反應(yīng)器20095053023.doc

學(xué)號：20095053000反應(yīng)器設(shè)計課程論文學(xué) 院 化學(xué)化工學(xué)院 專 業(yè) 化學(xué)工程與工藝 年 級 2009級 姓 名 論文題目 固定床反應(yīng)器的設(shè)計 指導(dǎo)教師 王紅軍 職稱 講師 成 績 2013年1月13日固定床反應(yīng)器的設(shè)計摘 要：本文簡述了固定床反應(yīng)器的特點及分類，重點論述了固定床反應(yīng)器的設(shè)計原理及一些常見的固定床反應(yīng)器的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：固定床反應(yīng)器 分類 設(shè)計引言：反應(yīng)器是化工生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，是人們通過一定的手段抑制副反應(yīng)、提高轉(zhuǎn)化率、提高生產(chǎn)能力的化學(xué)反應(yīng)設(shè)備。在反應(yīng)器內(nèi)不僅有化學(xué)變化過程，還有傳質(zhì)和穿熱過程。按反應(yīng)物系聚集狀態(tài)可分為均相和非均相反應(yīng)器；按換熱方式分類有絕熱式、對外換熱式和自熱式；以反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式又可分為釜式、管式、塔式、固定床和流化床等反應(yīng)器。1.固定床反應(yīng)器的定義及優(yōu)缺點凡是流體通過不動的固體物料形成的床層面進行反應(yīng)的設(shè)備都稱為固定床反應(yīng)器，而其中尤以利用氣態(tài)的反應(yīng)物料，通過由固體催化劑所構(gòu)成的床層進行反應(yīng)的氣固相催化反應(yīng)器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。流體流過不動的固體顆粒進行化學(xué)反應(yīng)的裝置稱為固定床反應(yīng)器1。其中流體可以是氣體或液體，而固體顆粒可以是催化劑或固體物料。固定床反應(yīng)器是氣固催化反應(yīng)中應(yīng)用最為廣泛、最為基本的一種反應(yīng)器。固定床反應(yīng)器之所以成為氣固催化反應(yīng)器的主要形式，是由于具有床內(nèi)的流體軸向流動可看作為平推流，在完成同樣的生產(chǎn)任務(wù)時，所需的催化劑用量(或反應(yīng)器體積)最小；床內(nèi)流體的停留時間可嚴格控制，溫度分布可適當(dāng)調(diào)節(jié)，因而有利于提高化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性；床內(nèi)催化劑不易磨損，可以在高溫高壓下操作等優(yōu)點 但固定床中傳熱較差，對于熱效應(yīng)大的反應(yīng)過程，傳熱與控溫問題就成為固定床技術(shù)中的難點和關(guān)鍵，為解決這一問題而提出了多種形式的床層結(jié)構(gòu)。氣固相固定床反應(yīng)器的優(yōu)點較多，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1）在生產(chǎn)操作中，除床層極薄和氣體流速很低的特殊情況外，床層內(nèi)氣體的流動皆可看成是理想置換流動，因此在化學(xué)反應(yīng)速度較快，在完成同樣生產(chǎn)能力時，所需要的催化劑用量和反應(yīng)器體積較小。 2）氣體停留時間可以嚴格控制，溫度分布可以調(diào)節(jié)，因而有利于提高化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性。 3）催化劑不易磨損，可以較長時間連續(xù)使用。 4）適宜于高溫高壓條件下操作。 由于固體催化劑在床層中靜止不動，相應(yīng)地產(chǎn)生一些缺點： 1）催化劑載體往往導(dǎo)熱性不良，氣體流速受壓降限制又不能太大，則造成床層中傳熱性能較差，也給溫度控制帶來困難。對于放熱反應(yīng)，在換熱式反應(yīng)器的入口處，因為反應(yīng)物濃度較高，反應(yīng)速度較快，放出的熱量往往來不及移走，而使物料溫度升高，這又促使反應(yīng)以更快的速度進行，放出更多的熱量，物料溫度繼續(xù)升高，直到反應(yīng)物濃度降低，反應(yīng)速度減慢，傳熱速度超過了反應(yīng)速度時，溫度才逐漸下降。所以在放熱反應(yīng)時，通常在換熱式反應(yīng)器的軸向存在一個最高的溫度點，稱為“熱點”。如設(shè)計或操作不當(dāng)，則在強放熱反應(yīng)時，床內(nèi)熱點溫度會超過工藝允許的最高溫度，甚至失去控制而出現(xiàn)“飛溫”2。此時，對反應(yīng)的選擇性、催化劑的活性和壽命、設(shè)備的強度等均極不利。 2）不能使用細粒催化劑，否則流體阻力增大，破壞了正常操作，所以催化劑的活性內(nèi)表面得不到充分利用。 