气固相反应器

一、固定床反应器的类型与结构
2、多段绝热式
（a）中间换热式 Ⅰ
Ⅱ
x
平衡温度线
Ⅲ
最佳温度线
Ⅳ
T
一、固定床反应器的类型与结构
2、多段绝热式
Ⅰ
（b）原料气冷激式
Ⅱ x
Ⅲ
平衡温度线
Ⅳ
最佳温度线
T
一、固定床反应器的类型与结构
2、多段绝热式 (c)非原料气冷激式 Ⅰ
Ⅱ
x
Ⅲ
平衡温度线
Ⅳ
最佳温度线
T
一、固定床反应器的类型与结构
一、空隙率
由于器壁的存在对ε分布造成的这种影响及由此造成对 流体流动、传质和传热的影响，称为壁效应。
壁效应产生出床层径向截面上流速、温度及反应速率 都不均匀，恶化了反应器的操作性能。
dt/dp越大，壁效应的影响越小，一般工程上认为当 达8时，可不计壁效应。但是当dt/dp<8时，必须考虑 壁效应的影响。 举例：管式催化床内直径一般为25-40mm，而催化剂 颗粒直径一般为5-8mm，即管径与催化剂颗粒直径比相 当小，此时壁效应对床层中径向空隙率分布和径向流速 分布及催化反应性能的影响必须考虑。
二、流体在固定床中的流动特性
1、流动特性
流体在固定床内的流动比在空管中的流动复杂得多。 固定床中流体是在颗粒间的空隙中流动，而颗粒间空 隙形成的孔道是弯弯曲曲、相互交错的，并且孔道数 和孔道截面及流动方向也在不断改变。
这些孔道特性及流动特性都与空隙率分布有关。
二、流体在固定床中的流动特性
在床层径向，空隙 率分布的不均匀造成 了流速分布不均匀 （不同于空管）。
三、 流体流过固定床层的压力降
（2）属于床层的
床层的高度、床层空隙率和颗粒特性如形状、 粒度等
影响因素
床层直径（床层 增大（减小） 高度）
空隙率☆
越大
颗粒形状
越偏离球形
颗粒直径
越小
△P 降低
越小 越大 越大
三、 流体流过固定床层的压力降 （3）当 dt/dp 小于8时，壁效应对压 降的影响不容忽视。
径约为2～6mm，不小于1.5mm。 ➢ 传热所用的热载体： 沸水可以用于100℃～300℃的温度范围。 联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏
分能用于200～350℃的范围。 无机熔盐(硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物)可用
于300～400℃的情况。 对于600～700℃左右的高温反应，只能用烟道气作
一、固定床反应器的类型与结构
（三）径向固定床反应器
一般固定床中由于压降限制，不能使 用太小粒度的催化剂，但催化剂的有 效系数降低了，为提高催化剂的利用 率而设计了径向反应器。
二、流化床反应器的类型与结构
1、按照固体颗粒是否在系 （一）流化床反应器的分类 统内循环分类：分为单器及
双器
二、流化床反应器的类型与结构
一、空隙率
2、影响空隙率的因素
颗粒形状、颗粒粒度分布、颗粒表面粗糙度、充填方式、 颗粒直径与容器直径之比等
颗粒形状
影响因素 越接近球形
颗粒装填方式 颗粒的粒度分布
越紧密 越不均匀
颗粒表面的粗糙度
越光滑
ε 越小 越小 越小
越小
3、壁效应
一、空隙率
一、空隙率
ε径向分 布并不均匀， 贴壁处最大， 离壁1～2 dp处ε较大， 而中心处空 隙率较小。
一、固定床反应器的类型与结构
（二）换热式固定床反应器 2、自热式
反应前后物料 在床层中自行 进行换热
一、固定床反应器的类型与结构
➢特点： 把原料的预热和产物的冷却过程融为一体，
大大提高了能量利用水平。 ➢应用： 只适用于热效应不大的高压放热反应过程。如 中小型合成氨厂的氨合成和甲醇的合成。 对于预热原料所需热量与反应释放热量相差甚 远的，需附加大量热交换面积，且系统控制要 求大大提高，故不适宜。
2、固定床流体流动模型 流体流动由两部分合成： 一部分为流体以平均流速沿轴向 作理想置换式流动； 另一部分为流体的径向和轴向的 混和扩散 ，包括分子扩散（滞流时） 和涡流扩散（湍流时）。根据不同 的混合扩散程度，进行叠加。
三、 流体流过固定床层的压力降
1、压力降产生原因 （1）摩擦阻力：由于流体与颗粒表面之间的摩
生产中由于流体的压头有限，一般固 定床中的压降不宜超过床内压力的15%。
