多相反应器的设计与分析

固定床反应器催化剂处于静止状态滴流床反应器催化剂处于运动状态流化床反应器移动床反应器浆态床反应器6.1固定床内的传递现象

6.2固定床反应器的数学模型

6.3绝热式固定床反应器

6.4换热式固定床反应器

6.5流化床反应器

6.1

固定床内的传递现象

除催化剂颗粒内的传质和传热过程外，床层整体还存在：床层内的轴向、径向的质量扩散和热量扩散等。1、固定床内的流体流动固定床中同一横截面上的孔隙率不均匀，导致流动不均匀。孔隙率影响因素：颗粒形状、粒度分布、颗粒直径与床层直径之比、颗粒的装填方法等。

鲍尔环球与器壁距离为1~2倍颗粒直径处，孔隙率最大——壁效应固定床孔隙率的径向分布

固定床流体流速的径向分布

固定床内径向速度分布不同于空管。从床层中心开始，随着径向位置的增大，流速增加，在离器壁的距离等于1~2倍颗粒直径处，流速最大，然后随径向位置增大而降低至壁面处为0.

流体流过固定床时所产生的压力损失：

颗粒的粘滞曳力孔隙变化流体与颗粒的碰撞流体的再分布

层流时占主体高流速及薄床层中流动时占主体空管内流体压降范宁公式修正后得固定床压降其中床层高度按空床计算的平均流速

床层孔隙率等外比表面积的球体直径摩擦系数摩擦系数当Re<10时，流体在床层中呈层流，f=150/Re

当Re>1000时，流体在床层中呈湍流，f=1.75

减小床层压降：（1）采用粒度较大的颗粒；（2）降低流速注意：计算压降一般是对新催化剂的预期压降，而使用过程中催化剂破损和粉化导致的阻力增加，故动能消耗估算和压缩机选型时应留有足够的余量。导致传质面积下降导致传递效果变差2、质量和热量的轴向扩散（1）轴向扩散模型轴向混合效应引起轴向返混。均相流轴向扩散对流传递速率扩散传递速率固定床反应器轴向质扩散的彼克列数轴向热扩散的彼克列数气体液体固定床内流体的轴向混合情况可用N个等体积的全混釜串联描述N越大，越接近于活塞流

N>50，传质活塞流

N>150，传热活塞流（2）多釜串联模型气固反应器：固定床高度颗粒直径（实验室则难以满足该条件）3、径向传质和传热床层径向温度分布图固定床内进行邻二甲苯氧化反应固定床径向传热热阻床层本身颗粒接触面处的传导相邻颗粒周围的边界层的传导颗粒间的辐射颗粒内的传导流动对传热的贡献径向有效导热系数

床层外沿与床层容器内壁间的传热壁膜传热系数

径向传热径向传质径向扩散系数存在的原因：向上或向下运动的流体撞击到固体颗粒时产生再分散和为了躲开固体颗粒而改变流向所致

若用N个全混釜串联模拟固定床反应器径向混合时

固定床的直径N大于1，故径向浓度不可能达到均匀;N减小可接近全混流，浓度趋于均一，但容易发生流体的短路。避免径向浓度分布不均很难做到。6.1固定床内的传递现象

6.2固定床反应器的数学模型

6.3绝热式固定床反应器

6.4换热式固定床反应器

6.5流化床反应器

6.2固定床反应器的数学模型固定床内的传递现象：相内的传质与传热；催化剂颗粒内的传质与传热；固定床内轴向的传递现象；固定床内径向的传递现象非线性偏微分方程

合理简化

固定床的非均相数学模型：活塞流模型（一维）；有轴向返混的一维模型；有径向浓度分布和温度分布的二维模型。衡算方程：物料衡算：热量衡算：边界条件的形式一定程度上决定了求解的难易程度。动量衡算：边界条件：需具备的基础数据：反应动力学数据（实验测定）；热力学数据（手册或文献可获得）：如反应热、比热容、化学平衡常数等

传递速率数据：流体的传递性质：粘度、扩散系数、导热系数等催化剂的宏观结构数据：如孔分布、颗粒密度、堆密度、比表面积等6.1固定床内的传递现象

6.2固定床反应器的数学模型

6.3绝热式固定床反应器

6.4换热式固定床反应器

6.5流化床反应器

6.3绝热式固定床反应器反应过程中催化剂床与外界没有热量交换的固定床反应器，叫做绝热式固定床反应器。单段多段反应物料在绝热情况下只反应一次。优点：反应器结构简单，造价低；缺点：不适用于热效应大的反应。多次在绝热条件下进行反应，反应一次后经过换热以满足所需的温度条件，再进行下一次绝热反应。原料产品催化剂床层换热器间接换热式多段固定床绝热反应器IIIIII原料催化剂床层原料气冷激式（直接换热式）多段固定床绝热反应器IIIIIIIV原料非原料气冷激式多段固定床绝热反应器IIIIIIIV产品冷激剂相比较而言：（1）间接换热式多了换热器，流程相对复杂，设备投资大；但有利于热量回收；限制条件少；催化剂用量少。（2）冷激式流程简单，但催化剂用量多；非原料气冷激受限于是否有合适的冷激剂；原料冷激式受限于原料温度及反应温度范围。6.1固定床内的传递现象