3）催化劑的再生、更換均不方便。 固定床反應(yīng)器雖有缺點，但可在結(jié)構(gòu)和操作方面做出改進，且其優(yōu)點是主要的。因此，仍不失為氣固相催化反應(yīng)器中的主要形式，在化學(xué)工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。例如石油煉制工業(yè)中的裂化、重整、異構(gòu)化、加氫精制等；無機化學(xué)工業(yè)中的合成氨、硫酸、天然氣轉(zhuǎn)化等；有機化學(xué)工業(yè)中的乙烯氧化制環(huán)氧乙烷、乙烯水合制乙醇、乙苯脫氧制苯乙烯、苯加氫制環(huán)己烷等3。2、固定床反應(yīng)器的分類 隨著化工生產(chǎn)的發(fā)展，已出現(xiàn)多種固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式，以適應(yīng)不同的傳熱要求和傳熱方式，主要分為絕熱式和換熱式兩大類。 絕熱式固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，催化劑均勻堆置于床內(nèi)，一般有下列特點：床層直徑遠大于催化劑顆粒直徑；床層高度與催化劑顆粒直徑之比一般超過100；與外界沒有熱量交換，床層溫度沿物料的流向而變化。 換熱式固定床反應(yīng)器以列管式為多，通常管內(nèi)裝催化劑，管間走載熱體，一般有下列特點：催化劑的粒徑小于管徑的8倍；利用載熱體來移走或供給熱量，床層溫度維持穩(wěn)定。3. 固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式固定床反應(yīng)器類型很多按換熱方式不同可分為：3.1絕熱式反應(yīng)器在反應(yīng)器中的反應(yīng)區(qū)(催化劑層)不與外界換熱的稱為絕熱式反應(yīng)器。一般來說，反應(yīng)熱效應(yīng)小；調(diào)節(jié)進A 反應(yīng)器的物料溫度，就可使反應(yīng)溫度不致超出反應(yīng)允許的溫度范圍的反應(yīng)過程等可采用絕熱式反應(yīng)器。絕熱式反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)空間利用率高，造價便宜等優(yōu)點。如果反應(yīng)熱效應(yīng)較大，為了減小反應(yīng)區(qū)內(nèi)軸間溫度分布不均，可將絕熱反應(yīng)器改成多段絕熱式反應(yīng)器，在各段之間進行加熱或冷卻它可使各段反應(yīng)區(qū)接近適宜溫度4。3.1.1單段絕熱反應(yīng)器適用的場合（1）反應(yīng)熱效應(yīng)較小的反應(yīng)；（2）溫度對目的產(chǎn)物收率影響不大的反應(yīng)；（3）雖然反應(yīng)熱效應(yīng)大，但單程轉(zhuǎn)化率較低的反應(yīng)或者有大量惰性物料存在，使反應(yīng)過程中溫升小的反應(yīng)。3.1.2冷激式與間接換熱式絕熱固定床反應(yīng)器的區(qū)別冷激式換熱器數(shù)目減少，各段溫度調(diào)節(jié)簡單靈活，流程簡單。3.1.3固定床絕熱反應(yīng)器的催化劑用量3.2 換熱式反應(yīng)器為了改善熱效應(yīng)大的反應(yīng)過程反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度條件可在反應(yīng)區(qū)內(nèi)進行熱交換，這種反應(yīng)器稱為換熱式反應(yīng)器。換熱式反應(yīng)器又有自熱式和外熱式兩種。自熱式是以原料氣體來加熱或冷卻反應(yīng)區(qū)外熱式則是用載熱體加熱或冷卻反應(yīng)區(qū) 換熱式反應(yīng)器以列管式為多，通常在管內(nèi)放催化劑，管外走熱載體。列管的管徑一般取2550mm 為宜，催化劑的粒徑應(yīng)小于管徑的8倍，以防管壁處出現(xiàn)溝流。3.2.1載熱體的合理選擇和影響因素是控制反應(yīng)溫度及保持反應(yīng)器操作穩(wěn)定的關(guān)鍵，溫度差宜小,傳熱系數(shù)較大(面積一定)200-加壓熱水250-300 -有機油(揮發(fā)性要較低,如導(dǎo)生油)300-500 -熔鹽500 以上,一般用煙道氣反應(yīng)過程要求的溫度高低、反應(yīng)熱效應(yīng)的大小和反應(yīng)對溫度波動敏感程度的不同都對載熱體的選擇有影響。3.2.2換熱式固定床反應(yīng)器進行單一反應(yīng)時溫度的控制（1）對不可逆反應(yīng)和可逆吸熱反應(yīng),應(yīng)使反應(yīng)溫度盡可能地高，并力圖做到床層溫度均勻；（2）可逆放熱反應(yīng)，維持最佳溫度變化可使反應(yīng)速度保持在最大速率，因此轉(zhuǎn)化率與溫度的變化關(guān)系與最佳溫度曲線盡量接近。3.2.3、熱點溫度熱點溫度，可逆放熱反應(yīng)時床層軸向溫度的最大點。