三、 流体流过固定床层的压力降
压力降过大对反应的影响： 影响生产能力； 影响床层中的浓度和温度分布； 增加动力消耗。
降低压降的方法：降低流速、增大空 隙率、减小床层高度、增加催化剂颗 粒直径等。
固定床反应器内的流体流动
4.1 气固相催化反应器的基本类型和结构
气－固相催化反应器的基本类型
气－固相催化反应器
固 定床 反应器
流 化床 反 应器
绝热式
换热式
多 段绝 热
单段绝热
对外换热
自热
一、固定床反应器的类型与结构
（一）绝热式固定床反应器 1、单段绝热式
一、固定床反应器的类型与结构
➢特点：结构简单，反应器生产能力大，但反 应过程中温度变化较大。 ➢适用： 反应热效应不大，反应过程允许 温度有较 宽变动范围的反应过程； 热效应较大的反应只要对反应温度不很敏感 或是反应速率非常快的过程，有时也使用这 种类型的反应器。
化 较小，可消 反应速率 和转化率较 高，整个 可迅速再生
床 除内扩散阻 较慢 低，且由于 床层处于
力，充分发 （类似于 沟流偏流等 恒温状态，
挥其效能， CSTR） 存在，设备 可在最佳
减少用量
要求比较高 温度点操
作
思考
下列反应特征的选固定床还是 流化床反应器？
反应热效应很大 反应对返混敏感 反应需要温度分布 催化剂强度差
在固定床的流体力学研究中，非球形颗粒的直径常常采 用体积相当直径，在传热传质的研究中，常常采用面积相当 直径。
（4） s ：形状系数即与非球形颗粒体积相等的圆球
的外表面积与非球形颗粒的外表面积之比。
对于球形颗粒， s =1 ； 对于非球形颗粒， s <1 。
形状系数说明了颗粒与圆球的差异程度。
气固相反应器
4、气固相催化反应器
4.1 气固相催化反应器的基本类型和结构 固定床反应器的类型与结构 流化床反应器的类型与结构 气固相催化反应器的特点
4.2 固定床反应器 固定床反应器内的流体流动 固定床反应器内的传质与传热 固定床反应器的日常运行与操作
4.3 流化床反应器 流化床反应器内的流体流动 流化床反应器内的传质与传热 流化床反应器的日常运行与操作
催化剂和反应器均有 磨损
复习
➢ 固定床反应器 ➢ 流化床反应器
绝热式 单段绝热式 多段绝热式
换热式 对外式 自热式
径向反应器 类型 单器和双器
自由床和限制床 结构 主体
气体分布装置 内部构件 换热装置 气固分离装置
➢固定床与流化床反应器的特点
特 催化剂装填 反应速率 反应效果 传热特性 催化剂更换 点
擦产生。 （2）局部阻力：流体在孔道内的收缩、扩大
及再分布所引起的。 低流速时，摩擦阻力为主； 高流速及薄床层中流动时，以局部阻力为
主。
三、 流体流过固定床层的压力降
2、影响固定床压力降的因素 （1）属于流体的：气流速度★、流体的粘度、
密度等物理性质。
流体的物理性质是由操作工艺确定的； 降低气流速度，可以降低床层压降。
（一）流化床反应器的分类
2、按照床层中是否设置有内 部构件分类：分为自由床和 限制床
二、流化床反应器的类型与结构
（二）流化床反应器的结构
二、流化床反应器的类型与结构
1、流化床反应器主体 锥底 浓相段 稀相段 扩大段
二、流化床反应器的类型与结构
2、气体分布装置
二、流化床反应器的类型与结构
为热载体。
一、固定床Biblioteka Baidu应器的类型与结构
➢特点： 采用小管径，传热面积大，有利于强放 热反应； 传热效果好，易控制催化剂床层温度； 管径较细，流体在催化床内流动可视为 理想置换流动，故反应速率快，选择性高； 结构较复杂，设备费用高。 ➢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。
一、空隙率
固定床内流体是通过催化剂颗粒构 成的床层而流动，了解催化剂床层的性 质很必要。
空隙率是床层的重要特性之一，对流 体通过床层的压力降、床层的有效导热 系数等都有重大的影响。
一、空隙率
一、空隙率
1、空隙率的含义 ε ：催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总
体积之比。
空 床 隙 层 体 体 积 积 床 层 体 床 积 层 体 颗 积 粒 体 积
