第六章_固定床反应器

1第六章固定床反应器气固相催化反应器可分三大类：固定床反应器；流化床反应器；移动床反应器。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4主要固定床催化反应过程如下表基本化学工业石油化学工业烃类水蒸气转化一氧化碳变换一氧化碳甲烷化氨合成二氧化硫氧化甲醇合成催化重整异构化二氯化烷醋酸乙烯酯丁二烯顺酐苯酐环已烷苯乙烯加氢脱烷基6.1.1固定床反应器的优缺点•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；•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；•结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂；•反应器的操作方便、操作弹性较大。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。6.1.2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。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。89原料气产物催化剂绝热式固定床反应器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。10(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。轴向反应器与径向反应器(a)(b)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。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。(d)•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。20列管式固定床反应器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。蒸汽原料调节阀催化剂补充水产物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。246.1.3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℃253.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。26276.2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。6.2.1颗粒尺寸•颗粒尺寸是颗粒体系的重要参数，常用粒径来表示。球形粒子的粒径是其直径，其他形状的粒子粒径则需定义。•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，可将其折合成具有相同的体积（或外表面积、比表面积）的球形颗粒，以当量直径表示。如体积、外表面积、比表面积当量直径。2829•体积当量直径：(非球形颗粒折合成同体积的球形颗粒应当具有的直径）•外表面积当量直径：(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）31S3Sπ66πVddVV球形体积：ππS2SSddSa球形外表面积：30•比表面积当量直径：(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）•混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子直径的加权平均，xi是直径为di的粒子的质量分率）。SSVS32SSV6666ππSVSddddVSSiidxd1m316.2.2床层空隙率εB•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)。•若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒的床层，其空隙率与颗粒大小无关。－颗粒密度－床层堆积密度，床层体积颗粒体积床层体积空隙体积PBPBBPB111VV•床层空隙率是一个重要的参数，影响因素是颗粒形状及大小、粒度分布、颗粒与床层直径比和颗粒的装填方式。•壁效应床层空隙率沿床层径向分布不同，离壁面约一个粒子直径处的床层空隙率最大。3233•床层内空隙率径向分布不均匀，引起各处的流速不同，因而床层内各处的传热和停留时间也不一样。•为减少壁效应的影响，设计时要求床层直径至少要大于颗粒直径的8倍以上。6.2.3床层压降•气体流动通过催化剂床层的空隙所形成的通道，与孔道周壁摩擦而将产生压降。•压降计算通常利用厄根（Ergun）方程：34Bggmsmm1Re:Reud修正的雷诺数，式中：s2mg3BBm175.1Re150dddulP35•厄根（Ergun）方程中其它参数：•可用来计算床层压力分布。•如压降不大，床层各处物性变化不大，可视为常数，压降将呈线性分布。床层空隙率气体密度颗粒当量直径床层高度空塔气速平均流速Bgsmdlu•当Rem10时，厄根（Ergun）方程则变为：•当Rem1000时，厄根(Ergun)方程则变为：•催化剂床层压降还有许多计算式，具体参考有关的资料。36LduP3BBs2mgm1Re150LduP3BBs2mg175.1•影响床层压力降的最大因素：床层的空隙率流体的流速两者稍有增大，会使压力降产生较大变化。•降低床层压降的方法：增大床层空隙率，如采用较大粒径的颗粒；降低流体的流速，但要考虑这会使相间的传质和传热变差，需综合考虑。3738例6.1内径为50mm的管内装有4m高的催化剂层，催化剂为球体，催化剂的粒径分布如表所示。空隙率εB=0.44。在反应条件下气体的密度ρg=2.46kg∙m-3，粘度μg=2.3×10-5kg∙m-1s-1，气体的质量流速G=6.2kg∙m-2s-1。求床层的压降。粒径dS/mm3.404.606.90质量分率0.600.250.1539解：①求颗粒的平均直径②计算修正雷诺数m1096.3mm96.390.615.060.425.040.360.0131Siidxd190644.01103.22.61096.31Re53BgSmGd40③计算床层压降Pa10898.1444.044.0146.21096.32.675.11903150175.1Re150175.1Re15053323BBgS2m3BBSg2mmLdGLdup改性的ZSM-5催化剂其中催化剂的比表面积为300~600m2/g，孔容体积为0.3~0.8cm3/g甲醇制烯烃项目：反应器结构的计算•1催化剂的填充量•反应管长度的计算•管束尺寸和反应管的排列•反应床层压降opmmbmbbpombudRRbafdufHp112例题•乙烯在银催化剂上氧化制环氧乙烷，年产环氧乙烷1×106kg,采用二段空气氧化法。主要反应为：•C2H4+1/2O2C2H4O•△H1=-103.4kJ/mol(25℃)•C2H4+3O2CO2+2H2O•△H1=1323kJ/mol(25℃)•根据下列给出中试的数据，估算第一反应器尺寸。•（1）进入第一反应器的原料气组成为：组成C2H4O2CO2N2C2H4Cl2摩尔分数/%3.56.07.782.8微量（2）进入第一反应器进料温度为210℃，反应温度为250℃，反应压力为980.0665KPa,转化率为20%，选择性为66%，空速为5000/h.（3）进入第一反应器采用列管式固定床反应器，列管为直径27×2.5mm，管长5m,催化剂填充高度5.7m.（5）催化剂为球形，直径dp为5mm,床层孔隙率eB为0.48。（4）管间采用导热油强制外循环换热。导热油进口温度为230℃，出口温度为235℃，导热油对管外壁传热系数a2可取2721kJ/(m·2h·℃)（6）年工作7200，反应后分离，精制过程回收率为90%，第一反应器所产环氧乙烷占总产量的90%。4.2.4固定床中的传热•固定床中的传热组成颗粒内传热颗粒与流体间的传热，传热系数hP床层与器壁的传热，传热系数hw、h050拟均相模型将包括颗粒与气相流体的床层看作为均一的固体物质，其传热特性用一个有效热导率λe来表征。•有效热导率λe根据轴向和径向的传热，可分为轴向和径向的有效热导率（λez和λer）。51521.流体与颗粒外表面间的传热•与传质相仿，由于层流边界层的存在，造成了气流主体与催化剂颗粒外表面存在温度差。因而，必然存在热量传递。•单位时间内从颗粒外表面传递到气相主体的热量为：GSSPddTTShtQ---单位时间传递的热量，J/h；hP---流体对颗粒的传热系数，J/m2·h·K；Tg--气相主体的温度，K；TS---为催化剂颗粒外表面处温度，K；SS---催化剂外表面积，m2；φ---颗粒表面利用系数，球体φ=1，圆柱体φ=0.91，其他形状φ=0.9053tQdd54传热系数的计算(通过传热因子法计算)：•式中：32PPHPrJGchsPasmkg,g12H气相粘度气体质量流率无量纲数。传热因子GJ1111PKmWKkgJ气体导热系数气体恒压热容gcPr--普兰特准数•对于气体Pr=0.6~1.0•对于液体Pr=2~400•适用范围:55ggPPrc35.0H/3023.0/876.2JGdGdGdPPPB10000~10GdPJH是雷诺数的函数566000Re300Re28.1J300Re06.0Re26.2J1000Re50Re613.0J50Re01.0Re904.0Jm41.0mHm51.0mHm51.0mHm51.0mH