5固定床气-固相催化反应工程

第5章固定床气-固相催化反应工程目录5.1固定床气-固相催化反应工程5.2固定床流体力学5.3固定床热量与质量传递过程5.4绝热式固定床催化反应器5.5连续换热内冷自热式催化反应器5.6连续换热外冷及外热管式催化反应器5.7薄床层催化反应器5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型一固定床气-固相催化反应器的基本类型进行气—固相催化反应器的装置主要有固定床和流化床两大类。◆固定床反应器（FixedBedReactors）1、定义：气体通过由静止的催化剂颗粒构成的床层而进行反应的装置。2、应用：炼油工业：裂解、重整、异构化、加氢精制无机化工：合成氨、硫酸生产有机化工：乙烯氧化制环氧乙烷、氯乙烯的合成乙烯水合成制乙醇。5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型3优缺点优点：①当床层不是太厚（L/dp100），流速不是太低（Re10），流体的轴向流动可视为活塞流，因此具有PFR的特点，cA,rA,xAf②由于床层中的颗粒是静止不动的，于是cat不易磨损，这样降低cat消耗，降低了成本，提高了经济效益，尤其是对比较贵重的金属cat，更是如此。③适应性强，生产规模可大可小，操作灵活（可调），可在高压、高温下操作。5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型缺点：①最大的缺点是床层的传热性能差。原因:a.床层中装有固定不动的cat，影响流体的径向流动b.由于受△P的限制，u，传热速率c.cat颗粒多是导热性差的物质，如活性炭，硅藻土等。②为使△P,dp=2-6mm,dp,ζ③cat的更换和再生困难。气－固相催化反应器固定床反应器流化床反应器绝热式换热式内冷式外冷(热)多段绝热单段绝热4反应器分类5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型4.1按换热方式的不同可分为：绝热式、换热式1）绝热式单段：由反应物到产物一次完成。图5-1它适用于热效应小，单程转化率低，s对T不敏感的反应。多段：反应换热反应换热......即由反应物到产物多次完成。图5-2它可分为间接换热式直接换热式（冷激式）原料气冷激非原料气冷激平衡温度线最佳温度线xT5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型(2)多段固定床绝热反应器（a）间接换热式平衡温度线最佳温度线xTⅠⅣⅢⅡ原料产品5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型（b）原料气冷激式ⅠⅣⅢⅡ平衡温度线最佳温度线xT产品原料ⅣⅢⅡ产品原料ⅠⅠⅣⅢⅡ产品原料5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型(c)非原料气冷激式平衡温度线最佳温度线xT平衡温度线ⅠⅣⅢⅡ原料产品冷激剂5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型2）换热式这类反应器类型很多，常用的型式是列管式图5-6，套管式图5-7。◆按换热介质不同可分为：※自身换热：以原料气为换热介质，自身换热，主要用于热效应不太大的高压反应，如合成氨和合成甲醇等。※对外换热式：由热载体移出热量，按热载体的循环方式可分为：沸腾式、内循环式、外循环式。蒸汽原料调节阀催化剂补充水产物5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型温度床层深度温度反应进度三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型4．2按流体流动方向（反应气体的流动方向）分类1)轴向固定床，用的最多，不特殊说明，均指轴向床。缺点：u，△P2)径向固定床。图5-9。流道短，压降小。径向床设计要求较高，分布流道的制造使气体均布。3)轴径向固定床。图5-12111ζ=(3)3th3pveffRkDVS5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型1、定义：气体通过由处于流化状态的催化剂颗粒构成的床层而进行反应装置。注意：这里的“固定”与“流化”都是对催化剂颗粒所处状态而言的。2、应用：石油、化工、冶金、煤炭等部门。气—固催化反应、矿石焙烧（冶金）、固体干燥（物理过程）、沸腾床（流化床）燃烧锅炉（电力部门）。二、流化床反应器：（FluidizedBedReactors）5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型3、特点优点：①传热效率高，温度分布均匀，于是特别适用于对T敏感的反应。②固体cat具有流动性，更换和再生容易，适用于cat容易失活需及时更换再生的反应，如催化裂解等。③用dp的cat,ζ④u.生产能力5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型缺点：①偏离活塞流程度大，转化率低②粒子的损失和带出严重，于是必须附设粒子回收装置，如旋风分离器等。③由于粒子的湍动，对床层内壁和内部构件磨损严重。④由实验室工业化，放大效应大，放大周期长，放大费用高，丙烯腈放大5年。(Ф300-Ф3000)5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型4、流化床类型：※按操作气速分类：鼓泡床、湍动床、快速硫化床，提升管。※按cat受力方式分类：流体流化床，磁控流化床，离心流化床。※按相态分类：两相床，三相床。※按Geldart分类：A、B、C、D。一般教科书的讨论只限于鼓泡床。流化床是反应工程学科最活跃的领域，发展较快，中国有“颗粒学会”，定期召开全国流态化会议。5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型1、流化床固定床，流化床换热，固定床反应。2、固定床反应（管内），流化床换热（管间）。