固定床反应器

第六章固定床反应器6.1概述6.2固定床中的传递过程6.3拟均相一维模型6.4拟均相二维模型6.5滴流床反应器6.1概述(1)固定床反应器的定义流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行化学反应的装置称作固定床反应器。固定床反应器主要用来进行气固相催化反应。如炼油工业中的催化重整和异构化、合成氨工业、乙苯脱氢制苯乙烯，氯乙烯的合成等使用的都是固定床反应器。此外，也有些非催化的气—固相反应，如向红热的焦炭中通入水蒸汽以生成水煤气，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2)以及许多矿物的焙烧。(2)固定床反应器的特点①催化剂不易磨损；②床内物料流动接近平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力;③停留时间可以严格控制(调节气速)，温度分布可以适当调节，因此有利于达到高的转化率和选择性；④连续操作，易实现自动控制，适宜大规模生产过程;⑤传热较差，对于热效应大的反应过程，传热与控温较难；⑥不能使用细催化剂，压降大；⑦更换催化剂需停产进行，所以一般催化剂的寿命要比较长。(3)固定床反应器的型式简介单层绝热床反应器这种反应器通常高径比不大，催化剂均匀堆于床内。内部无换热构件(下部催化剂支撑结构，上部气体分布装置)。结构简单，造价便宜，反应器体积得到充分利用。但通常只用于化学反应热效应不大，并且反应温度范围相对较宽的过程。例如乙苯脱氢反应器，无加热装置(实验室用电阻丝加热)，实际工业过程通过加高温水蒸气供热。原料气产物催化剂多段绝热床反应器实际是单段绝热式的改进型，在段间设置热交换装置，既保持了单段结构简单等优点，每一段的过程完全类似于单层式，又能在一定程度上调节反应温度。换热装置的设置有多种方式，根据具体反应选择。如CO与H2合成反应器。原料气催化剂产物外热式固定床反应器这类反应器用的最为普遍，大多数是列管式。通常管内装催化剂，壳程走传热介质。优点是传热效果好，床层温度易控制，管径一般不大(25-50mm)，气体流动类似于平推流，反应的转化率选择性较高，并且单根管类似于实验条件，放大容易。如乙炔与氯化氢合成氢乙烯反应器。蒸汽原料气调节阀催化剂补充水产物外热式薄层反应器大多数是列管式。通常上层装催化剂，管内走反应气体，壳程走传热介质。优点是传热效果好，反应后的气体可实现急速降温或升温，通常反应时间短，气体流动类似于平推流。如甲醇氧化反应器。原料换热介质产物催化剂自热式固定床反应器在这类反应器内，原料气先与反应后的气体通过管壁进行热交换，预热，再进行反应，一般用于热效应不大的高压反应。例如合成氨反应器。不过现在趋向多段绝热式。原料气原料气产物催化剂径向反应器气体在反应器内通过多孔的分气管作径向流动通过催化剂床层，缩短了气体流程，阻力变小，压降变小，所以可以用较细的颗粒。如工业上甲苯歧化制苯和二甲苯的反应器。原料气产物催化剂6.2固定床中的传递过程颗粒层的若干物理特性参数(1)催化剂密度表征①颗粒密度(又称假密度):包括粒内微孔在内的全部颗粒的密度。②骨架密度(又称真密度):粒子骨架（包括粒内微孔）密度。③床层密度(又称堆密度):单位体积催化剂床层具有的质量。ppmpv粒子质量粒子体积包括孔容积pSBpmSv骨架粒子质量粒子体积不包括孔容积catmBvR床层粒子总质量床层总体积(2)催化剂粒子直径①球型粒子dP②非球型粒子,用相当直径来表示:A.体积相当直径dV：即采用体积相同的球形颗粒直径来表示。B.面积相当直径da：即采用外表面积相同的球形颗粒直径表示。136()pVvd316pvVdVP为非球形颗粒粒子体积为非球粒子外表面积paad2paadpa(6-2)(6-1)C.