固定床反应器的设计与分析

重点掌握※固定床压力降的计算方法。※固定床催化反应器拟均相活塞流模型的建立与应用，包括考虑内扩散的情况。※绝热式固定床催化反应器催化剂用量的计算方法。深入理解▼固定床催化反应器的主要类型及其结构特点。▼换热式固定床催化反应器的设计优化问题、参数敏感性问题以及飞温和失控的现象。广泛了解▲固定床的轴向与径向传热与传质。▲多段绝热式固定床催化反应器的优化原则。▲实验室反应器的主要类型和特点。16:427.1概述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都称作固定床反应器，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-固相催化反应器占最主要的地位。如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。此外还有不少非催化的气—固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2)以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。16:421、固定床反应器优点①固定床中催化剂不易磨损；②床层内流体的流动接近于平推流，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由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大生产中尤为重要。一、固定床反应器的优缺点16:422、固定床反应器缺点①固定床中的传热较差；②催化剂的更换必须停产进行。16:42二、固定床反应器类型1.绝热式反应器图6.1-1是绝热床反应器的示意图。它的结构简单，催化剂均匀堆置于床内，床内没有换热装置，预热到一定温度的反应物料流过床层进行反应就可以了。物料气产物催化剂图6.1-1绝热床反应器16:42典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。反应需供热140kJ／mol，是靠加入高温(710℃)水蒸汽来供应的(乙苯:水蒸汽=1:2.6(质量))，混合后在630℃入床，离床时降到565℃。在此，水蒸汽的作用是：①可以带入大量的显热；②起稀释作用，使反应的平衡向有利于生成苯乙烯的方向移动，提高单程转化率；③使催化剂可能产生的结炭随时得到清除，从而保持反应器长期连续运转。16:42除单层绝热床外，工业上还有用多段的，近代的大型合成氨反应器采用的是中间冷激的多段绝热床。总之，不论是吸热或放热的反应，绝热床的应用相当广泛。特别对大型的，高温的或高压的反应器，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。不过绝热床的温度变化总是比较大的，而温度对反应结果的影响也是举足轻重的，因此如何取舍，要综合分析并根据实际情况来决定。此外还应注意到绝热床的高／径比不宜过大，床层填充务必均匀，并注意气流的预分布，以保证气流在床层内的均匀分布。2.换热式反应器换热式反应器以列管式为多。通常是在管内放催化剂，管间走热载体(在用高压水或用高压蒸汽作热载体时，则把催化剂放在管间，而使管内走高压流体)。蒸汽原料调节阀催化剂补充水产物图6.1-2乙炔法合成氯乙烯反应器16:42①管径：一般为25～50mm的管子，但不小于25mm。②催化剂粒径：应小于管径的8倍，通常固定床用的粒径约为2～6mm，不小于1.5mm。③传热所用的热载体：沸水可以用于100℃～300℃的温度范围。联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分能用于200～350℃的范围。无机熔盐(硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物)可用于300～400℃的情况。对于600～700℃左右的高温反应，只能用烟道气作为热载体。16:42列管式反应器优点：①传热较好，管内温度较易控制；②返混小、选择性较高；③只要增加管数，便可有把握地进行放大；④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。3.自热式反应器反应前后的物料在床层中自己进行换热称作自热式反应器。图6.1-3自热式反应器示意图TCTfTfT0逆流并流T016:427.2固定床中的传递过程一、床层空隙率表征床层结构的主要参数为床层空隙率，床层空隙率的大小与颗粒形状、粒度分布、颗粒直径与床直径之比以及颗粒的充填方法等有关。固定床中同一横截面上的空隙率是不均匀的，对于粒度均一的颗粒所构成的床层，在与器壁距离为1～2倍颗粒直径处，空隙率最大，床层中心较小，这种影响，叫做壁效应。在非球颗粒充填的床层中，同一截面上的ε值，除壁效应影响所及的范围外，都是均匀的。但球形或圆柱形颗粒充填的床层，在同一横截面上的ε值，除壁效应影响所及的范围外，还在一平均值上下波动.由于壁效应的影响，床层直径与颗粒直径之比越大，床层空隙率的分布越均匀。16:42床层空隙率εB＝(床层自由体积)/(床层体积)=(颗粒间的空隙体积)/(床层体积)(6.2-1)1bP通常所说的床层空隙率指的是平均空隙率。16:42二、床层压降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。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。16:42流体流过固定床时所产生的压力损失主要来自两方面：一方面是由于颗粒的粘滞曳力，即流体与颗粒表面间的摩擦；另一方面是由于流体流动过程中孔道截面积突然扩大和收缩，以及流体对颗粒的撞击及流体的再分布而产生。当流体处于层流时，前者起主要作用；在高流速及薄床层中流动时，起主要作用的是后者。16:42压力降的计算流体在固定床中的流动，与空管中的流体流动相似，只是流道不规则而已。