三、复合床：5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型反应器设计原则反应器设计：化工工艺设计、机械设计※化工工艺设计：反应器造型，工艺操作条件的确定，反应器及换热器工艺尺寸的计算。※机械设计：机械结构设计和强度设计。※设计前具备条件：①热力学数据及有关物性数据。②反应动力学及传递过程模型及数据。5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型※反应器设计应遵循的原则：①根据工艺特点和工程实际情况，确定最佳工艺条件，而且要有一定的操作弹性。②反应器的类型和结构要考虑工艺条件，设备制造、检修、cat.的装卸。③反应器的内、外件要合理放置，使气流分布均匀，④机械结构要可靠。二固定床催化反应器的数学模型1、定义：它是用数学方程式表示实际过程中各个参数的关系，用电子计算机进行设计放大的方法。2、建立数学模型的步骤对过程进行解析（研究它的微观动力学，传递过程规律，了解过程特点）对过程进行合理简化（实际过程很复杂，很难将所有影响因素完全用数字方程式表达出来，于是要抓住实质，进行简化）→予以数学表达，建立数学模型设计、放大→检验、修正→实际使用的模型。计算机5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型3、模型法的特点：准确可靠（由于它是在对动力学规律及传递过程规律充分了解的基础上建立的），因次可以高倍数放大，它可以进行设计放大，也可以对现有的设备进行校核，实现最佳控制。5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型4、几个基本概念：1）非均相模型：颗粒内部和相间的传热，传质计入模型。2）拟均相模型：化学动力学控制，不考虑颗粒内部及相间传递。3）一维模型：，只考虑轴相变化。4）二维模型：5、数学模型的分类：共分为四大类，八小类。详见P153表5-10drdCdrdT0,0drdCdrdT5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型一维模型A类：拟均相模型B类：非均相模型AI：基础模型BI：基础模型＋相间分布AII：AI+轴向返混BII：BI+轴向返混二维模型AIII：AI＋径向分布BIII：BI＋径向分布AIV：AIII＋轴向返混BIV：BIII＋轴向返混6、模型的造取原则：从AIAIV,BIBIV，模型的复杂程度，计算精度↑，相应地，计算量↑↑。如何选取呢？1）计算目的：指生产控制（实时控制/超前控制）还是理论分析。2）计算精度：是粗略估计还是精确计算。3）计算机处理能力：容量，速度。拟均相一维较粗略，而非均相模型计算量太大，一般计算机承受不了，且结果又与拟均相二维很接近，因此拟均相二维最为适宜。5.1固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型1、非中空固体颗粒的相当直径及形状系数在化工生产中，所用催化剂不仅有球形，而且也有非球形。球形颗粒：用直径表示大小非球形颗粒：用当量直径（相当直径）表示大小相当直径有三种：等体积圆球直径（体积相当直径）等外表面积圆球（面积相当直径）等比外表面积圆球直径（比表面积相当直径）5.2固定床流体力学一、固定床的物理特性1、体积相当直径用与非球形颗粒体积相等的球形颗粒的直径dV来表示非球形颗粒的大小，并称dV为非球形颗粒的体积相当直径。由球形体积计算公式313661pVVpVddV体积相等体积Vp体积Vp，直径dy5.2固定床流体力学2、面积相当直径da由球形面积的计算公式外表面积外表面积Sp外表面积Sp直径Dp212ppppSDDS5.2固定床流体力学3、比外表面积相当直径ds比外表面积对于直径为ds的球形颗粒：PPVssssPPVSVSddddVSS6666132比外表面积相等体积Vp外表面积Sp比外表面积SyPPVVSS5.2固定床流体力学4、形状系数φs体积相同的球形颗粒的外表面积与非球形颗粒外表面积之比我们知道，Ss≤Sp，在同体积的几何体中，以球体的外表面积为最小。∴φs≤1φs表示了非球形颗粒与球形颗粒的接近程度——球形度。同时，φs也是上述三种相当直径的关联系数，可以证明：223PVsPsVsSDdDddpssSS5.2固定床流体力学5、混合颗粒的平均直径上面讨论的是单个颗粒大小的表示方法，实际使用的催化剂是存在一个粒度分布的混合颗粒群。我们设计时，只能用一个直径，所以就要讨论众多颗粒的平均直径的计算方法。一般有两种方法：※算术平均直径※调和平均直径计算对比发现，调和平均直径较为符合实验数据。所以在设计中，常用调和平均直径。851iniipdxdniiipdxd115.2固定床流体力学6、固定床的当量直径由于床层中填充了固体催化剂颗粒，使流体的流道变小，所以在设计计算时不能采用空管的直径，而应使用当量直径。（1）床层的比外表面积（2）水力半径（3）床层的当量直径105)1(6)1(1sppPPedVSVSSeSRH总的润湿面积床层的空隙体积润湿周边有效截面积11513244seHedSRd5.2固定床流体力学7、固定床的空隙率及径向流速分布ε--床层空隙率，是表征床结构的重要参数。它不仅影响流体流动进而影响传热、传质，而且也是影响床层压力降的主要因素。◆定义SBBBSBSBWWVVVVV111s整个床层体积床层空隙体积5.2固定床流体力学◆影响ε的因素（1）颗粒形状：φs↑ε↓；（2）粒度分布：分布宽，ε↓（3）表面粗糙度：粗糙度↑ε↑；（4）填充方式：紧填充，ε↓（5）dp/dt：dp/dt↑ε↑；（6）径向位置：中心处ε↓，近壁处ε↑。5.2固定床流体力学◆壁效应器壁对空隙率的影响以及由此造成的对“三传、一反”的影响，称为壁效应。dt/dp↓，壁效应↑，于是在反应器设计时为了减小壁效应，应使dt/dp＞8。◆流速分布：流速分布图见P144图5-14。5.2固定床流体力学1、流动特性流体流动是通过床层空隙来实现的，流体的流通截面积为εA。但ε不均匀，真实流速u（缝隙速度）也存在分布问题，缝隙速度在壁面附近达到最大。另外，固定床层内流体流动从层流状态到湍流状态的转折过程并不明显（与空管中的流体流动相比）。在相同的条件下，可能在床层的一部分处于层流状态，而其它部分则处于湍流状态。5.2固定床流体力学二、单相流体在固定床中的流动及压力降2、压力降◆△P产生的原因（1）流体和颗粒外表面摩擦产生的摩擦阻力（2）孔道