第二章固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)

第二章固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)第1頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.定義：凡是流體通過(guò)不動(dòng)的固體物料所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置。固體催化劑顆粒堆積起來(lái)所形成的固定床層靜止不動(dòng)，氣體反應(yīng)物自上而下流過(guò)床層，進(jìn)行反應(yīng)的裝置稱作固定床反應(yīng)器。

一、固定床反應(yīng)器定義

第2頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第3頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第4頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第5頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器熱載體：水、高壓水：100~300℃

導(dǎo)生油：200~350℃熔鹽：300~500℃煙道氣：600~700℃特點(diǎn)：換熱效果好、床溫均勻，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。應(yīng)用：熱效應(yīng)大、溫度要求均勻控制的場(chǎng)合第6頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第7頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)

：1、催化劑不易磨損。2、傳熱較差。3、固定床層內(nèi)的氣相流動(dòng)接近平推流，有利于實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化率與選擇性；4、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；5、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、催化劑機(jī)械磨損小，適合于貴金屬催化劑；6、反應(yīng)器的操作方便、操作彈性較大。第8頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)

相對(duì)于流化床反應(yīng)器，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(guò)熱；催化劑顆粒的更換費(fèi)事，不適于容易失活的催化劑。第9頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

三、固定床反應(yīng)器類型

固定床反應(yīng)器形式多種多樣，按床層與外界的傳熱方式分類，可有以下幾類：絕熱式固定床反應(yīng)器，多段絕熱式固定床反應(yīng)器，列管式固定床反應(yīng)器，自熱式反應(yīng)器。））第10頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類型1.絕熱式固定床反應(yīng)器反應(yīng)器外殼包裹絕熱保溫層，使催化劑床層與外界沒(méi)有熱量交換。中空?qǐng)A筒的底部放置擱板，上面堆放固體催化劑。氣體從上而下通過(guò)催化劑床層。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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)。第11頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原料氣產(chǎn)物催化劑絕熱式固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器類型第12頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類型1、絕熱式固定床反應(yīng)器可分為軸向反應(yīng)器和徑向反應(yīng)器。(1)軸向絕熱式固定床反應(yīng)器如圖(a)所示。這種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，實(shí)際上是一個(gè)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(guò)床層進(jìn)行反應(yīng)，床層同外界無(wú)熱交換第13頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類型(2)徑向絕熱式固定床反應(yīng)器如圖(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(gè)同心圓構(gòu)成的環(huán)隙中，流體沿徑向流過(guò)床層，可采用離心流動(dòng)或向心流動(dòng)。徑向反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是流體流過(guò)的距離較短，流道截面積較大，床層阻力降較小。第14頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類型（a）（b）第15頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類型第16頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

固定床反應(yīng)器類型

2.多段絕熱式固定床反應(yīng)器

熱效應(yīng)大，常把催化劑床層分成幾段(層)，段間采用間接冷卻或原料氣（或惰性組分）冷激，以控制反應(yīng)溫度在一定的范圍內(nèi)。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(duì)于這類可逆放熱反應(yīng)過(guò)程，通過(guò)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。第17頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

固定床反應(yīng)器類型

第18頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

固定床反應(yīng)器類型

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。如圖(d)所示，反應(yīng)器由多根反應(yīng)管并聯(lián)構(gòu)成，管徑一般為25~30㎜，管數(shù)可達(dá)萬(wàn)根以上。管內(nèi)裝催化劑，傳熱介質(zhì)流經(jīng)管間進(jìn)行加熱或冷卻。第19頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

固定床反應(yīng)器類型

第20頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

固定床反應(yīng)器類型

列管式固定床反應(yīng)器具有良好的傳熱性能，單位床層體積具有較大的傳熱面積，可用于熱效應(yīng)中等或稍大的反應(yīng)過(guò)程。反應(yīng)器由成千上萬(wàn)根“單管”組成。一根單管的反應(yīng)性能可以代表整個(gè)反應(yīng)器的反應(yīng)效果，因而放大設(shè)計(jì)較有把握，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛。第21頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月列管式固定床反應(yīng)器

