化学反应工程-第六章-固定床反应器

第六章

固定床反应器

概述固定床中的传递过程绝热床反应器6.1概述

固定床反应器的定义

固定床反应器的特点

固定床反应器的型式

固定床反应器的数学模型

固定床反应器的定义

凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层，而进行化学反应的反应器型式尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占最主要地位

固定床反应器的特点

催化剂颗粒不易磨损

床层内流体的流动接近于平推流可用较少量的催化剂和较少的反应器容积来获得较大的生产能力

停留时间可严格控制，温度分布可适当调整有利于达到高的选择性和转化率

固定床中传热较差对强放热反应，传热与控温成为难点和关键所在

催化剂更换必须停产进行催化剂必须有足够长的寿命

固定床反应器的型式

绝热床反应器

单层：

多层：层间换热：

间接换热（教材p185图6-1-2a，b，c）

直接冷激（教材p185图6-1-2d，e）

换热式反应器：列管式：管内放催化剂，管间走载热体(高压水或高压蒸汽)管间走载热体，管内放催化剂

自热式反应器：

合成氨、合成甲醇

双套管式、三套管式

流体流向：轴向、径向

固定床反应器的数学模型拟均相数学模型：忽略床层中颗粒与流体之间温度和浓度的差别

平推流的一维模型

轴向返混的一维模型

同时考虑径向混合和径向温差的二维模型

非均相模型：6.2固定床中的传递过程

颗粒层的若干物理特性参数

床层压降

固定床反应器中的传热

固定床中的传质与混合

一、颗粒层的若干物理特性参数密度颗粒密度ρp包括粒内微孔在内的全颗粒密度；固体真密度ρs除去微孔容积的颗粒密度；床层密度/堆积密度ρB单位床层容积中颗粒的质量（包括了微孔和颗粒间的空隙）；一、颗粒层的若干物理特性参数粒径

体积相当直径：相同体积的球形粒子的直径；

面积相当直径：相同外表面积的球形粒子直径；比表面积相当直径：相同比表面积的球形粒子直径；

一、颗粒层的若干物理特性参数颗粒形状系数

对非球形粒子，（同体积球形粒子的外表面积），因此定义颗粒形状系数（球形系数）：粒径的测定：筛分法

二、床层压降

um：空床平均流速

当Rem<10，第二项可忽略；

当Rem>1000，第一项可忽略。

一般而言，若床内操作压力为P，则床层阻力降ΔP<15%P。

三、固定床反应器中的传热

三个方面

粒内传热；

颗粒与流体之间的传热；

床层与器壁之间的传热。

颗粒与流体间的给热系数hp

关联式1：传热JH因子该式适用范围：

颗粒与流体间的给热系数hp关联式2式中，固定床的有效导热系数λe

是粒子与流体间对流传热、粒子与流体本身的导热、床层内辐射传热的综合表现。

床层与器壁间的给热系数hw和h0

四、固定床中的传质与混合

颗粒与流体间的传质：

固定床中流体的混合扩散：

6.3绝热床反应器

基本处理方法

平衡温度与最优温度分布

单层绝热床的计算

多层绝热床的计算

多层床的最优化问题一、基本处理方法

一般可作平推流处理；

床层与器壁间无传热；（绝热）

只考虑在轴向上的温度、浓度变化；径向上无温度、浓度变化；

(一维)固体与流体间无温度、浓度变化，即看作均一相。(拟均相)——拟均相一维平推流模型

二、平衡温度与最优温度分布

不可逆或可逆的吸热反应温度升高，反应速率增加最高允许操作温度取决于催化剂、设备材质性能等因素

可逆放热反应正、逆反应速率均随温度的升高而增加，其净反应速率将出现一极大值温度的进一步升高，将最终使得正、逆反应速率相等而达到化学平衡

二、平衡温度与最优温度分布以为例：正反应速率：逆反应速率：达到平衡时：r=r1-r2=0，同时，(-ΔH)=E2-E1

二、平衡温度与最优温度分布最优温度Topt下，r

→max：

Teq、Topt的关系：且Teq、Topt的变化趋势相同

根据最优操作温度线，随着反应的进行，转化率增加，相应的应该降低反应温度三、单层绝热床的计算

若以A组分为着眼组分，则有：

物料衡算式当为等温操作时，有：用于求解等温操作的固定床反应器所需的催化剂床高及用量

dWdxA能量衡算式

积分得：绝热床中,T与xA

成线性关系

12xAT121/(-rA)xA12W/FA0四、多层绝热床的计算

两层绝热，层间间接冷却的情形

两层绝热，层间直接冷激的情形

两层绝热，层间间接冷却xAT123456123456加热冷却冷却反应反应两层绝热，层间直接冷激1xAT23456123456多层床的最优化问题在一定数目的床层内，对于一定的进料和最终转化率，要选定各段的进出口温度和转化率以求总的催化剂用量为最少以中间间接冷却的多段绝热床反应器为例说明多层床的最优化问题对第i段对整个床层多层床的最优化问题优化目标函数也即多层床的最优化设计步骤根据进口条件，在图上确定一段催化剂床层进口点根据绝热操作线方程，作出操作线以最优化温度条件确定一段出口终点以最优化转化率条件确定下一段进口条件