6.2固定床反应器的数学模型

6.3绝热式固定床反应器

6.4换热式固定床反应器

6.5流化床反应器

6.4换热式固定床反应器特点：催化剂床层进行化学反应的同时，床层还通过器壁与外界进行热交换。原料产品冷却剂（1）合理选择载热体是关键；原料产品冷却剂（2）反应管直径较小，多为20~30mm；（3）床层轴向温度分布较均匀；适用于强放热反应；便于放大；（4）催化剂磨损小，但装卸不方便。说明：温度影响温度对化学反应速率影响极为敏感，反应温度的控制是反应器操作中最重要的一环。可逆吸热反应和不可逆的吸热和放热反应，高温操作有利。（1）热点床层内存在温度最高点，称为热点温度。冷点：进行吸热反应时存在的最低温度点。热点的位置及其温度的高低是反应器操作的一个极为重要的依据，只要热点温度不超过允许温度，床层其他部位也绝不会超温。（2）飞温现象反应器内操作参数有小扰动，反应器的局部或整个反应器内温度便会大幅度上升的现象。进料温度对床层轴向温度分布的影响进料温度提高1K，床层操作会出现飞温失控现象。因此参数敏感性问题包括操作变量、反应混合物的性质以及反应器的传热能力对热点温度的影响程度。6.1固定床内的传递现象

6.2固定床反应器的数学模型

6.3绝热式固定床反应器

6.4换热式固定床反应器

6.5流化床反应器

6.5流化床反应器流体流过颗粒物料层时流速与压力降的关系

固定床流化床临界流化点最小流化速度一、流化床反应器的优缺点（相比固定床）：优点：1、流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能；传热系数可达400-1600W/m2.K，径向、轴向温度分布都十分均匀，可实现等温操作。

2、比较容易实现固体物料的连续输入和输出；物料具有流动性流化床中固体颗粒具有像流体一样的流动性质，故称为流态化，或拟流体。缺点：1、磨损和气体带走造成催化剂损失，需不断向反应器中补充催化剂；2、返混严重；3、气体以气泡形式通过床层造成气固接触不良；3、可以使用粒度很小的固体物料或催化剂；消除内扩散阻力，充分发挥催化剂效能，抑制串联副反应。4、压降不随气速变化。1、最小流化速度层流时

二、气固流态化特性床层颗粒开始流化时的床层高度；

床层颗粒开始流化时的孔隙率；

固体的密度流体的密度；

已知气体和固体的物理性质即可求出最小流化速度2、流化床的压力降湍流时，忽略惯性力

弗鲁特数<1，均匀流化>1，不均匀流化或聚式流化3、固体颗粒分散的均匀程度理想流化床（1）有明显的临界流化态点和临界流化态速度；三、理想流化床与实际流化床（3）有平稳的流态化界面；（4）流化态床层的空隙率在任何流速下都有一个具代表性的平均值，且不随床层位置而变化。（2）流化床层的压降恒定；实际流化床：气速超过临界流化速度，床层中就会出现气泡，在床层中形成两个空隙率不同的相，含颗粒较少的气泡相和含颗粒较多的乳化相。

四、流化床中的气泡1、气泡特点：气泡相和乳化相之间没有连续的分界面，与气液系统中的气泡不同。2、气泡的作用：（1）是床层运动的动力，加剧气-固两相的相对运动；（2）造成床层内颗粒的剧烈搅拌，使流化床具有较高的传热速率，床层内温度较均一；（3）参与传质，使反应物从气泡相进入乳化相，产物从乳化相进入气泡相；（4）降低流化床气固接触效率；（5）上升到床层表面破碎时，将大量固体颗粒抛向床层上方，造成颗粒损失。3、沟流和腾涌（1）沟流：颗粒床层中出现通道，大量气体短路通过床层，使得床层其余部分仍处于固定床状态（死床）。原因：分布板设计不当、颗粒细而密度大且形状不规则；颗粒有黏附性；颗粒湿度大。（2）气泡直径增大至接近床层直径时，气泡将其上部的固体颗粒托举上升，当气泡破裂时，颗粒突然下落，造成床体剧烈振动，影响气固接触，增大颗粒和设备的磨损。原因：