多项催化反应器

第七章多相催化反应器的设计与分析本章内容：固定床反应器的分类固定床内的传递现象固定床反应器的数学模型绝热式固定床反应器换热式固定床反应器自热式固定床反应器参数敏感性固定床反应器的分类绝热反应器换热反应器自热式径向反应塔列管式固定床反应器单段绝热反应器多段绝热反应器段内绝热，段间换热换热式固定床反应器固定床内的传递现象=颗粒间空隙体积床层体积1.固定床内的流体流动影响因素颗粒形状粒度分布颗粒与床层直径比颗粒的装填方式床层空隙率εB：单位体积床层内的空隙体积（没有被催化剂占据的体积，不含催化剂颗粒内的体积）。若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒的床层，其空隙率与颗粒大小无关。固定床内的传递现象

固定床内的流体流动

表征床层内催化装填结构的物理量

对固定床是空隙率ε即

床层体积=空隙体积+颗粒体积ρb

床层密度，ρp颗粒密度ρb<ρp

ε0-1之间ε计≤ε实际举例说明ε大小,反映催化剂的形状,密度,催化剂尺寸,(床层密度)装填状况.讨论题：a.如何装填（耙平，振荡）b.如何判别装填质量c.如果填料塔内装陶瓷填料，如何装固定床内的传递现象通常使用整个床层的平均空隙率进行计算。流体流动是通过床层空隙来实现的，流体的流通截面积为εA。但ε不均匀，真实流速u（缝隙速度）也存在分布问题，缝隙速度在壁面附近达到最大。

2.空隙率大小对过程的影响以及在床层分布状况：固定床空隙率的径向分布如下图所示：为什么dt/dp>8

通过上面分析知：空隙率是谁的函数，ε=f(催化剂的形状,密度,催化剂尺寸,床层直径，装填状况.)固定床内的传递现象固定床内的传递现象固定床内的传递现象通过上面分析知：空隙率是谁的函数，ε=f(催化剂的形状,密度,催化剂尺寸,床层直径，装填状况.)r距离反应器轴线的距离mdt反应器内径mv距轴r处的流速m/su空塔流速m/s讨论图：随r距离反应器轴线的距离增加，v/u比流速增加，有最大值，出现在1-2dp处，壁面处的v/u比流速为0随dp增加，v/u比流速增加，有最大值，比dp小的最大值大，出现在1-2dp处，壁面处的v/u比流速为0随dt增加，v/u比流速最大值比dt小的最大值小，出现在1-2dp处，壁面处的v/u比流速为0dt/dp〉30时流动分布曲线与实际流动分布曲线不大于20%固定床内的传递现象.固定床流体流动阻力固定床层内流体流动从层流状态到湍流状态的转折过程并不明显（与空管中的流体流动相比）。在相同的条件下，可能在床层的一部分处于层流状态，而其它部分则处于湍流状态流体在床层中流动产生的压降由两部分组成：颗粒对流体的粘滞曳（ye）力

形体阻力,空隙变化、流体与颗粒的碰撞（如孔道截面积的突然扩大和收缩，流体流动方向的改变等）

4.固定床压力降计算公式讨论园管压力降函数关系：范宁公式，影响压降的因素有ΔP=f(l,dt,u,ρ)分析(l,dt,u,ρ)固定床内的传递现象其中：这是个半径验公式，其中Lr--管长；ρ--流体密度；dp--颗粒直径（或等比外表面积相当直径）；uo--空塔气速。摩擦系数为固定床内的传递现象固定床内的传递现象雷诺数大时：f=1.75雷诺数小时：f=150/Reμ--流体的粘度。由此可以得到：粒度大时，ε↑，ΔP↓，但催化剂的有效因子较小

如果颗粒粉化、破碎，那么床层的压降ΔP↑当Rem<10（滞流）：>>1.75②当Rem>1000（完全湍流）：<<1.75

③若颗粒大小不均匀;④若不够大时，应考虑壁效应的影响。（5-19）（5-20）、对压降影响十分显著：4、粒径、形状：重要影响因素。当Rem<10，当Rem>1000,(筛析范围相同)。影响固定床压降的因素：1、两方面因素2、G与L、A有密切关系：对一定的VR（床层体积）在可能范围内，dt（床层直径）↑、相应L（床层高度）↓→有利于△p↓;但不利于高压容器制造。此时，轴向流动改为径向流动，有利于△p↓。

