第六章 固定床反应器动画版

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。
原料 产品 原料 产品 原料 冷 激 剂
产品
间接换热 原料冷激 多段固定床绝热反应器 非原料冷激
多段绝热床反应器
式中，np —— 单位体积床层中颗粒的个数。
（2）床层当量直径
2 B 2 B d e 4 RH 4 dS S dV Se 3 1 B 3 1 B
B
式中，RH —— 水力半径。
6.2.2 床层空隙率 εB
• 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。
um 平均流速空塔气速 l 床层高度 d s 颗粒当量直径
g 气体密度 B 床层空隙率
• 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。
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• 当Re m<10时，厄根（Ergun）方程则变为：
150 u 1 B P 3 L Re m d s B
(2)径向绝热式固定床反应器
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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。
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4. 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。
甲烷化炉
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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。
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• 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。
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床层空隙率εB
球形
圆柱形 不规则
6-9填充床的空隙率
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：
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解： ① 求颗粒的平均直径
0.60 0.25 0.15 dS xi 3.40 4.60 6.90 d i 1 3.96mm 3.96 10 3 m
1
② 计算修正雷诺数
d SG 3.96 10 3 6.2 Re m 1906 5 g 1 B 2.3 10 1 0.44
2 g m
• 当Re m>1000时，厄根(Ergun)方程则变为：
u 1 B P 1.75 3 L ds B
2 g m
• 催化剂床层压降还有许多计算式，具体参
考有关的资料。
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• 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；
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：
式中，SV=ap/Vp，称为颗粒的比表面。
（2）不同当量粒径的关系
S dV d S 6VP / aP
S (dV / da )
2
式中，S aS / a p，称为颗粒的形状系数（ S 1 ）。
表6-1 非球形颗粒的形状系数
（3）混合粒子的平均直径
dd 1 n xi d i 1 i
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
Se n p a p (1 B ) p Vp p a p (1 B ) ap Vp 6(1 B ) / d S
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℃
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3.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。
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。
• 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)。
空隙体积 颗粒体积 VP B B 1 1 1 床层体积 床层体积 VB P
B－床层堆积密度， P－颗粒密度
• 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。
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• 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。
第六章 固定床反应器
6.1
固定床反应器的概述 固定床中的传递过程
6.2
6.3
固定床反应器的计算
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。
邻二甲苯氧化制苯酐管式固定床反应器
2016/12/7
固定床反应器优点:
固定床层内的气相流动接近平推流，有利于实
1 B u dP 150 1 . 75 3 d dl Re m B s
式中： Re m : 修正的雷诺数， Re m
2 g m

g 1 B
d sum g
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• 厄根（Ergun）方程中其它参数：
• 自热式反应器在开车时需要外部热源。
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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
dV (6VP / )1/ 3
da (aP / )1/ 2
d S 6 / SV 6VP / aP
6.1.2 固定床反应器的类型
按床层与外界的传热方式，分以下几类：
1.绝热式固定床反应器
原料气
外面保 温层
催化剂
产物
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1.绝热式固定床反应器
• 结构简Biblioteka Baidu，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。
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绝热式固定床反应器可分为：
(1)轴向绝热式固定床反应器
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③ 计算床层压降
2 150 u m g 1 B p L 3 Re 1.75 d B m S 150 G 2 1 B L 3 Re 1.75 d m S g B
2 150 6 . 2 1 0.44 1.75 4 3 3 1903 3.96 10 2.46 0.44
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。
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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。 粒径 dS /mm
质量分率
3.40
0.60
4.60
0.25
6.90
0.15
空隙率ε B = 0.44。在反应条件下气体的密度 ρ g = 2.46 kg∙m-3，粘度 μg = 2.3×10-5 kg∙m-1s-1，气体的质 量流速 G = 6.2kg ∙ m-2s-1。求床层的压降。
1.898 10 Pa
5
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