其位置與數(shù)值高低是反應(yīng)器操作控制的一個重要依據(jù)，可判斷反應(yīng)器運轉(zhuǎn)的情況，床內(nèi)的溫度不可能超過熱點溫度5。3.3換熱式固定床與絕熱式固定床的區(qū)別換熱式固定床床層軸向溫度分布相對比較均勻。4固定床反應(yīng)器的設(shè)計4.1固定床內(nèi)的流體流動1）固定床結(jié)構(gòu)表征的主要參數(shù)為床層空隙率，受顆粒的大小、形狀、粒度分布、顆粒直徑以及床層直徑等素影響。2）同一橫截面上空隙率是不均勻的，在距離壁面上約12倍粒徑處最大，床中心最小稱為壁效應(yīng)。在流體流過床面時, 流速受流過的空隙的影響而不均勻，空隙率越大，流速越大6。3）固定床層壓力降（歐根公式）：（1）對床層壓力降影響最大的是床層的空隙率和流體的流速；（2）流速下降, 壓力降減小, 但床內(nèi)的傳熱和傳質(zhì)變差；（3）顆粒直徑增加, 空隙率增加, 壓力降減小, 但在顆粒內(nèi)部的傳熱和傳質(zhì)相應(yīng)改變, 存在一個最佳的粒徑。固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型4.2數(shù)學(xué)模型的分類目前，固定床反應(yīng)器的設(shè)計和對現(xiàn)有反應(yīng)器的模擬計算，可用數(shù)學(xué)模型計算來進行。當(dāng)然，數(shù)學(xué)模型的可靠性和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準確性是正確設(shè)計和計算的關(guān)鍵。描述固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型按其傳遞過程的不同可分為擬均相模型和非均相模型兩大類。擬均相模型不考慮流體與催化劑問的傳熱、傳質(zhì)阻力，把流體和催化劑看成均相物系，催化劑粒子和流體之間沒有溫度和濃度上的差別。A擬均相模型不考慮流體與催化劑間差別，即不考慮流體與催化劑之間的傳熱和傳質(zhì)，認為流體中的溫度和濃度與催化劑表面上的溫度和濃度是相同的。A：理想流動基礎(chǔ)模型即同PFR計算方法相同，但反應(yīng)速度采用宏觀反應(yīng)速率。 物料衡算式其中速率為以催化劑重量為基準的反應(yīng)速率熱量衡算式A： A+軸向混合 徑向溫度和濃度相同，軸向引入有效導(dǎo)熱系數(shù)和有效擴散系數(shù)，表面壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。A： A+徑向混合 B非均相模型考慮流體與催化劑之間的傳熱和傳質(zhì)，認為流體中的溫度和濃度與催化劑表面上的溫度和濃度是不相同的。4.3模型方程需要具備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)、熱力學(xué)數(shù)據(jù)、傳遞速率數(shù)據(jù)，催化劑的宏觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。4.4床層壓降的計算流過床層的流體，其徑向流速分布是不均勻的。徑向流速分布：從床層中心處算起，隨著徑向位置的增大，流速增加，在離器壁的距離等于12倍顆粒直徑處，流速最大，然后隨徑向位置的增大而降低，至壁面處為零。床層直徑與顆粒直徑之比越小，徑向流速分布越不均勻。流體流過固定床時所產(chǎn)生的壓力損失：一方面是由于顆粒的粘滯曳力，即流體與顆粒表面間的摩擦；另一方面是由于流體流動過程中孔道截面積突然擴大和收縮，以及流體對顆粒的撞擊及流體的再分布而產(chǎn)生。當(dāng)流體處于層流時，前者起主要作用；在高流速及薄床層中流動時，后者起主要作用。將空管中流體流動的壓力降計算公式修正后用于固定床7。固定床壓力降計算公式：式中：流體密度 dS 顆粒比外表面積相當(dāng)直徑 f 摩擦系數(shù) L 床層高度 u0空管流速 B床層空隙率當(dāng)Re10 時， f = 1/Re當(dāng)Re1000 時，f = 1.75。一般固定床中的壓降不宜超過床內(nèi)壓力的15。4.1.1影響床層壓力降的最大因素：1）床層的空隙率 2）流體的流速兩者稍有增大，會使壓力降產(chǎn)生較大變化。4.1.2降低床層壓降的方法：1）增大床層空隙率，如采用較大粒徑的顆粒；2）降低流體的流速，但要考慮這會使相間的傳質(zhì)和傳熱變差，需綜合考慮。參考文獻：1 Atmakidis T,Kenig E Y.CFD-based analysis of the walleffect on the pressure drop in packed beds with moderatetubeparticle diameter ratios in the laminar flow regimeJ.Chem Eng J,2009(7):12 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