第22頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類型列管式反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：傳熱較好，管內(nèi)溫度較易控制；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(duì)于極強(qiáng)的放熱反應(yīng)，還可用同樣粒度的惰性物料來(lái)稀釋催化劑適用:原料成本高，副產(chǎn)物價(jià)值低以及分離不是十分容易的情況。第23頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類型第24頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類型4、自熱式反應(yīng)器采用反應(yīng)放出的熱量來(lái)預(yù)熱新鮮的進(jìn)料，達(dá)到熱量自給和平衡，其設(shè)備緊湊，可用于高壓反應(yīng)體系。但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，操作彈性較小，啟動(dòng)反應(yīng)時(shí)常用電加熱。第25頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、傳熱介質(zhì)傳熱介質(zhì)的選用根據(jù)反應(yīng)的溫度范圍決定，其溫度與催化床的溫差宜小，但又必須移走大量的熱，常用的傳熱介質(zhì)有：1.沸騰水：溫度范圍100~300℃。使用時(shí)需注意水質(zhì)處理，脫除水中溶解的氧。2.聯(lián)苯醚、烷基萘為主的石油餾分：粘度低，無(wú)腐蝕，無(wú)相變，溫度范圍200~350℃第26頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳熱介質(zhì)3.熔鹽：溫度范圍300℃～400℃，由無(wú)機(jī)熔鹽KNO3、NaNO3、NaNO2按一定比例組成，在一定溫度時(shí)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.煙道氣：適用于600～700℃的高溫反應(yīng)。第27頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、固定床的傳遞特性氣體在催化劑顆粒之間的孔隙中流動(dòng)，較在管內(nèi)流動(dòng)更容易達(dá)到湍流。氣體自上而下流過(guò)床層。第28頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床的傳遞特性1、顆粒尺寸顆粒尺寸是顆粒體系的重要參數(shù)，常用粒徑來(lái)表示。球形粒子的粒徑是其直徑，其他形狀的粒子粒徑則需定義。顆粒的定型尺寸－－最能代表顆粒性質(zhì)的尺寸為顆粒的當(dāng)量直徑。對(duì)于非球形顆粒，可將其折合成具有相同的體積（或外表面積、比表面積）的球形顆粒，以當(dāng)量直徑表示。如體積、外表面積、比表面積當(dāng)量直徑。第29頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床的傳遞特性2、床層空隙率

單位體積床層內(nèi)的空隙體積(沒(méi)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(wú)關(guān)。第30頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床的傳遞特性床層空隙率是一個(gè)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)床層空隙率沿床層徑向分布不同，離壁面約一個(gè)粒子直徑處的床層空隙率最大。

第31頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月床層內(nèi)空隙率徑向分布不均勻，引起各處的流速不同，因而床層內(nèi)各處的傳熱和停留時(shí)間也不一樣。為減少壁效應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)時(shí)要求床層直徑至少要大于顆粒直徑的8倍

以上。固定床的傳遞特性第32頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、床層壓降氣體流動(dòng)通過(guò)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：第33頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床的傳遞特性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(huì)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(huì)使相間的傳質(zhì)和傳熱變差，需綜合考慮。第34頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、固定床中的傳熱固定床中的傳熱組成顆粒內(nèi)傳熱顆粒與流體間的傳熱，傳熱系數(shù)hP床層與器壁的傳熱，傳熱系數(shù)hw、h0固定床的傳遞特性第35頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5、固定床中的傳質(zhì)(1)流體與催化劑顆粒外表面之間的傳質(zhì)前面討論宏觀動(dòng)力學(xué)是采用催化劑表面的溫度、濃度，然而催化劑表面的溫度濃度卻難于測(cè)量。本節(jié)討論催化劑表面的溫度濃度與氣流主體的溫度濃度之間的關(guān)系，通過(guò)可測(cè)量的量建立動(dòng)力學(xué)關(guān)系。第36頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月六、乙炔脫除(主題)工藝說(shuō)明本流程為利用催化加氫脫乙炔的工藝。乙炔是通過(guò)等溫加氫反應(yīng)器除掉的,反應(yīng)器溫度由殼側(cè)中冷劑溫度控制。主反應(yīng)為：nC2H2＋2nH2

