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1、1.定义：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。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 概述第1页/共135页第2页/共135页第3页/共135页第4页/共135页对外换热式反应器乙炔法合成氯乙烯反应为放热反应109kJ/mol，利用高位槽或加压泵强制循环换热，水温靠调节阀控制压力来调节。气体自上而下流过床层催化剂床层内的流动是通过颗粒之间的空隙进行的，易达到湍流，与圆管内的流动状况不完全相同第5页/共135页固定床反应器固定床反应器热载体：水、高压水：100300 导生油：200350 熔盐：300
2、500 烟道气：600700特点：换热效果好、床温均匀，但结构较复杂。应用：热效应大、温度要求均匀控制的场合第6页/共135页二、二、固定床反应器的优缺点固定床反应器的优缺点固定床反应器的优点：固定床反应器的优点：1 1、催化剂不易磨损。、催化剂不易磨损。2 2、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、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；率与选择性；3 3、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、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；力；4 4、结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂；、结构简单、催化剂机械磨损小
3、，适合于贵金属催化剂；5 5、反应器的操作方便、操作弹性较大。、反应器的操作方便、操作弹性较大。第7页/共135页固定床反应器的优缺点固定床反应器的优缺点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。第8页/共135页三、固定床反应器类型三、固定床反应器类型u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。）第9页/共135页固定床反应器类型固定床反应器类型1.绝热式固定床反应器 u反应
4、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。u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。第10页/共135页原料气产物催化剂催化剂绝热式固定床反应器 固定床反应器类型第11页/共135页固定床反应器类型固定床反应器类型1、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u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第12页/共135
5、页固定床反应器类型(2)径向绝热式固定床反应器u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。u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。第13页/共135页固定床反应器类型（a）（b）第14页/共135页固固定定床床反反应应器器类类型型第15页/共135页固定床反应器类型2.多段绝热式固定床反应器u 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。u 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
6、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。第16页/共135页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第17页/共135页固定床反应器类型第18页/共135页固定床反应器类型3.列管式固定床反应器u 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。u 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。第19页/共135页固定床反应器类型第20页/共135页固定床反应器类型
7、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。第21页/共135页列管式固定床反应器 第22页/共135页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。第23页/共135页固定床反应器类型第24页/共135页固定床反应器类型4、
8、自热式反应器u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。u但其结构较复杂，操作弹性较小，启动反应时常用电加热。第25页/共135页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第26页/共135页逆流逆流并流并流反应器温升快，且下降也快反应器温升快，且下降也快相反相反热点靠近反应器进口热点靠近反应器进口热点靠近反应器出口热点靠近反应器出口反应后期易过冷反应后期易过冷前期升温较慢，后期易过热前期升温较慢，后期易过热可逆放热反应可逆放热反应不可逆放热反应不可逆放热反应第27页/共135页四、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
9、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：1.1.沸腾水：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。2.2.联苯醚、烷基萘为主的石油馏分：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第28页/共135页传热介质3.3.熔盐：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。4.4.烟道气：烟道气：适用于600700的高温反应。第29页/共135页固定床反应器的分类固定床反应器不同不同的传的传热要热要求和求和传热传
