活的催化剂固定床反应器类型,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,典型的绝热反应是乙苯脱氢制苯乙烯过程简述如下： 反应需供热140kJ/mol，依靠加入2.6倍于乙苯质量的高温（710 oC）水蒸气，乙苯与水蒸气混合后在630 oC加入固定床反应吸热，离开时温度下降到565C水蒸气的作用不仅是（1）它可以安全地被预热到高温，热容量大，因此可以带走大量的显热；（2）而且还起了稀释作用，使反应的平衡向更有利于生成苯乙烯的方向移动，提高单程转化率; （3） 此外水蒸气还有使催化剂上的结炭随时得到再生从而保持反应器得以长期连续运转的功能反应后的产物只需简单的冷凝即可与水分开绝热式固定床反应器,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 间接换热原料冷激非原料冷激,原料,原料,冷激剂,原料,产品,产品,产品,换热量不太大时可采用层间加入盘管的形式。

如环己醇脱氢制备环己酮，丁二醇脱水制丁二烯等如乙炔加氢，放热177kJ/mol，为防止温度上升使乙炔收率下降，在层间喷水，利用水的汽化来吸收热量 近代的大型合成氨反应器也采用中间冷激的多段绝热床的形式,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，通过段间换热以提高转化率和反应速率总之，不论是吸热或放热的反应，绝热床的应用是相当广泛的，特别对于大型的，高温或高压的反应器，希望结构简单，同样大小的装置内能容纳尽可能多的催化剂以增加生产能力（少加换热空间），而绝热床正好能符合这种要求 但如果绝热床的温度变化总是较大的，由于温度对反应的影响同样不可忽视，故要综合分析并根据实际情况来决定 使用绝热床时要注意高径比不能过大，床层催化剂的填充一定要均匀，要注意气流的预分布，以保证气流在床层内的均匀分布,（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 反应器由多根反应管并联构成，管径一般为25-50，管数可达万根以上一般管内装催化剂，传热介质流经管间进行加热或冷却管径的大小要根据反应热和允许的温度情况而定。

催化剂的粒径应小于管径的8倍，以防近壁处出现沟流（壁效应：靠近壁面处的空隙率比其它部位大） 但同时粒径越小，流体流动时的压降越大，而床层压降的出现也是在生产实际上的重要限制因素之一因此固定床用的粒径约为26 mm不小于1.5 mm 传热用的热载体最常用的是水，通过调节压力可在100300 oC的范围应用对于600 oC以上的高温反应，只能用烟道气作为热载体传热介质,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100300 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 3.熔盐：温度范围300400，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600700的高温反应乙炔与氯化氢合成氯乙烯是一种典型的列管式换热器固定床基本单元组合反应放热109kJ/mol，管外用沸腾水传热，使管内温度控制在150180 ，水的循环是靠位能或外加循环泵来实现的，水温则靠蒸汽出口的调节阀控制一定的压力来保持。

应使床层处于热水或沸腾水的条件下进行换热固定床反应器类型,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，如合成氨及甲醇 根据床层内外流体流向的不同，有顺流与逆流之分 根据套管数目的多少又有单套管、双套管和三套管之分单套管,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,双套管并流,使用较多的是双套管并流式，其即能使下部床层温度维持的较高，又能使上部床层较迅速的达到最优温度，使床层内的催化剂迅速升温到最优温度以上从传热的观点来简要说明了固定床反应器的几种形式至于对催化剂的要求，除一般的化学性能要求外，还要求有一定的强度，以免粉碎和堵塞通道，造成压降增大，气体在各管内的流量不均，从而使得各管温度不一，活性不同，影响反应结果 在新添加催化剂时，要使各管阻力相等 催化剂必须有较长的寿命，从整体来看，在某反应后期，适当增加一些催化剂的装置数量在某些工业上也有采用,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,沸腾水,烟道气,熔盐,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,6.2 固定床中的传递过程,6.2.1粒子直径和床层空隙率 固定床层中，单位床层的体积中粒子的质量称为床层密度或堆积密度，用 表示。

以区别固体粒子的颗粒密度和真密度 由于粒子大小和形状都影响床层的空隙率， （即粒子间的空隙所占床层容积的分率）故堆积密度会发生变化床层空隙率B：单位体积床层内的空隙体积（没有被催化剂占据的体积，不含催化剂颗粒内的体积）颗粒的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，以当量直径表示方法有三，体积、外表面积、比表面积体积：(非球形颗粒折合成同体积的球形颗粒应当具有的直径） 外表面积： (非球形颗粒折合成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径） 比表面积： (非球形颗粒折合成相同比表面积的球形颗粒应当具有的直径）,对于非球形粒子，其外表面积 要大于同体积球形粒子的外表面积 定义颗粒的形状系数为 除球形颗粒外，其余形状颗粒的形状系数均小于1，他的大小反映了颗粒形状与圆球的差异程度见表6-1,边长为L=4mm的正方体颗粒 求：dv, ds, da, , a,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颗粒的筛分尺寸,混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子直径的加权平均）,固定床的当量直径 （de）,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6-9填充床的空隙率,床层空隙率B,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,6.2.2床层压降,气体流动通过催化剂床层的空隙形成的通道时，与孔道周壁摩擦将产生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：,推导,de：当量床层直径 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=u/B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,气体粘度（g/cm.s）,催化剂形状系数：,催化剂床层空隙率,气体质量流速（g/cm2.s）,催化剂颗粒的体积当量直径,例6.1 在内径为50mm的管内装有4m高的催化剂层，催化剂的粒径分布如表所示。

催化剂为球体，空隙率B=0.44在反应条件下气体的密度g=2.46kg.m-3，粘度g=2.310-5kg.m-1s-1，气体的质量流速G=6.2kg.m-2s-1求床层的压降解：求颗粒的平均直径 计算修正雷诺数计算床层压降例6-1,6.2.3 固定床中的传热（传热系数计算）,固定床中的传热性能影响温度分布，进而影响反应速度及产物分布传热方式： 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、床层与器壁间传热表征传热的参数： （1）颗粒本身的导热系数p（有实验测定,表6-3） （2）颗粒与流体间传热的给热系数hp （3）管壁处的给热系数hw （4）总给热系数h0（固定床单纯作为换热装置时，以床层的平均温度（tm）与管壁（tw）的温差为推动力）； （5）有效导热系数e（在拟均相模型中，把包括颗粒与流体的床层视为均相） 由于混合扩散情况的差异，需要进一步区分轴向和径向的有效导热系数如： 轴向ez和径向erG,图6-12 固定床中流体与颗粒外表面温差,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； 床层的平均温度； 空隙的辐射给热系数；,颗粒的辐射给。