化学反应工程第六章非均相反应器(上)
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图6-5 氨合成塔催化床层结构示意图
6.1.2 固定床反应器的类型
自热式反应器在开车时需要外 部热源,而且由于大量换热管 的存在,减少了催化剂的装载 量,影响到反应器的生产能力, 因此近年来的大型装置采用中 间冷激的多段绝热床,其结构 与气体的流向,如图6-6所示。
图6-6 多段冷激式大型 合成氨反应器一例
6.1.1 固定床反应器的特点
固定床反应器无论塔式还是 管式均垂直设置,气体由顶 部进入,流动方向与重力方 向一致,这样可以防止气体 冲动床层、造成催化剂分布 不均匀和催化剂的磨损带出, 同时有利于反应器中可能形 成的液态物质的排除。
图6-1 固定床反应器
6.1.2 固定床反应器的类型
6.1.2.1绝热式固定床反 应器 (1) 单段绝热式反应器 单段绝热式反应器是在一 个中空圆筒的底部放置搁 板(支承板),在搁板上堆 积固体催化剂。
6.1.2 固定床反应器的类型
6.1.2.2 换热式固定床反应器 (1)对外换热式固定床反应器 以各种载热体为换热介质的对 外换热式反应器多为列管式结 构,如图6-4所示,类似于列管 式换热器。
图6-4 列管式固定床反应器
6.1.2 固定床反应器的类型
(2) 自热式固定床反应器 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,这种反应器称为自热式固定床催化反应器, 有的氨合成塔和甲醇合成塔属于这种类型。
6.1.4.1 固定床中的传质 内扩散控制过程发生的场合是,颗粒大,因而内扩散阻力 大,内扩散速度小;温度高因而化学反应速度快;气速高
图6-2 绝热式固定床反应器 1-矿渣棉 2-瓷环 3-催化剂
6.1.2 固定床反应器的类型
(2)多段绝热式反应器 多段绝热床中,反应气体通过第一段绝热床反应至一定 的温度和转化率而离可逆放热单一反应平衡温度曲线不 太远时,将反应气体冷却至远离平衡温度曲线的状态再 进行下一段的绝热反应。
图6-3 多段固定床绝热反应器
(4)平均直径
当颗粒的形状不规则、大小也不均匀的时应采用平均直
径。
a.统计平均直径
n
d p xi di
b.调和平均直径
i 1
dp
1
n
xi
i1 di
留在某一号筛上的颗粒直径为
(6-4) (6-5)
di d0i d0(i1)
(6-6)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
(5)形状系数 s
催化剂颗粒的形状系数定义为:球形颗粒的外表面积与 体积相同的非球形颗粒的外表面积之比,即
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
解 当ReM>1000时,固定床压力降的计算公式按式 (6-9)为 对于3.3~4. 7mm不均匀颗粒
对于φ4mm球形颗粒
则由 得
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
按式(6-7),颗粒的形状系数为 对于球形颗粒 因为 所以 对于不均匀颗粒
又因为 所以
6.1.4 固定床反应器中的传质与传热
6.1.3.1固定床反应器的床层特点 1.催化剂颗粒的直径和形状系数 (1)体积相当直径dV 体积相当直径是以颗粒(非球型颗粒)体积相等的球体 的直径表示的颗粒直径。由
可以导出
(6-1)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
(2) 外表面积相当直径
外表面积相当直径是以与颗粒的外表面积相等的球体的
直径表示的颗粒直径,在固定床传热及传质研究中常用
(6-12)
当ReM>1000时,流体处于湍流状态, 式(6-l0)中 150/ ReM <<1.75,即式(6-9)可简化为
(6-13)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
例6-1 以一筛分为3.3~4.7mm的不均匀颗粒作固定床 压力降试验,床层高度为L=1m,空隙率ε= 0.38,壁效 应忽略不计,在测试条件下ReM>1000,测得的床层压力 降△p1=2.3×102kPa。现在同一固定床中,改填与3 3~4.7mm不均匀颗粒材料相同的φ4mm球形颗粒,空隙 率0.40,其他测试条件相同,测得的床层压力降 △p2=0.63×102kPa。 试求筛分为3 .3~4.7mm不均匀颗粒的形状系数。
6.1.2 固定床反应器的类型
气流不是沿轴向而是沿径向通 过催化剂床层,这种流程可以 解决床层过高、走轴向压力降 过大的问题,该合成塔床层阻 力小、可以采用大气量、小颗 粒催化剂,利于减小内外扩散 的阻力,强化传质,因此特别 适用于大中型生产规模的场合。