流速的不均匀造成 物料停留时间和传热 情况不均匀性，最终 影响反应结果。
二、流体在固定床中的流动特性
流体在流动过程中 由于本身的湍流、对颗 粒的撞击、绕行及孔道 的缩小或扩大，使得流 体不断分散和汇合。而 这种混合扩散现象并非 各向同性，从而造成径 向、轴向混合同时存在。
二、流体在固定床中的流动特性
固 催化剂颗粒 返混小， 停留时间和 传热较差， 更换时必须
定 大，固定在 反应速率 温度分布可 催化剂载 停产，且更
床 床层中，不 较快 控，可达高 体往往是 换劳动强度
易磨损
（类似于 选择性和转 热的不良
PFR）
化率
导体
大，因此对 催化剂使用 寿命要求高
流 催化剂颗粒 返混大， 产品选择性 传热强度 失活催化剂
流体流动、传质、传热过程会影响床层 中的浓度、温度分布，最终将影响反应过 程，因此必须了解这些过程。
4.2.1 固定床反应器内的流体流动 一、空隙率 二、流体在固定床中的流动特性 三、流体流过固定床层的压力降
4.2.2 固定床反应器内的传质与传热 一、固定床中的传质 二、固定床中的传热
4.2.1 固定床反应器内的流体流动
停留时间可以控制，温度分布可以适 当调节，特别有利于达到高的转化率 和高的选择性
三、气固相催化反应器的特点
（二）流化床反应器的特点
优点
颗粒剧烈搅动和混合，整个床 层处于恒温状态，可在最佳温 度点操作
传热强度高，适宜于强吸热或 放热反应
颗粒比较细小，有效系数高， 可减少催化剂用量
缺点 返混较严重，不适宜 于高转化率过程
定 大，固定在 反应速率 温度分布可
床 床层中，不 较快 控，可达高
易磨损
（类似于 选择性和转
PFR）
化率
催化剂载 体往往是 热的不良 导体,传热
较差
更换时必须 停产，且更 换劳动强度 大，因此对 催化剂使用 寿命要求高
流 催化剂颗粒 返混大， 产品选择性 传热强度 失活催化剂 化 较小，可消 反应速率 和转化率较 高，整个 可迅速再生 床 除内扩散阻 较慢 低，且由于 床层处于
力，充分发 （类似于 沟流偏流等 恒温状态， 挥其效能 CSTR） 存在，设备 可在最佳
要求比较高 温度点操 作
思考题
下列反应特征的选固定床还是 流化床反应器？
反应热效应很大 反应对返混敏感 反应需要温度分布 催化剂强度差
4.2 固定床反应器
fixed bed reactor
在固定床中进行催化反应，流体必须 进行流动；催化反应的同时还会进行传质、 传热过程；二者互相影响。
➢ 固定床反应器
复习回顾
绝热式 单段绝热式 多段绝热式
对外式 换热式
对内式 径向反应器
➢ 流化床反应器 类型 结构
单器和双器 自由床和限制床
主体 气体分布装置 内部构件 换热装置 气固分离装置
➢固定床与流化床反应器的特点
特 催化剂装填 反应速率 反应效果 传热特性 催化剂更换 点
固 催化剂颗粒 返混小， 停留时间和
与催化剂有关的几个名词：催化剂颗粒的直径和形状系数
对于非球形颗粒，通常有以下三种相当直径：
（1）体积相当直径dv，即采用体积相同的球形颗粒直径来表 示非球形颗粒直径。
（2）面积相当直径da，即采用外表面积相同的球形颗粒直径 来表示非球形颗粒直径。
（3）比表面相当直径ds，即采用比表面积相同的球形颗粒直 径来表示非球形颗粒的直径。
小结：
1、关于空隙率 存在壁效应，床径与粒径之比大于8可忽略；
特点及适用： 多段绝热式弥补了单段绝热式的不足； 冷激式反应器结构简单，便于装卸催 化剂，内无冷管，避免由于少数冷管 损坏而影响操作，特别适用于大型催 化反应器。
一、固定床反应器的类型与结构
（二）换热式固定床反应器 1、对外换热式
一、固定床反应器的类型与结构
➢ 管径：一般为25～50mm的管子，但不小于25mm。 ➢ 催化剂粒径：应小于管径的8倍，通常固定床用的粒
二、流化床反应器的类型与结构
3、内部构件 档板和档网
二、流化床反应器的类型与结构
4、换热装置
二、流化床反应器的类型与结构
5、气固回收装置
三、气固相催化反应器的特点
（一）固定床反应器的特点
优点
缺点
催化剂不易磨损，可长期使用
传热较差
床层内流体的流动接近于理想置换流 更换催化剂时必须停 动 ，较少量催化剂可获较大生产能 止生产 力