故此可将空管中流体流动的压力降计算公式修正后用于固定床。固定床压力降计算公式：203(1)SLuPfd(6.2-2)式中：ρ——流体密度dS——颗粒比外表面积相当直径f——摩擦系数L——床层高度u0——空管流速ε——床层空隙率(6.2-3)μ---流体的黏度当Re＜10时，f=150/Re当Re＞1000时，f=1.75。015011.75ReRe1Sduf16:42★从上可知：催化剂的粒度大时，ε↑，ΔP↓，但催化剂的有效因子η较小；如果颗粒粉化、破碎，那么床层的压降ΔP↑。★由于在生产流程中，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％。所以颗粒不能太细，而且最好都能做成圆球状，气流速度也应适可而止，因为流速与压降是平方关系，它比其它因素对压降更为敏感。16:42★如果填充物料是一些不同尺寸的颗粒，或是一些细长形的颗粒，则易产生空隙率不均匀而形成偏流。对于列管式反应器，往往有上千根管子都要装填催化剂，因此要求各管装量相同，压降均等，否则气体偏流的结果，将使各管反应程度不一，温度不一，和失活速度不一，从而使产品的数量和质量都受到严重影响。三、质量和热量的轴向扩散在第五章中，探讨了轴向扩散流动问题，其中用彼克列准数来衡量返混程度，其定义为（见148）：对于固定床内的流体流动，使用类似的方法描述流体的返混程度，即轴向传质的彼克列准数：轴向传热的彼克列准数：pamaudPeDrauLPeDpPaheaudCPe三、质量和热量的轴向扩散理论推导和实验证明：对于气体：当Re10时，（Pea）m=2.对于液体：（Pea）m=0.3~1※讨论一般认为，彼克列准数的倒数是表征返混大小的一个无因次群。而且当1/Pea0.01时，流体的流动类型接近于平推流模型。在固定床内，一般认为当1/Pea0.005时，就可以不考虑轴向混合和扩散的影响。当Re10时，（Pea）m=2.有所以，当床层高度Lr100dp时，可以忽略床层内轴向混合扩散，即将流体在床层内的轴向流动似为平推流流动。在实际反应器，能够满足该前提条件，而实验反应器往往不能达到，希注意。110.0052ppaaarprrddDDPeuLudLL对于非等温过程，(Pea)h≈0.6（固定床）对于均相系统，假设质扩散和热扩散的机理相同，则有(Pea)m=(Pea)h。对于非等温固定床，判定其间流体是否达到活塞流，则需满足Lr150dp。16:42四、固定床中的径向传质与传热固定床内沿床层径向的温度变化情况如下图所示了。16:42固定床中的传热方式①热量通过空隙中的流体以对流、传导和辐射的方式向外传递；②热量通过固体颗粒向外传递，其中包括(a)颗粒接触面处的传导；(b)相邻颗粒周围的边界层的传导；(c)颗粒间的辐射；(d)颗粒内的传导。③床层与器壁的传热---壁膜热阻16:42径向传质由于固定床反应器存在径向温度分布和流速分布，因此径向浓度分布也必然存在。该问题的解决思路同轴向质扩散，可采用径向彼克列准数来描述。请同学们自学。P190~191。7.3固定床反应器的数学模型一、几个术语△非均相模型对于工业催化反应，在绝大多数情况下必须考虑颗粒内外传递过程对反应的影响——即考虑气流主体、催化剂外表面及内部存在的温度差及浓度差对反应的影响。这种计入传递对反应速率的影响的模型称为非均相模型。一、几个术语△拟均相模型对于化学动力学控制的催化反应，可以忽略传递对反应的影响——即认为催化剂外表面及内部存在的温度及浓度同气流主体完全相同，反应过程的计算如同均相反应。这种不计入传递对反应速率影响的模型称为非均相模型。一、几个术语△一维模型只考虑沿着气体流动方向上的浓度差和温度差，垂直于流向上的温度分布和浓度分布可忽略不计的模型。△二维模型必须同时考虑轴向和径向上的浓度分布和温度分布的模型。非均相模型和拟均相模型是对催化剂颗粒内外气体混合物的浓度分布和温度分布的处理方法。一维和二维模型是对反应器内气流主体中的浓度分布和温度分布的处理方法。一维、拟均相、活塞流模型是处理气固相催化固定床反应器的最基本模型，一般反应的设计计算可采用此模型。16:42在拟均相模型中，把包括颗粒与流体的床层看作为均一的固体物质，用一个有效导热系数λe来表征其传热特性，λe是流体流速的函数(流体静止时的值以λe0表示)。通常固定床的热量主要是在中心与管壁间作径向的传递，除少数强放热等情况外，流动方向的轴向导热影响常可忽略不计。因此λe一般常是指λer二、固定床的传热计算1.按拟均相处理①一维模型在一维模型中，床层径向温度被认为是相同的。床层热阻和壁膜热阻合并作为一个热阻来考虑，用床层与器壁间的给热系数h0来表示，给热速率式以床层平均温度tm与壁温tW之差来定义：(6.2-4)式中A为传热面积，一般情况下，ht值大致为61.2～320kJ／(m2·h·K)。下面推荐两个计算ht的关联式，()tmWqhAtt16:42床层的传热系数ht的经验计算式对于球形颗粒：(6.2-5)此式的适用条件为20＜Re＜7600及0.05＜dP／dt＜0.3。dt为床层直径，dP为颗粒比外表面积相当直径。Λf为流体的导热系数。若颗粒为圆柱形(6.2-6)此式的应用范围是20＜Re＜800，0.03＜dP／dt＜0.2。※hf不能用以计算床层的径向温度分布。0.82.03Reexp(6/)ttPtfhddd0.951.26Reexp(6/)ttPtfhddd16:42②二维模型二维模型需要考虑径向温度分布。在计算径向温度分布时，通常把固定床径向传热的热阻看成是由两部分组成：一是床层本身，另一是器壁上的层流边界层。床层热阻用径向有效导热系数λer来描述。其确定方法是先测定床层中的温度分布，后根据传热方程式来反算求出λer。由于λer与反应无关，因此可在无反应的情况下进行测定。16:42实验测得的λer值一般常归纳为Re与Pr的函数关系，已有若干关于计算λer的关联式发表。其形式如下：(6.2-8)式中λf是流体的导热系数，a及b为实验常数。/(Re)(Pr)erfab内壁上的层流边