多项催化反应器
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第应器的分类 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
单段绝热反应器
多段绝热反应器
换热反应器
列管式固定床反应器
自热式 径向反应塔
• 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
• 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：
空隙体积 颗粒体积 VP B B 1 1 1 床层体积 床层体积 VB P
• 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。
B－床层堆积密度， P－颗粒密度
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 ε 0-1之间 ε计≤ε实际
dp fG 2 (1 ) dZ d p 3
Z 0, X A 0, T T0 , P P0
固定床反应器的数学模型
3. 轴向扩散模型
d 2cA dcA Da u0 0 b ( A ) 0 2 dZ dZ
d 2T dT 4U ea f u 0 C pt 0 b ( A )( H r ) (T Tc ) 0 2 dZ dt dZ
讨论ΔP的影响因素
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 ds ds=6Vs/as dp=1/∑xi/ dpi • ρ,uo • ρ 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
绝热式固定床反应器
2.多段
平衡曲线
产品
Ⅰ
XA
最佳温度线
2. 质量和热量的轴向扩散
Pea m
Pea h
回顾
d pu Da
d p uc p
2 0.3～1
气体 液体
Re
d p u
＞10
ea
uLr Pe Da
0.6
固定床内的传递现象
2. 质量和热量的径向扩散 固定床的径向传热
粒 子 与 流 体 间 的 传 热 床 层 与 器 壁 的 传 热
• 影响固定床压降的因素： • 1、两方面因素
流体方面： 、等物性，G（质量流速） L A( ; 床层方面： （床高）、 床层截面积）、 （床层空隙率） 粒度、形状、表面粗糙 度的颗粒物性
• 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↓。
2. 质量和热量的径向扩散
ht的关联式
球形颗粒
ht d t
f
2.03 Re
0.8
6d p exp dt
圆柱形颗粒
ht d t
f
1.26 Re
0.95
6d p exp dt
5～13 多数≈10
径向传质
Per r
d pu Dr
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
• .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)
径向扩散： dt N 5 dp
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）
固定床反应器的数学模型
1.概述
拟 均 相 模 型
平推流的一维模型 有轴向返混的一维模型
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
流 动 阻 力
颗粒的粘滞曳力
Lr u 0 1 p f 3 d s
2
局部阻力
回顾：空管中流动阻力
150 f 1.75 Re
d s u0 1 Re 1
ds 6 Vp ap
u0、
固定床内的传递现象
• 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m • dt反应器内径m • v距轴r处的流速m/s • u 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0 dt /dp〉30时流动分布曲线与实际流动分布曲线不大于 20%
w A0 (H r ) T dT dX A M A C pt
GwA0 Lr M A b
FA 0
dX A X A0 0 ( X A , T )[ A ( X A , T )]
X AL
X AL
T T0 X A
wA0 ( H r )T0 M AC pt
dX A Vr b X A 0 0 ( X A , T )[ A ( X A , T )]
粒 内 传 热
热阻大
固 定 床 反 应 器 的 径 向 温 度 分 布
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 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
径向有效导热系数er 关联式很多
靠近内壁的层流边界层
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
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
有径向混合和径向温差的二维模型
一维模型
非均相模型
二维模型
固定床反应器的数学模型
2. 活塞流模型
物料衡算
GwA0 dX A 0 b ( A ) M A dZ
dT 4U 热量衡算 GC pt 0 b ( A )( H r ) (T Tc ) dZ dt
动量衡算 初始条件
• 当Rem<10（滞流）：
>>1.75
• ②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)。
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/Re μ--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↑
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
1. 固定床内的流体流动
影响因素
=
颗粒间空隙体积
床层体积
颗 粒 的 装 填 方 式
颗 粒 与 床 层 直 径 比
粒 度 分 布
颗 粒 形 状
• 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）。
．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
dcA Z 0, u0 (C A0 C A ) Da dZ
u 0 f C pt (T0 T ) ea dT dZ
Z L,
dcA dT 0 dZ dZ
绝热式固定床反应器
1.单段
dT GC pt 0 b ( A )( H r ) T dZ
GwA0 dX A 0 b ( A ) M A dZ
固定床内的传递现象
小结
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。
轴向扩散： N Lr dp
