第六章-固定床反应器动画版

固定床中的传递过程固定床反应器的概述6.26.16.3固定床反应器的计算第六章固定床反应器6.1.1固定床反应器的概念及特点定义：凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器。2024/11/25邻二甲苯氧化制苯酐管式固定床反应器固定床层内的气相流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性；可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力；结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂；反应器的操作方便、操作弹性较大。固定床反应器优点:固定床反应器缺点:

催化剂颗粒较大，有效系数较低；催化剂床层的传热系数较小，容易产生局部过热；催化剂颗粒的更换费事，不适于容易失活的催化剂。按床层与外界的传热方式，分以下几类：

6.1.2固定床反应器的类型9原料气产物催化剂1.绝热式固定床反应器外面保温层1.绝热式固定床反应器结构简单，床层横截面温度均匀。单位体积内催化剂量大，即生产能力大。但只适用于热效应不大的反应。10绝热式固定床反应器可分为：(1)轴向绝热式固定床反应器(2)径向绝热式固定床反应器11轴向反应器与径向反应器(a)(b)如图(a)所示，这种反应器结构最简单，实际上是一个容器，催化剂均匀堆置于床内，预热到一定温度的反应物料自上而下流过床层进行反应，床层同外界无热交换。如图(b)所示，径向反应器的结构较轴向反应器复杂，催化剂装载于两个同心圆构成的环隙中，流体沿径向流过床层。径向反应器的优点是流体流过的距离较短，流道截面积较大，床层阻力降较小。2.多段绝热式固定床反应器图(c)是用于SO2转化的多段绝热反应器，段间引入冷空气进行冷激。对于这类可逆放热反应过程，通过段间换热形成先高后低的温度变化，提高转化率和反应速率。间接换热

原料冷激

非原料冷激多段固定床绝热反应器原料原料冷激剂原料产品产品产品多段绝热床反应器根据段间反应气体的冷却或加热方式，多段绝热床又分为中间间接换热式和冷激式。优点：催化剂床层的温度波动小。缺点：结构较复杂，催化剂装卸较困难。3.列管式固定床反应器热效应较大，不宜采用绝热式反应器，可采用换热式固定床反应器。此设备如同列管式换热器，又称为列管式固定床反应器。列管式反应器优点：传热较好，管内温度较易控制；返混小、选择性较高；只要增加管数，便可有把握地进行放大；对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物料来稀释催化剂适用:原料成本高，副产物价值低以及分离不是十分容易的情况。传热介质常用的传热介质有：1.沸腾水：温度范围100~300℃。使用时需注意水质处理，脱除水中溶解的氧。2.联苯醚、烷基萘为主的石油馏分：粘度低，无腐蚀，无相变，温度范围200~350℃233.熔盐：温度范围300℃～400℃，由无机熔盐KNO3、NaNO3、NaNO2按一定比例组成，在一定温度时呈熔融液体，挥发性很小。但高温下渗透性强，有较强的氧化性。4.烟道气：适用于600～700℃的高温反应。244.自热式反应器以原料气为换热介质，利用反应后的高温气体预热原料，使其达到反应温度，本身得到冷却，即反应前后的物料在床层中自己进行换热称作自热式反应器。25甲烷化炉26自热式反应器的特点热能的利用率高，省能。可以设计出轴向温度分布接近最佳温度分布曲线的床层结构反应器热反馈现象严重，操作控制比较困难，原料气流量、温度、组成的变化都会影响热量平衡和反应状况，引起温度波动。自热式反应器在开车时需要外部热源。6.2固定床中的传递过程6.2.1粒子直径和床层空隙率一、颗粒直径的表示方法（1）表示方法（i）体积相当直径（ii）面积相当直径（iii）比表面相当直径式中，SV=ap/Vp，称为颗粒的比表面。（2）不同当量粒径的关系式中，，称为颗粒的形状系数（）。表6-1非球形颗粒的形状系数（3）混合粒子的平均直径

式中，xi是直径为di粒子在全部粒子中所占的质量分数，可采用标准筛进行筛分分析得到。标准筛的规格见表6-2。二、固定床的当量直径（1）床层比表面（2）床层当量直径式中，RH——水力半径。式中，np——单位体积床层中颗粒的个数。316.2.2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。床层空隙率是一个重要的参数，影响因素是颗粒形状及大小、粒度分布、颗粒与床层直径比和颗粒的装填方式。壁效应床层空隙率沿床层

径向分布不同，离

壁面约一个粒子直

径处的床层空隙率

最大。

3233床层内空隙率径向分布不均匀，引起各处的流速不同，因而床层内各处的传热和停留时间也不一样。为减少壁效应的影响，设计时要求床层直径至少要大于颗粒直径的8倍

以上。6-9填充床的空隙率床层空隙率εB光滑均一光滑非均一粘土球形圆柱形不规则光滑均一刚玉均一尺寸1/4英寸陶质拉西环熔融刚玉熔融磁铁铝砂6.2.3床层压降气体流动通过催化剂床层的空隙所形成的通道，与孔道周壁摩擦而将产生压降。压降计算通常利用厄根（Ergun）方程：3536厄根（Ergun）方程中其它参数：可用来计算床层压力分布。如压降不大，床层各处物性变化不大，可视为常数，压降将呈线性分布。当Rem<10时，厄根（Ergun）方程则变为：当Rem>1000时，厄根(Ergun)方程则变为：催化剂床层压降还有许多计算式，具体参考有关的资料。37影响床层压力降的最大因素：

床层的空隙率

流体的流速

两者稍有增大，会使压力降产生较大变化。降低床层压降的方法：

增大床层空隙率，如采用较大粒径的颗粒；

降低流体的流速，但要考虑这会使相间的传质和传热变差，需综合考虑。3839例6.1内径为50mm的管内装有4m高的催化剂层，催化剂为球体，催化剂的粒径分布如表所示。空隙率εB=0.44。在反应条件下气体的密度ρg=2.46kg∙m-3，粘度μg=2.3×1