比表面相当直径ds：即采用比表面积相同的球形颗粒的直径来表示。③粒子的形状系数：即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。为等体积球形颗粒外表面积，当体积相等时，球形粒子外表面积最小,显然有：；的大小反映粒子的形状与球体的差异程度（P162表6-1列出了一些粒子的球形系数）。Sv为非球粒子比表面积66psvpVdsa23166psvpSsadsVddssspaasa1ss(6-5)(6-3)(6-4)④各种相当直径的关系31626666/ppvSvpssvVVdddssvsaad222()Svvpaaaddsadd12ddvsa1s121savsddd则有：vsddavdd所以有：在固定床流体力学研究中，常采用比表面相当直径；在传热传质研究中，常采用面积相当直径。(6-7)(6-6)⑤混合粒子的平均粒径：采用调和平均法计算为直径为的粒子所占的重量分率。（3）床层空隙率床层空隙率指的是颗粒间自由体积与整个床层体积之比，是催化剂床层的重要特性之一。121211nininxxxxddddipdixidB床层空隙体积床层体积-颗粒骨架体积床层体积床层体积1wwsRBBwRBVVVs骨架(6-8)床层空隙率大小的影响因素①催化剂的粒径及其粒径分布；②催化剂颗粒的形状；③颗粒的表面粗糙度；④催化剂颗粒粒径与床层直径的比值；⑤催化剂的充填方式等。P163图6-9列出了部分催化剂床层空隙率关系曲线，可供参考。（4）固定床的当量直径de固定床的当量直径定义为床层水力半径的4倍。（RH为水力半径）4eHdRLHR上下同乘床高床层流道有效截面积床层空隙容积润湿总面积润湿周边6(1)sedS床层空隙容积床层总体积BB润湿总面积B床层总体积床层空隙率床层比表面积eS(1)6(1)/pespaSdvBB为单位体积催化剂床层所具有的外表面积:4246(1)3(1)sssvddddRdeHsvBBBB(6-10)(6-9)(5)床层压降流体通过催化剂床层产生压降的原因主要来自两个方面：(1)流体与粒子间摩擦阻力（低流速下主要受其影响）；(2)流体在孔道中流动时突然扩大，缩小，撞击产生的阻力。（高流速时主要受此项影响）。床层压降计算式：（经验关联式）231()()mBsBuPLdf1501.75eMRf(1)smBduReM为修正雷诺数式中：(6-11)(6-12)代入上式得：通常把它变形为：这就是通常所说的埃岗公式，仿照流体在空管中流动的压降公式修正推导得到。式中前项反映的是摩擦阻力，后项反映的是局部阻力损失。ReM＜10时，流体流动为层流状态，阻力主要来自于前项，后项可忽略不计；ReM＞1000时，为湍流，阻力主要来自于后项，前项可忽略。32(1)1501.751()()()sBBBsmmdPLduu22323(1)1150(1.75)()()()mmBBsBsBuuPLdd(6-13)式中各项的意义：床层压降N/m2PL管长m流体粘度kg/m·sB床层空隙率mu流体空床平均流速m/s流体密度kg/m3sd颗粒比表面相当直径m固定床床层压降大小的影响因素从固定床床层压降公式可看出其影响因素主要有：（1）床层空隙率；（2）固定床的床层高度（管长）；（3）气流速率。因为流速与压降是平方关系，所以它比其它因素对压降更为敏感。在生产过程中，流体的压头有限，床层压降往往有重要影响，因此一般固定床中的压降不宜超过床内压力的15%。(6)固定床中的传热化学反应大都伴有热效应，如对于放热反应，如何把产生的热量及时传递出来是维持反应正常进行首先要考虑的问题。固定床中的传热通常可认为由三部分组成：一是从催化剂内部向外表面传热（粒内传热）；二是催化剂外表面与流体主体之间的传热；三是径向传热，通过床层沿径向传递到器壁，由壁外载热体带走的传热过程。