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：
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
单段绝热反应器
多段绝热反应器
换热反应器
列管式固定床反应器
自热式 径向反应塔
• 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
• 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：
空隙体积 颗粒体积 VP B B 1 1 1 床层体积 床层体积 VB P
• 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。
B－床层堆积密度， P－颗粒密度
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 ε 0-1之间 ε计≤ε实际
dp fG 2 (1 ) dZ d p 3
Z 0, X A 0, T T0 , P P0
固定床反应器的数学模型
3. 轴向扩散模型
d 2cA dcA Da u0 0 b ( A ) 0 2 dZ dZ
d 2T dT 4U ea f u 0 C pt 0 b ( A )( H r ) (T Tc ) 0 2 dZ dt dZ
讨论ΔP的影响因素
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 ds ds=6Vs/as dp=1/∑xi/ dpi • ρ,uo • ρ 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
绝热式固定床反应器
2.多段
平衡曲线
产品
Ⅰ
XA
最佳温度线
2. 质量和热量的轴向扩散
Pea m
Pea h
回顾
d pu Da
d p uc p
2 0.3～1
气体 液体
Re
d p u
＞10
ea
uLr Pe Da
0.6
固定床内的传递现象
2. 质量和热量的径向扩散 固定床的径向传热
粒 子 与 流 体 间 的 传 热 床 层 与 器 壁 的 传 热
• 影响固定床压降的因素： • 1、两方面因素
流体方面： 、等物性，G（质量流速） L A( ; 床层方面： （床高）、 床层截面积）、 （床层空隙率） 粒度、形状、表面粗糙 度的颗粒物性
• 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↓。
2. 质量和热量的径向扩散
ht的关联式
球形颗粒
ht d t
f
2.03 Re
0.8
6d p exp dt
圆柱形颗粒
ht d t
f
1.26 Re
0.95
6d p exp dt
5～13 多数≈10
径向传质
Per r
d pu Dr
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
• .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)
径向扩散： dt N 5 dp
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）
固定床反应器的数学模型
1.概述
拟 均 相 模 型
平推流的一维模型 有轴向返混的一维模型
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
流 动 阻 力
颗粒的粘滞曳力
Lr u 0 1 p f 3 d s
2
局部阻力
回顾：空管中流动阻力
150 f 1.75 Re
d s u0 1 Re 1
ds 6 Vp ap
u0、
固定床内的传递现象
• 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m • dt反应器内径m • v距轴r处的流速m/s • u 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0 dt /dp〉30时流动分布曲线与实际流动分布曲线不大于 20%
w A0 (H r ) T dT dX A M A C pt
GwA0 Lr M A b
FA 0
dX A X A0 0 ( X A , T )[ A ( X A , T )]
X AL
X AL
T T0 X A
wA0 ( H r )T0 M AC pt
dX A Vr b X A 0 0 ( X A , T )[ A ( X A , T )]
粒 内 传 热
热阻大
固 定 床 反 应 器 的 径 向 温 度 分 布
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 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
径向有效导热系数er 关联式很多
靠近内壁的层流边界层
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
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
有径向混合和径向温差的二维模型
一维模型
非均相模型
二维模型
固定床反应器的数学模型
2. 活塞流模型
物料衡算
GwA0 dX A 0 b ( A ) M A dZ
dT 4U 热量衡算 GC pt 0 b ( A )( H r ) (T Tc ) dZ dt
动量衡算 初始条件
• 当Rem<10（滞流）：
>>1.75
• ②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)。
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/Re μ--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↑
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
1. 固定床内的流体流动
影响因素
=
颗粒间空隙体积
床层体积
颗 粒 的 装 填 方 式
颗 粒 与 床 层 直 径 比
粒 度 分 布
颗 粒 形 状
• 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）。
．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
dcA Z 0, u0 (C A0 C A ) Da dZ
u 0 f C pt (T0 T ) ea dT dZ
Z L,
dcA dT 0 dZ dZ
绝热式固定床反应器
1.单段
dT GC pt 0 b ( A )( H r ) T dZ
GwA0 dX A 0 b ( A ) M A dZ
固定床内的传递现象
小结
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。
轴向扩散： N Lr dp
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：