（C2H6）n溫度超過(guò)66℃時(shí)有副反應(yīng)為：2nC2H4

（C4H8）n第37頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原料氣中乙炔脫除工藝方案第38頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原料氣中乙炔脫除工藝方案第39頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月開車操作操作規(guī)程正常操作停車操作EV-429閃蒸器充丁烷ER-424A反應(yīng)器充丁烷

ER-424A啟動(dòng)正常工藝參數(shù)ER-424A與ER-424B間切換ER-424B的操作

正常停車緊急停車第40頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月開車操作操作規(guī)程正常操作停車操作EV-429閃蒸器充丁烷ER-424A反應(yīng)器充丁烷

ER-424A啟動(dòng)正常工藝參數(shù)ER-424A與ER-424B間切換ER-424B的操作

正常停車緊急停車第41頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月開車操作EV-429閃蒸器充丁烷(1)確認(rèn)EV-429壓力為0.03MPa。(2)打開EV-429回流閥PV1426的前后閥VV1429、VV1430。(3)調(diào)節(jié)PV1426(PIC1426)閥開度為50%。(4)EH-429通冷卻水，打開KXV1430，開度為50%。(5)打開EV-429的丁烷進(jìn)料閥門KXV1420，開度50%。(6)當(dāng)EV-429液位到達(dá)50%時(shí)，關(guān)進(jìn)料閥KXV1420。第42頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ER-424A反應(yīng)器充丁烷(1)確認(rèn)事項(xiàng)①反應(yīng)器0.03MPa保壓。②EV-429液位到達(dá)50％。(2)充丁烷打開丁烷冷劑進(jìn)ER-424A殼層的閥門KXV1423，有液體流過(guò)，充液結(jié)束；同時(shí)打開出ER-424A殼層的閥門KXV1425。第43頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ER-424A啟動(dòng)(1)啟動(dòng)前準(zhǔn)備工作①ER-424A殼層有液體流過(guò)。②打開S3蒸汽進(jìn)料控制TIC1466.③調(diào)節(jié)PIC-1426設(shè)定，壓力控制設(shè)定在0.4MPa。第44頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)ER-424A充壓、實(shí)氣置換①打開FIC1425的前后閥VV1425、VV1426和KXV1412。②打開閥KXV1418。③微開ER-424A出料閥KXV1413，丁烷進(jìn)料控制FIC1425(手動(dòng))，慢慢增加進(jìn)料，提高反應(yīng)器壓力，充壓至2.523MPa。④慢開ER-424A出料閥KXV1413至50%，充壓至壓力平衡。⑤乙炔原料進(jìn)料控制FIC1425設(shè)自動(dòng)，設(shè)定值56186.8KG/H。第45頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)ER-424A配氫，調(diào)整丁烷冷劑壓力①穩(wěn)定反應(yīng)器入口溫度在38.0℃，使ER-424A升溫。②當(dāng)反應(yīng)器溫度接近38.0℃(超過(guò)35.0℃)，準(zhǔn)備配氫。打開FV1427的前后閥VV1427、VV1428。③氫氣進(jìn)料控制FIC1427設(shè)自動(dòng),流量設(shè)定80KG/H。④觀察反應(yīng)器溫度變化，當(dāng)氫氣量穩(wěn)定后,FIC1427設(shè)手動(dòng)。⑤緩慢增加氫氣量，注意觀察反應(yīng)器溫度變化。⑥氫氣流量控制閥開度每次增加不超過(guò)5％。⑦氫氣量最終加至