10、热方式方式绝绝热热式式二段二段三段三段四段四段冷激式冷激式反应反应特征特征单段绝热式单段绝热式段间反应段间反应气冷却或气冷却或加热方式加热方式中间间接换热式中间间接换热式多段绝热式多段绝热式原料气冷激式原料气冷激式非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加压热水（240）导热油（250300）熔盐（300）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第30页/共135页二、二、固定床反应器的优缺点固定床反应器的优缺点固定床反应器的优点：固定床反应器的优点：1 1、催化剂不易磨损。、催化剂不易磨损。2 2、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、固定床层内的
11、气相流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性；率与选择性；3 3、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、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；力；4 4、结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂；、结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂；5 5、反应器的操作方便、操作弹性较大。、反应器的操作方便、操作弹性较大。第31页/共135页固定床反应器的优缺点固定床反应器的优缺点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。第32页/共13
12、5页原料气产物催化剂催化剂绝热式固定床反应器 固定床反应器类型第33页/共135页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第34页/共135页固定床反应器类型第35页/共135页列管式固定床反应器 第36页/共135页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第37页/共135页固定床反应器类型（a）（b）第38页/共135页固固定定床床反反应应器器类类型型第39页/共135页6.2 固定床的传递特性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。第40页/共135页6.2 固定床中的传递过程
13、粒子直径和床层空隙率定型尺寸：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。主要有三种表示：体积相当直径、外表面积相当直径和比表面积相当直径。第41页/共135页一、颗粒直径的表示方法一、颗粒直径的表示方法 1、表示方法、表示方法体积相当直径体积相当直径面积相当直径面积相当直径比表面相当直径比表面相当直径式中：式中：SV=ap/Vp，颗粒的比表面积颗粒的比表面积ap 与非中空颗粒等外表面积的圆球外表面积与非中空颗粒等外表面积的圆球外表面积Vp 非中空颗粒等体积的圆球体积非中空颗粒等体积的圆球体积注意：三种方法的计算结果不同第42页/共135页 (
14、1)(1)描述颗粒形状 颗粒的球形度 表明：颗粒形状接近于球形的程度；，则颗粒越接近于球形。球形颗粒：球形颗粒非球形颗粒第43页/共135页 颗粒的比表面积 a说明：V相同时，a，则颗粒越接近球形。a 与关系：球形颗粒比表面积：第44页/共135页例 1边长为L=4mm的正方体颗粒求：dv,ds,da,a解：第45页/共135页dv,ds,da三者关系 dadvds 第46页/共135页 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。第47页/共135页颗粒的筛分
15、尺寸 筛分尺寸与颗粒特性参数的关系筛分尺寸与颗粒特性参数的关系颗粒颗粒不是明显的长或短不是明显的长或短：颗粒在某方向上略长颗粒在某方向上略长：(2)颗粒群的平均特性参数颗粒群的平均特性参数 平均比表面积：平均比表面积：di-1didi+1di+2第48页/共135页 颗粒群的等比表面积当量直径 颗粒床层的特性 (1)床层空隙率 定义：床层中，空隙所占体积分率。表明：床层堆积的松散程度；，空隙越大，床层越松散；对流体流过床层的阻力影响很大。Lu第49页/共135页 影响床层空隙率的因素 （a）装填方法：干装 湿装（b）颗粒特性的影响 颗粒形状：靠壁面处：粒径分布：空隙率测量-充水法、称量法第50
16、页/共135页非球形颗粒的形状系数物料物料形状形状s物料物料形状形状s鞍形填料鞍形填料0.3砂砂0.75拉西环拉西环0.3各种形状平均各种形状平均尖状尖状0.65烟道尘烟道尘球状球状0.89硬砂硬砂尖片状尖片状0.43聚集态聚集态0.55砂砂圆形圆形0.83天然煤灰天然煤灰大至大至 10mm0.65砂砂有角状有角状0.73破碎煤粉破碎煤粉0.75碎玻璃屑碎玻璃屑尖角状尖角状0.65第51页/共135页二、床层空隙率二、床层空隙率床层床层空隙率：空隙率：粒子间的空隙所占床层容积的分率粒子间的空隙所占床层容积的分率式中式中 床层堆积密度；床层堆积密度；颗粒视密度。颗粒视密度。注意：颗粒视密度与真密
17、度之注意：颗粒视密度与真密度之间的区别。间的区别。第52页/共135页颗粒视密度又称颗粒密度。即单个颗粒的密度。若单个催化剂颗粒质量为m，颗粒体积为V粒，则视密度p=m/V粒 床层堆积密度是单位体积颗粒床层的固体质量，颗粒床层体积是颗粒体积与颗粒之间空隙的总和。若催化剂质量为m，堆体积为VB，则堆密度B=m/VB。同一种颗粒，其真密度不变，但当床层的空隙率不同时，颗粒床层的堆密度不同。第53页/共135页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
18、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。第54页/共135页6-9填充床的空隙率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第55页/共135页三、固定床的当量直径三、固定床的当量直径1、床层比表面、床层比表面式中，式
19、中，np 单位体积床层中颗粒的个数。单位体积床层中颗粒的个数。B床层空隙率床层空隙率 Vp 非中空颗粒等体积的圆球体积非中空颗粒等体积的圆球体积第56页/共135页2、床层当量直径、床层当量直径式中，式中，RH 水力半径。水力半径。床层的空隙体积总的润湿面积有效截面积润湿周边根据水力半径的定义有：第57页/共135页3、固定床的径向流速分布尽管在近壁处空隙率较大，但壁摩擦阻力使流速将低到接近0。一般工程上认为当床层直径与颗粒直径之比dt/ds=8 时，可不计壁效应。第58页/共135页按混合颗粒的平均直径计算离壁距离床层空隙率B010.80.40.51 1.5 2 2.5 2 3.5 4 4.
