第六章 固定床反應(yīng)器動畫版課件

1、 固定床中的傳遞過程固定床中的傳遞過程固定床反應(yīng)器的概述固定床反應(yīng)器的概述6.26.16.3固定床反應(yīng)器的計(jì)算固定床反應(yīng)器的計(jì)算第六章 固定床反應(yīng)器 6.1.1 固定床反應(yīng)器的概念及特點(diǎn)固定床反應(yīng)器的概念及特點(diǎn)定義定義：凡是流體通過不動的固體物料所形成：凡是流體通過不動的固體物料所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置都稱作的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置都稱作固定床反應(yīng)器。固定床反應(yīng)器。 2022-2-5鄰二甲苯氧化制苯酐管式固定床反應(yīng)器 u固定床層內(nèi)的氣相流動接近平推流，有利于實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化率與選擇性；u可用較少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積獲得較大的生產(chǎn)能力；u結(jié)構(gòu)簡單、催化劑機(jī)械磨損小，適合于貴金屬催化劑；

2、u反應(yīng)器的操作方便、操作彈性較大。固定床反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)固定床反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn): : 固定床反應(yīng)器缺點(diǎn): 催化劑顆粒較大，有效系數(shù)較低；催化劑床層的傳熱系數(shù)較小，容易產(chǎn)生局部過熱；催化劑顆粒的更換費(fèi)事，不適于容易失活的催化劑。 按床層與外界的傳熱方式，分以下幾類： 6.1.2 固定床反應(yīng)器的類型固定床反應(yīng)器的類型 9原料氣產(chǎn)物催化劑催化劑1.絕熱式固定床反應(yīng)器 外面保外面保溫層溫層 1.絕熱式固定床反應(yīng)器 結(jié)構(gòu)簡單，床層橫截面溫度均勻。單位體積內(nèi)催化劑量大，即生產(chǎn)能力大。但只適用于熱效應(yīng)不大的反應(yīng)。10 絕熱式固定床反應(yīng)器可分為： (1)軸向絕熱式固定床反應(yīng)器 (2)徑向絕熱式固定床反應(yīng)器11 軸向反應(yīng)器

3、與徑向反應(yīng)器軸向反應(yīng)器與徑向反應(yīng)器(a)(b) 如圖(a)所示，這種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)最簡單，實(shí)際上是一個容器，催化劑均勻堆置于床內(nèi)，預(yù)熱到一定溫度的反應(yīng)物料自上而下流過床層進(jìn)行反應(yīng)，床層同外界無熱交換。如圖(b)所示，徑向反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)較軸向反應(yīng)器復(fù)雜，催化劑裝載于兩個同心圓構(gòu)成的環(huán)隙中，流體沿徑向流過床層。徑向反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是流體流過的距離較短，流道截面積較大，床層阻力降較小。 2.多段絕熱式固定床反應(yīng)器 圖(c)是用于 SO2 轉(zhuǎn)化的多段絕熱反應(yīng)器，段間引入冷空氣進(jìn)行冷激。對于這類可逆放熱反應(yīng)過程，通過段間換熱形成先高后低的溫度變化，提高轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率。 間接換熱間接換熱 原料冷激原料冷激 非原料

4、冷激非原料冷激多段固定床絕熱反應(yīng)器多段固定床絕熱反應(yīng)器原料原料原料原料冷冷激激劑劑原料原料產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品多段絕熱床反應(yīng)器多段絕熱床反應(yīng)器根據(jù)段間反應(yīng)氣體的冷卻或加熱方式，多段絕根據(jù)段間反應(yīng)氣體的冷卻或加熱方式，多段絕熱床又分為中間間接換熱式和冷激式。熱床又分為中間間接換熱式和冷激式。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：催化劑床層的溫度波動小。催化劑床層的溫度波動小。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，催化劑裝卸較困難。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，催化劑裝卸較困難。 3.列管式固定床反應(yīng)器熱效應(yīng)較大，不宜采用絕熱式反應(yīng)器，可采用換熱式固定床反應(yīng)器。此設(shè)備如同列管式換熱器，又稱為列管式固定床反應(yīng)器。 u列管式反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)： 傳熱較好，管內(nèi)溫

5、度較易控制； 返混小、選擇性較高； 只要增加管數(shù)，便可有把握地進(jìn)行放大； 對于極強(qiáng)的放熱反應(yīng)，還可用同樣粒度的惰性物料來稀釋催化劑u適用: 原料成本高，副產(chǎn)物價值低以及分離不是十分容易的情況。 傳熱介質(zhì)常用的傳熱介質(zhì)有：1.1.沸騰水：沸騰水：溫度范圍100300。使用時需注意水質(zhì)處理，脫除水中溶解的氧。2.2.聯(lián)苯醚、烷基萘為主的石油餾分：聯(lián)苯醚、烷基萘為主的石油餾分：粘度低，無腐蝕，無相變，溫度范圍200 35023 3.3.熔鹽：熔鹽：溫度范圍300400，由無機(jī)熔鹽KNO3、NaNO3、NaNO2按一定比例組成，在一定溫度時呈熔融液體，揮發(fā)性很小。但高溫下滲透性強(qiáng)，有較強(qiáng)的氧化性。4.