图6-7 径向反应塔示意图
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
s
As Ap
(6-7)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
2. 床层空隙率 空隙率是催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之 比,可用式(6-8)进行计算。
(6-8)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
6.1.3.2 固定床反应器 内的流体流动特性 固定床反应器内的流体 流动直接影响床层的压 力降和传递过程,并最 终影响反应结果。
这种直径。由A p = d a 可以导出
(6-2)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
(3)比表面积相当于直径d 比表面积相当于直径是以与颗粒的比表面积相等的球体 的直径表示的颗粒直径,计算固定床压力降时常用这种 直径。这里的比表面积是指单位体积颗粒所具有的外表 面积,以S v表示
则
(6-3)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
图6-8 固定床中的径向流速分布
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
6.1.3.3 流体流过固定床层的压力降
固定床的压力降可表示为
(6-9)
经实验测定,修正摩擦系数fM与修正雷诺数ReM的关系可
表示为
(ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-10)
而修正雷诺数
(6-11)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
当ReM<10时,流体处于滞流状态, 式(6- 10)中150/ ReM >>1 .75,即式(6-9)可简化为
化学反应工程
第六章 非均相反应器 (上)
第六章 非均相反应器
6.1 固定床反应器 6.2 流化床反应器 6.3 流化床反应器 6.4 其他非均相反应器简介
6.1 固定床反应器
1 固定床反应器的特点 2 固定床反应器的类型 3 固定床反应器内的流体流动 4 固定床反应器中的传质与传热 5 固定床反应器的工艺计算
6.1.2 固定床反应器的类型
自热式反应器在开车时需要外 部热源,而且由于大量换热管 的存在,减少了催化剂的装载 量,影响到反应器的生产能力, 因此近年来的大型装置采用中 间冷激的多段绝热床,其结构 与气体的流向,如图6-6所示。
图6-6 多段冷激式大型 合成氨反应器一例
6.1.1 固定床反应器的特点
固定床反应器无论塔式还是 管式均垂直设置,气体由顶 部进入,流动方向与重力方 向一致,这样可以防止气体 冲动床层、造成催化剂分布 不均匀和催化剂的磨损带出, 同时有利于反应器中可能形 成的液态物质的排除。
图6-1 固定床反应器
6.1.2 固定床反应器的类型
6.1.2.1绝热式固定床反 应器 (1) 单段绝热式反应器 单段绝热式反应器是在一 个中空圆筒的底部放置搁 板(支承板),在搁板上堆 积固体催化剂。
6.1.2 固定床反应器的类型
6.1.2.2 换热式固定床反应器 (1)对外换热式固定床反应器 以各种载热体为换热介质的对 外换热式反应器多为列管式结 构,如图6-4所示,类似于列管 式换热器。
图6-4 列管式固定床反应器
6.1.2 固定床反应器的类型
(2) 自热式固定床反应器 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,这种反应器称为自热式固定床催化反应器, 有的氨合成塔和甲醇合成塔属于这种类型。
6.1.4.1 固定床中的传质 内扩散控制过程发生的场合是,颗粒大,因而内扩散阻力 大,内扩散速度小;温度高因而化学反应速度快;气速高
图6-2 绝热式固定床反应器 1-矿渣棉 2-瓷环 3-催化剂
6.1.2 固定床反应器的类型
(2)多段绝热式反应器 多段绝热床中,反应气体通过第一段绝热床反应至一定 的温度和转化率而离可逆放热单一反应平衡温度曲线不 太远时,将反应气体冷却至远离平衡温度曲线的状态再 进行下一段的绝热反应。
图6-3 多段固定床绝热反应器
(4)平均直径
当颗粒的形状不规则、大小也不均匀的时应采用平均直
径。
a.统计平均直径
n
d p xi di
b.调和平均直径
i 1
dp
1
n
xi
i1 di
留在某一号筛上的颗粒直径为
(6-4) (6-5)
di d0i d0(i1)
(6-6)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