20、5 5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。第59页/共135页空管内层流空管内湍流填充层内液体流动填充层内气体流动102第60页/共135页床层压降床层压降床层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：摩擦系数第61页/共135页修正雷诺数：修正雷诺数：um 平均流速平均流速(空床气速空床气速)；L 床层高度；床层高度；、流体的密度和粘度流体的密度和粘度；ds
21、比表面当量直径。比表面当量直径。第62页/共135页Rem1000，湍流，上式中右边第一项可忽略。，湍流，上式中右边第一项可忽略。第63页/共135页式中：式中：dp 体积相当直径；体积相当直径；质量流速。质量流速。fm和和n可由图可由图6-11查取。查取。常用的p计算公式：第64页/共135页图图6-11 固定床的摩擦系数固定床的摩擦系数第65页/共135页推导在化工原理中：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表示第66页/共135页第67页/共135页第68页/共135页第69页/共135页第70页/共135页影响固定床压力降的
22、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第71页/共135页床层直径与颗粒直径之比 dt/ds 0.2）：床层平均温度;：器壁温度;第101页/共135页固定床中的传质与混合固定床中的传质与混合由于催化剂表面存在滞流边界层，气流主体浓度与催化剂颗粒表面浓度存在差异。在滞流层内有浓度差，必然存在扩散。一、颗粒与流体间的传质系数一、颗粒与流体间的传质系数单位体积（或质量）催化剂上着眼组分A的传质速率第102页/共135页整个传质方程的核心，总包了各种条件对传质的影响。由实验关联式计算。关联式之一：第103页
23、/共135页传质因子：JD实验关联式：气相密度 ;：气体质量流率 ;：气相粘度 ;：气相分子扩散系数 ;JD是雷诺数的函数第104页/共135页um：平均流速：平均流速(空床气速空床气速)；g、g：气体的密度和粘度；：气体的密度和粘度；ds：比表面当量直径。比表面当量直径。当修正雷诺数在：第105页/共135页传热因子传热因子传质因子传质因子：气相密度：气体质量流率：气相粘度：气相分子扩散系数JD是雷诺数的函数施密特准数第106页/共135页由传质和传热的类比原理有上式在缺少数据时用来推算数据十分有用.无论是传质或是传热系数,增加质量速率G都可以加快流体和催化剂外表面间的传递速率,但相应的床层
24、压降也增加.外扩散速率,内扩散速率,表面反应速率的相对大小是决定反应控制步骤的关键.第107页/共135页外扩散过程对表面温度的影响由传质计算可得：第108页/共135页两式相等可得：第109页/共135页上式将流固相的温度差与浓度差联系起来了。进一步简化，前面有：极为相似。JHJD相除第110页/共135页第111页/共135页据实验得：第112页/共135页6.3 拟均相一维模型概述，目前描述固定床反应器的数学模型可分为拟均相、非均相两大类。一、拟均相模型 忽略床层中催化剂颗粒与流体之间温度与浓度差别，将气相反应物与催化剂看成均匀连续的均相物系。（1）一维拟均相模型只考虑沿气体流动方向的温
25、度和浓度变化。根据流动形式还可分为平推流一维模型和轴向分散一维模型。（2）二维拟均相模型 同时考虑轴向和径向的温度和浓度分布。第113页/共135页二、非均相模型非均相：反应属于扩散和化学动力学共同控制时，则催化剂颗粒表面、内部、外部浓度不均一，传递阻力或传递与动力学阻力不可忽略，应计及催化剂的存在和计算宏观反应速率，称为“非均相”模型。简言之即考虑颗粒与流体之间的温度差和浓度差。一般来说，模型考虑得越全面，对过程模拟越精确，但计算工作量也越大，甚至无法求解。因此，在工程计算允许的误差范围内应尽可能选用简单模型。第114页/共135页等温反应器的计算等温反应器的计算床层温度均匀一致，反应速率常