①颗粒与流体主体之间的传热系数hp（给热系数）从催化剂外表面向流体主体之间传热速率方程：传热速率kcal/kgcat.h；单位质量催化剂床层的外表面积m2/kgcat；是外表面积校正系数，催化剂点接触，线接触，面接触引起面积减少修正项(球形颗粒=1；圆柱形=0.9；片状=0.81；无定形颗粒=0.9)；催化剂外表面温度；气流主体温度。()pmsGqhattqmastGthp的计算可通过传热JH因子来关联：JH为传热因子，无量纲，传热因子的求取，书上推荐了3个公式：G表观质量流速（空管流速）kg/m2.h；适用范围：dpG/μ=10~1000；dp＜6mm；温度＜400℃。23()()ppHphCJCG0.352.8760.3023(/)(/)BHppJdGdG0.510.904JRHe0.410.613JRHe//6(1)eesBRGsdG0.01＜Re＜5050＜Re＜1000(6-18)(6-16)(6-19)求出了hp，我们就可通过测量流体温度来推算催化剂表面温度:为以单位质量催化剂来定义的反应速率床层的比表面积，上式整理可得：是传热数Q、Pr、Re的函数，见P167关联图6-12。实际上，一般均很小，催化剂外表面与气流主体的温度可看作为近似相等。()()()GqHrhattAApms()Ar/meBases2/32/3()()()()AAAArrpmmpHHHrHrpQpthaaCGJJ()()AAmpHrQaCGprCp称为传热数对气相：Pr=0.6~1.0；液相：Pr=2~400tt(6-20)(6-21)②固定床的有效导热系数()oeeeprRp研究固定床的有效导热系数，实际上就是把整个床层看作一个整体（类似于一个热导体）向外传热。所以，我们用一个导热系数来表征它的传热性能（类似于固体物质），而则是整个床层各种传热方式的综合体现。经验关联式：ee,,ppeprdGCRp(0.26)()2120.216B1231(1)1()()orvpeBBhdrspshd(6-23)(6-24)所以，的求算过程为：下面一项反映的是静床的导热能力。上面一项综合反映的是流动对径向导热系数的影响，在静床上的增量。因此，床层的传热实际上是一个复杂的过程。它是固体颗粒与流体之间传导、对流、辐射传热的综合过程，既与流体、固体本身物性有关，又受流动状况的影响。e根据σεpTm计算erRpe6-23根据dp/dt查图6-14,erRp根据dpGCpμλ计算λ流体导热λS颗粒导热（粒内）φ颗粒接触传热hrs颗粒间流体辐射传热hrv颗粒辐射传热0e6-24(6-25)(6-26)(6-27)床层与器壁间的给热系数hw及h0①hw计算（也称为壁膜表现给热系数）考虑床层径向存在温差（采用二维模型时应考虑）。假定靠近管壁流体膜温度tR，壁温tw，传热速率式为：对液体取C=2.6；对气体取C=4.0代表管壁附近流体横向混合的比例：对圆筒形固定床内表面=0.054；对插入床层的圆管外表面=0.041。()wRwqhAtt011/1pwpwapRwrephdwphdhd1132wphdCpRrepwawawa(6-35)(6-36)为流体静止时管壁给热系数，由下式确定：为离壁dp/4处的平均空隙率，一般取=0.7，由图6-2-4查取。0wh000.511///opwewhd1131(1)2()()orvpwwBhdrspswhd（6-38）（6-39）wwwhw也可通过(6-40)计算得到。②h0的计算（又称床层对壁的总给热系数）此时把床层按一维模型来处理，就是忽略床层径向温差。采用一个包括床层热阻和壁膜热阻的床层对壁的总传热系数来表征它的传热性能。我们在工艺计算时，求算