化学反应工程第三级固定床

1、固定床催化反应器的类型和优缺点固定床催化反应器的类型： 1.绝热式反应器 2.对外换热式反应器 3.自热式反应器绝热式反应器：反应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。结构简单，床层横截面温度均匀，优先考虑采用。但只适用于热效应不大的反应。对于热效应稍大而又希望采用绝热式反应器的情况，常把催化剂床层分成几层，层与层之间用间接冷却或用原料气冷激，以控制反应温度在一定的范围内。对外换热式反应器：当反应的热效应较大而不宜再采用绝热式反应器时，常用对外换热式固定床反应器。这类反应器大多类似于列管式换热器，故又称为列管式固定床反应器。催化剂装在列管中，而传热介质则在壳程中流动，将床层反应

2、放出的热量移走。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。自热式反应器：用反应放出的热量预热新鲜进料，达到热量自给和平衡，其设备紧凑，可用于高压反应体系。但其结构较复杂，操作弹性较小，启动反应时常用电加热。 固定床催化反应器的优缺点：优点：固定床中催化剂不易磨损；床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。由于停留时间可以

3、严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大生产中尤为重要。缺点： 固定床中的传热较差； 催化剂的更换必须停产进行。 催化剂颗粒直径的计算和床层空隙率的影响因素常用的非中空颗粒当量直径的表示方法有三种，即等体积圆球直径、等外表面积圆球直径和等比外表面积圆球直径。表征颗粒体系的重要参数是粒径，设粒子体积为则体积当量直径 另一种定义是以外表面积相同的球形粒子直径作为代表，称为面积当量直径以相同比表面球粒子来表示，故比表面当量直径。对于非球形离子，其外表面积必然大于体积相同的球形粒子外表面积。所以可以定义形状系数，它反映了粒子与球形的差异程度。 形状系数 可由颗粒的体积

4、及外表面积算得。非中空颗粒的体积可由实验测得，或由其质量及密度计算。形状规则的颗粒，例如圆柱形颗粒，其外表面积可由直径及高求出；形状不规则的颗粒外表面积却难以直接测量，这时可测定由待测颗粒所组成的固定床压力降来计算形状系数。 各当量粒径之间的关系：，单位床层中外表面积于是固定床当量直径床层孔隙率是一个重要参数，它随粒子形状，大小而异。流体通过床层空隙所形成的通道时，与孔道周壁发生摩擦而产生压降。仿照流体在空管中的压降公式：，得另一个可靠公式：固定床中传热的方式在固定床反应器中，若床层被冷却，热量在床层中按对流、传导及辐射的综合方式传至床层近壁处，再通近壁处滞流边界层传向容器内壁。因此，床层中每

5、一截面上都形成一定的径向温度分布，并且不同轴向位置处的径向温度分布也不相同。另一方面，流体在固体颗粒间流动时，不断地分散与汇合，形成了径向及轴向混合过程的浓度分布。固定床反应器应将温度分布与浓度分布方程和动力学方程联立求解。流体通过固定床的径向热量传递是通过多种方式进行的。通常把固体颗粒及在其空隙中流动的流体包括在内的整个固定床看作为假想的固体，按传导传热的方式来考虑径向传热过程。这一假想的固体导热系数，称为径向有效导热系数 。静止流体有效导热系数是固定床内流体不流动时床层主体的有效导热系数，它包括如下的六个过程，示意图如下。(l)床层空隙内部流体的传热，它与流体的导热系数 有关；(2)颗粒之

6、间通过接触的传热，其给热系数为 ；(3)颗粒表面附近流体中的传热，它与流体的导热系数有关；(4)颗粒表面之间的热辐射传热，其给热系数为；(5)通过固体颗粒的传热，它与固体的导热系数 有关；(6)空隙内部流体的辐射传热，它与辐射给热系数有关。(7)流动流体径向有效导效系数由传热方式(7)所形成， 即流体通过固定床时，由于流体混合所引起的径向对流传热。固定床中的传质与混合当流体流经固定床时，不断发生分散与汇合，形成了一定程度的径向及轴向混合，尤其当固定床中进行化学反应而又与外界换热时，床层中不同径向位置处流速、温度及反应速率都不相同，也就必然存在着径向浓度分布，更加加剧床层中径向及轴向的混合过程，

7、而其中径向混合比轴向更加显著。固定床反应器中床层高度L超过颗粒直径的一百倍时，可以略去轴向返混的影响某些固定床反应器，如实验室测试动力学数据的装置，床层高度与颗粒直径的比值往往低于一百倍，称为薄床层，此时必须考虑轴向返混的影响。但可以在催化床上、下部填充适当大小的惰性物料，造成整个填充床处于平推流状态。拟均相一维模型等温和绝热固定床反应器的计算等温反应器：对于反应热效应不大，传热效果良好的情况。，也可以计算催化床层体积，床层内径、高度。有时物料恒算式也可以写成 单层绝热床：可逆绝热反应过程中，整个催化床与外界没有热量交换，即 对上式从催化床进口到出口进行积分，可得如果用质量速度及平均比热容表示热量恒算可以写成，积分得它与等价放热反应固定床反应器的平衡线、最佳（理想）温度线、操作线对于可逆放热反应，反应速率受两个因素影响：转化率（反应物浓度）、温度（平衡浓度、反应速率常数）。最优温度曲线-反应速率最快的温度组成的曲线。各段分配的最优条件：前一段出口时的反应速率与后一段进口时的反应速率相等。单一可逆放热反应三段非原料气冷激式操作状况单一可逆放热反应三段原料冷激式操作状况单一可逆放热反应三段间接换热式操作状况 例题：在一总长为4米的填充床中，反应气在