讨论ΔP的影响因素ΔP=f(Lr,ρ,dp,uo,f,ε)ΔP增大不利因素气体输送动能增加，增加成本，严重时不能操作，压缩机输出压头不够P是过程的参变量影响反应速率，放热反应，吸热反应，催化剂抗压强度，最大应力发生在床层底部，催化剂重量ΔP上流式流体流动不能超过托起催化剂的浮力，正常时容易做到，当开停工时，事故时易发生床层的冲起和跌落，有时要有碎颗粒的扑集和截留设备。一般采用下流式操作，下流操作可以截留污物杂质通过床层的质量速度必须使相间的梯度减致最小，并保证良好分布。ΔP增大使能耗的增加不应大于收益。最经济的ΔP为3-15%范围内列管反应器的每个管的ΔP应相等讨论ΔP的影响因素空隙率变化ε不均是本身因素决定的ε装填不好可以造成不均床层堵塞，局部堵塞dsds=6Vs/asdp=1/∑xi/dpiρ,uoρ操作条件下uo操作条件下床层堵塞床层堵塞是个严重问题，它会导致停工和卸出催化剂，反应流体分布不良发生堵塞的几种情况：大颗粒，如来自上游设备的污垢，在床层顶部被滤出，与过滤相似最初低ΔP，接着ΔP增加，形成滤饼所致。ΔP与u成正比焦炭或其他聚合物，它首先堆积在低流速区催化剂上，在沟流相邻区，为低流量区，容易形成焦炭，焦生成后流速下降，焦炭增加形成堵塞。死角，球形催化剂之间形成死角，生焦，堵塞，即沟流。死角（床，粒子之间）小催化剂粉末的团聚，带电效应产生的，在催化剂表面形成团聚，与催化剂团聚溶解于液体原料中的化合物在反应器条件下沉淀出来在液体原料中胶体颗粒，在紊流条件下很小，在催化剂颗粒接触点低流速区内形成大聚合物．解决床层堵塞的办法（讨论题）预防性的过滤除去原料中，上游设备中的机械杂质，在入口前装过滤器静电和磁力除粉末器，在线过滤器。严格装填催化剂，对列管每根管ws一样，避免沟流和短路，精确称量装填前处理催化剂，减少运输等过程中产生粉末，过筛避免用易生焦的操作条件，易沉淀，易生成胶状物，聚合物的条件，易使催化剂粉化条件除去原料中这些化学杂质设备上设计出装卸料口和设备，装卸料操作程序解决床层堵塞的办法被动处理方法一旦发生堵塞，改用上流操作。撇头，卸出催化剂过筛，重新装填。装料程序原则：减少催化剂磨损，保证均匀，排除粉末如装料时为避免人踏碎催化剂，在床层上装一块平板，人站在板上，减少对催化剂的压力。用木质耙耙平催化剂，对列管反应器精确称量每一根管内要装的催化剂，有记录固定床内的传递现象1.固定床内的流体流动小结：真实床层径向空隙率分布是不均匀的，在距壁面约1～2倍粒径处，空隙率最大。－壁效应床层直径与颗粒直径之比越大，空隙率分布越均匀。由于空隙率分布不均匀。造成径向流速分布不同于空管。为了消除壁效应，一般，管径与粒径之比应大于8。固定床内的传递现象1.固定床内的流体流动压力降计算公式u0、流动阻力颗粒的粘滞曳力局部阻力回顾：空管中流动阻力固定床内的传递现象2.质量和热量的轴向扩散2气体0.3～1液体0.6回顾固定床内的传递现象2.质量和热量的径向扩散固定床反应器的径向温度分布粒内传热粒子与流体间的传热床层与器壁的传热固定床的径向传热热阻大床层本身的导热+床层与器壁的对流传热床层本身的导热热阻靠近内壁的层流边界层径向有效导热系数er关联式很多壁膜传热系数hw无满意关联式床层传热系数ht固定床内的传递现象2.质量和热量的径向扩散径向传热包括

ht的关联式球形颗粒圆柱形颗粒2.质量和热量的径向扩散固定床内的传递现象

径向传质5～13多数≈10固定床内的传递现象轴向：

等温时，若用N个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动状况，则N等于50或更大。

对工业固定床反应器，大多数Lr/dp值远大于50，故可采用活塞流模型表示等温固定床内气体的流动状况。

非等温时，以Lr/dp值大于150作为准则较稳妥。径向：

若用N个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动状况，则N不可能为1，即径向浓度梯度总是存在。

减小dt/dp，则径向浓度梯度降低，但当dt/dp＜5，则床内流动极不均匀。（壁效应严重，且流体易短路）小结固定床反应器的数学模型平推流的一维模型有轴向返混的一维模型有径向混合和径向温差的二维模型拟均相模型1.概述非均相模型一维模型二维模型2.活塞流模型物料衡算热量衡算动量衡算初始条件固定床反应器的数学模型3.轴向扩散模型固定床反应器的数学模型绝热式固定床反应器1.单段产品原料ⅠⅡⅢTXA平衡曲线最佳温度线T=XA绝热式固定床反应器2.多段绝热式固定床反应器2.多段两式含义：1.为保证催化剂总用量最少，任何一段的出口转化率应等于下一段进口的转化率2.在规定的进、出口转化率下，存在一最佳的进口温度，使催化剂总用量最少绝热式固定床反应器2.多段换热式固定床反应器1.催化剂用量