(5)形状系数 s
催化剂颗粒的形状系数定义为:球形颗粒的外表面积与 体积相同的非球形颗粒的外表面积之比,即
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
解 当ReM>1000时,固定床压力降的计算公式按式 (6-9)为 对于3.3~4. 7mm不均匀颗粒
对于φ4mm球形颗粒
则由 得
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
按式(6-7),颗粒的形状系数为 对于球形颗粒 因为 所以 对于不均匀颗粒
又因为 所以
6.1.4 固定床反应器中的传质与传热
6.1.3.1固定床反应器的床层特点 1.催化剂颗粒的直径和形状系数 (1)体积相当直径dV 体积相当直径是以颗粒(非球型颗粒)体积相等的球体 的直径表示的颗粒直径。由
可以导出
(6-1)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
(2) 外表面积相当直径
外表面积相当直径是以与颗粒的外表面积相等的球体的
直径表示的颗粒直径,在固定床传热及传质研究中常用
(6-12)
当ReM>1000时,流体处于湍流状态, 式(6-l0)中 150/ ReM <<1.75,即式(6-9)可简化为
(6-13)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
例6-1 以一筛分为3.3~4.7mm的不均匀颗粒作固定床 压力降试验,床层高度为L=1m,空隙率ε= 0.38,壁效 应忽略不计,在测试条件下ReM>1000,测得的床层压力 降△p1=2.3×102kPa。现在同一固定床中,改填与3 3~4.7mm不均匀颗粒材料相同的φ4mm球形颗粒,空隙 率0.40,其他测试条件相同,测得的床层压力降 △p2=0.63×102kPa。 试求筛分为3 .3~4.7mm不均匀颗粒的形状系数。
6.1.2 固定床反应器的类型
气流不是沿轴向而是沿径向通 过催化剂床层,这种流程可以 解决床层过高、走轴向压力降 过大的问题,该合成塔床层阻 力小、可以采用大气量、小颗 粒催化剂,利于减小内外扩散 的阻力,强化传质,因此特别 适用于大中型生产规模的场合。
图6-7 径向反应塔示意图
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
s
As Ap
(6-7)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
2. 床层空隙率 空隙率是催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之 比,可用式(6-8)进行计算。
(6-8)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
6.1.3.2 固定床反应器 内的流体流动特性 固定床反应器内的流体 流动直接影响床层的压 力降和传递过程,并最 终影响反应结果。
这种直径。由A p = d a 可以导出
(6-2)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
(3)比表面积相当于直径d 比表面积相当于直径是以与颗粒的比表面积相等的球体 的直径表示的颗粒直径,计算固定床压力降时常用这种 直径。这里的比表面积是指单位体积颗粒所具有的外表 面积,以S v表示
则
(6-3)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
图6-8 固定床中的径向流速分布
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
6.1.3.3 流体流过固定床层的压力降
固定床的压力降可表示为
(6-9)
经实验测定,修正摩擦系数fM与修正雷诺数ReM的关系可
表示为
(ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-10)
而修正雷诺数
(6-11)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
当ReM<10时,流体处于滞流状态, 式(6- 10)中150/ ReM >>1 .75,即式(6-9)可简化为
化学反应工程
第六章 非均相反应器 (上)
第六章 非均相反应器
6.1 固定床反应器 6.2 流化床反应器 6.3 流化床反应器 6.4 其他非均相反应器简介
6.1 固定床反应器
1 固定床反应器的特点 2 固定床反应器的类型 3 固定床反应器内的流体流动 4 固定床反应器中的传质与传热 5 固定床反应器的工艺计算