26、数为常数，反应速度仅与床层温度均匀一致，反应速率常数为常数，反应速度仅与浓度有关。按一维拟均相处理，设计方法与平推流相似。浓度有关。按一维拟均相处理，设计方法与平推流相似。对右图固定床反应器取一微元段进对右图固定床反应器取一微元段进行物料衡算（以行物料衡算（以cat的质量定义）的质量定义）第115页/共135页质量衡算在管式反应器中垂直于流动方向取一个微元，以这个微元对A组份做物料衡算：输入输入 输出输出=反应反应 积累积累FA FA+dFA (-rA)(1-B)Aidl 0以催化剂颗粒体积计量第116页/共135页若以催化剂质量计量：设计方程设计方程床层高度床层高度注意：一般来说，固定床反应
27、器换热比较困难，很难做注意：一般来说，固定床反应器换热比较困难，很难做到等温操作，仅用于对反应器进行估算罢了。到等温操作，仅用于对反应器进行估算罢了。第117页/共135页以催化剂颗粒体积计量：第118页/共135页对照平推流反应器性能方程二者相同第119页/共135页单层绝热式固定床反应器单层绝热式固定床反应器定常态操作时，与流动方向垂直的截面上温度、浓度均匀一定常态操作时，与流动方向垂直的截面上温度、浓度均匀一致，且不随时间变化。体系的温度和浓度仅随流动方向的空致，且不随时间变化。体系的温度和浓度仅随流动方向的空间位置变化。间位置变化。取反应器内一微元段进行物料衡算和热量衡算得：取反应器内
28、一微元段进行物料衡算和热量衡算得：第120页/共135页上述两式分别积分并整理得：上述两式分别积分并整理得：设计方程设计方程操作方程操作方程设计方程和操作方程联立求解，可求得设计方程和操作方程联立求解，可求得W。但当动力学。但当动力学方程比较复杂时，难以得到解析解。一般采用数值积分方程比较复杂时，难以得到解析解。一般采用数值积分或图解法计算。或图解法计算。第121页/共135页图解法步骤图解法步骤（1）由设计方程在）由设计方程在 xAT 图中作绝热操作线；图中作绝热操作线；（2）在绝热操作线上读出若干组（）在绝热操作线上读出若干组（xAi，Ti）数据；）数据；（3）由（）由（xAi，Ti）数据
29、计算（）数据计算（-rAi）和）和1/（-rAi）；）；（4）作）作1/（-rA）xA曲线。该曲线下方介于曲线。该曲线下方介于0 xAf之间的面积大小即之间的面积大小即 为为W/FA0。（5）床层高度）床层高度TT0 xA斜率斜率=1/绝热操作线绝热操作线xAiTiW/FA0 xA第122页/共135页6.4 拟均相二维模型二维：轴向和径向对于径向存在较大的温度差、浓度差的反应器，一维模型有时不能满足要求，需要考虑径向的温度浓度分布。与一维模型相比，考虑的因素更多，得到的结果更复杂，各有优缺点。第123页/共135页模型假定：1)反应在圆管式反应器中进行。2)流体在催化剂管内为非理想流动，存在
30、着轴、径向的质量和热量扩散。3)流固相之间没有温度、浓度差。4)扩散遵循Fick扩散定律。第124页/共135页在管式反应器中取一微元：在管式反应器中取一微元：drdlRr第125页/共135页定常态条件下就环形微元对A做物料衡算：第126页/共135页输入输出=反应整理得：多数情况下轴向分散项被忽略：第127页/共135页热量衡算：输入微元的热量：输出微元的热量：微元内反应热：第128页/共135页输入输出反应与质量衡算类似，轴向热扩散项可以忽略：动量衡算方程第129页/共135页边界条件：l=0l=L第130页/共135页拟均相模型与非均相模型的评述因流体与催化剂颗粒之间有较大的温度差和浓
31、度差，流固相不能当成一个虚拟的均相处理，因而派出非均相模型。若再考虑到颗粒内部的温度梯度与浓度梯度，还应考虑粒内温度浓度梯度的模型。第131页/共135页热热量量传传递递热热量量传传递递拟均相一维拟均相一维平推流模型平推流模型热热量量传传递递热热量量传传递递带有轴向返混的带有轴向返混的拟均相一维模型拟均相一维模型热质传递热质传递热热量量传传递递热热量量传传递递拟均相二维模型拟均相二维模型热质传递热质传递第132页/共135页模型评述考虑的因素越多，模型越复杂，模型参数就越多，模型参数的可靠性就越重要。并非模型越复杂越好。模型复杂增加了实验、计算工作量，同时也增加了出错的概率。模型要以简单实用为好。如返混严重，宜用带轴向返混的一维模型；径向温差大，宜用拟均相二维模型等。非均相模型慎用，非不得已，不用过于复杂的模型。第133页/共135页小结基本设计方程、设计原则重点为拟均相一维数学模型等温反应器设计单层绝热床设计多段绝热床的优化固定床反应器数学模型类别及基本假定（一维、二维、拟均相、非均相）固定床反应器设计计算第134页/共135页感谢您的观看。第135页/共135页