6、4.煙道氣：煙道氣：適用于600700的高溫反應(yīng)。24 4. 自熱式反應(yīng)器以原料氣為換熱介質(zhì)，利用反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱原料，使其達(dá)到反應(yīng)溫度，本身得到冷卻，即反應(yīng)前后的物料在床層中自己進(jìn)行換熱稱作自熱式反應(yīng)器。25甲烷化爐 26自熱式反應(yīng)器的特點(diǎn) 熱能的利用率高，省能。 可以設(shè)計(jì)出軸向溫度分布接近最佳溫度分布曲線的床層結(jié)構(gòu) 反應(yīng)器熱反饋現(xiàn)象嚴(yán)重，操作控制比較困難，原料氣流量、溫度、組成的變化都會影響熱量平衡和反應(yīng)狀況，引起溫度波動。 自熱式反應(yīng)器在開車時需要外部熱源。 6.2 固定床中的傳遞過程6.2.1 6.2.1 粒子直徑和床層空隙率粒子直徑和床層空隙率一、顆粒直徑的表示方法 （1）表示方

7、法 （i）體積相當(dāng)直徑 （ii）面積相當(dāng)直徑 （iii）比表面相當(dāng)直徑3/1)/6(PVVd 2/1)/(Paad PPVSaVSd/6/6式中，SV=ap/Vp，稱為顆粒的比表面。 （2）不同當(dāng)量粒徑的關(guān)系PPSVSaVdd/62)/(aVSdd式中， ，稱為顆粒的形狀系數(shù)（ ）。pSSaa /1S 表6-1 非球形顆粒的形狀系數(shù)（3）混合粒子的平均直徑niiiddxd11 式中，xi是直徑為di粒子在全部粒子中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可采用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分分析得到。標(biāo)準(zhǔn)篩的規(guī)格見表6-2。 VSBBSBBeBHeddSRd13213244二、固定床的當(dāng)量直徑（1）床層比表面SBppBppppBppe

8、dVaaVanS/ )1 (6)1 ()1 (（2）床層當(dāng)量直徑式中，RH 水力半徑。式中，np 單位體積床層中顆粒的個數(shù)。316.2.2 床層空隙率 B 單位體積床層內(nèi)的空隙體積(沒有被催化劑占據(jù)的體積，不含催化劑顆粒內(nèi)的體積)。 若不考慮壁效應(yīng)，裝填有均勻顆粒的床層，其空隙率與顆粒大小無關(guān)。顆粒密度床層堆積密度，床層體積顆粒體積床層體積空隙體積PBPBBPB111VV 床層空隙率是一個重要的參數(shù)，影響因素是顆粒形狀及大小、粒度分布、顆粒與床層直徑比和顆粒的裝填方式。 壁效應(yīng)壁效應(yīng) 床層空隙率沿床層 徑向分布不同，離 壁面約一個粒子直 徑處的床層空隙率 最大。 3233 床層內(nèi)空隙率徑向分布

9、不均勻，引起各處的流速不同，因而床層內(nèi)各處的傳熱和停留時間也不一樣。 為減少壁效應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)時要求床層直徑至少要大于顆粒直徑的 8 8倍倍 以上。6-9填充床的空隙率填充床的空隙率床層空隙率床層空隙率B光滑均一光滑均一光滑非均一光滑非均一粘土粘土球形球形圓柱形圓柱形不規(guī)則不規(guī)則光滑均一光滑均一剛玉均一尺寸剛玉均一尺寸1 / 4 英寸陶質(zhì)拉西環(huán)英寸陶質(zhì)拉西環(huán)熔融剛玉熔融磁鐵鋁砂6.2.3 床層壓降 氣體流動通過催化劑床層的空隙所形成的通道，與孔道周壁摩擦而將產(chǎn)生壓降。 壓降計(jì)算通常利用厄根（Ergun）方程：35Bggmsmm1Re:Reud修正的雷諾數(shù)，式中： s2mg3BBm175. 1R

10、e150dddulP36 厄根（Ergun）方程中其它參數(shù)： 可用來計(jì)算床層壓力分布。 如壓降不大，床層各處物性變化不大，可視為常數(shù)，壓降將呈線性分布。床層空隙率氣體密度顆粒當(dāng)量直徑床層高度空塔氣速平均流速Bgsmdlu 當(dāng)Re m1000時，厄根(Ergun)方程則變?yōu)椋?催化劑床層壓降還有許多計(jì)算式，具體參考有關(guān)的資料。37LduP3BBs2mgm1Re150LduP3BBs2mg175. 1 影響床層壓力降的最大因素： 床層的空隙率 流體的流速 兩者稍有增大，會使壓力降產(chǎn)生較大變化。 降低床層壓降的方法： 增大床層空隙率，如采用較大粒徑的顆粒； 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。3839例6.1內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)裝有4m高的催化劑層，催化劑為球體，催化劑的粒徑分布如表所示。空隙率 B = 0.44。在反應(yīng)條件下氣體的密度 g = 2.46 kgm-3，粘度 g = 2.310-5 kgm-1s-1，氣體的質(zhì)量流速 G = 6.2kg m-2s-1。求床層的壓降。粒徑粒徑 dS /mm3.404.606.90質(zhì)量分率質(zhì)量分率 0.600.250.1540解： 求顆粒的平均直徑 計(jì)算修正雷諾數(shù)m1096. 3mm96. 390. 615. 060. 42