第六章-固定床反應(yīng)器動畫版

固定床中的傳遞過程固定床反應(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)定義：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)的裝置都稱作固定床反應(yīng)器。2024/11/25鄰二甲苯氧化制苯酐管式固定床反應(yīng)器固定床層內(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；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；結(jié)構(gòu)簡單、催化劑機(jī)械磨損小，適合于貴金屬催化劑；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9原料氣產(chǎn)物催化劑1.絕熱式固定床反應(yīng)器外面保溫層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

原料冷激

非原料冷激多段固定床絕熱反應(yīng)器原料原料冷激劑原料產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品多段絕熱床反應(yīng)器根據(jù)段間反應(yīng)氣體的冷卻或加熱方式，多段絕熱床又分為中間間接換熱式和冷激式。優(yōu)點(diǎn)：催化劑床層的溫度波動小。缺點(diǎn)：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。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。傳熱介質(zhì)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，無腐蝕，無相變，溫度范圍200~350℃233.熔鹽：溫度范圍300℃～400℃，由無機(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)。244.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(shí)需要外部熱源。6.2固定床中的傳遞過程6.2.1粒子直徑和床層空隙率一、顆粒直徑的表示方法（1）表示方法（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)系式中，，稱為顆粒的形狀系數(shù)（）。表6-1非球形顆粒的形狀系數(shù)（3）混合粒子的平均直徑

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。二、固定床的當(dāng)量直徑（1）床層比表面（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εB

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)。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)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。6-9填充床的空隙率床層空隙率εB光滑均一光滑非均一粘土球形圓柱形不規(guī)則光滑均一剛玉均一尺寸1/4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：3536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。當(dāng)Rem<10時(shí)，厄根（Ergun）方程則變?yōu)椋寒?dāng)Rem>1000時(shí)，厄根(Ergun)方程則變?yōu)椋捍呋瘎┐矊訅航颠€有許多計(jì)算式，具體參考有關(guān)的資料。37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εB=0.44。在反應(yīng)條件下氣體的密度ρg=2.46kg?m-3，粘度μg=2.3×1