化工反应过程之固定床反应器

热传导、 热对流、 热辐射。
热传导、 热对流
傅立叶定律：
dQ dl T
z
牛顿冷却定律：
dQ dA T
z
一般情况下，可以把催化剂颗粒看成是等温体，忽略颗粒内
部、颗粒在流体间和床层径向传热阻力，床层的传热阻力全
部集中在管壁处。这样传热过程的计算就可简化成床层与器
壁之间的传热计算
固定床中的传质传热
固 传热速度方程为 dQ t Tm Tw dF
为了消除壁效应，一般，管径与粒径之比应 大于8。
催化剂床层特性
固定床的当量直径de为水力半径RH的四倍
固 定 床
流道有效截面积 4
de
4RH
4 流道润湿周边长
Se
当 量 直
Se
（1 ）AP
VP
（6 1 ）
dS
径
de
4RH
4
Se
2 3 1
dS
流体在固定床中的流动特性
在固定床中，流体在颗粒间的空隙中流动，流动通 道是弯曲、变径、相互交错的，流体撞击颗粒后分 流、混合、改变流向，增加了流体的扰动程度。
绝热式固定床反应器
中间换热式
多 段
进料
绝
热
式
固
催化剂
定
床
反
应
器
催化剂
中间换热式是指冷、 热流体是通过段间的 换热器管壁进行热量 的交换。其作用是将 换 上一段的反应气体冷 热 却至适宜温度后再进 器 入下一段反应，反应 气体冷却所放出的热 量可用于对未反应的 原料气体预热或通入 外来换热介质移走。 而换热设备可以放在 反应器外
截面积的流速。
u0
V0 AR
固定床的经验法计算
催化剂床层的高度与直径通过操作流速、压
结 力降（即动力消耗）、传热、床层均匀性等 构 影响因素作综合评价来确定。 尺 寸 通常，床层的高度或直径的计算是：根据固定
床反应器某一重要操作参数范围或经验选取， （如床层压力降不超过总压力的15%）。然后 校验其它操作参数是否合理，
最小。
影响效果 壁效应：器壁 对空隙率分布 的这种影响及 由此造成对流 体流动、传质 和传热的影响
催化剂床层特性
结论：
床 层
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。
空 床层直径与颗粒直径之比越大，空隙率分布
隙 越均匀。
率 由于空隙率分布不均匀。造成径向流速分布
不同于空管。
反应器形式：列管式固定床，Φ27mm×2.5 mm×6m，
催化剂的充填高度5.7m
技术指标：年生产环氧乙烷1000t，年工作时间7000h， 反应后经分离、精制产品回收率90%，第一反应器所 生产的环氧乙烷占总产量的90%，
固定床的数学模型法法计算
理想流动 一维模型
轴向返混 一维模型
径向混合 二维模型
化工反应过程
固定床反应器
项目一、固定床反应器的结构
流体通过由固定不动的催化剂构成的床层进行化 学反应的设备称为固定床反应器。
绝热式固定床反应器 结 构 列管式固定床反应器 类 型 自热式固定床反应器
径向式固定床反应器
绝热式固定床反应器
单
原料气
段
绝
热
式 固
催化剂
瓷环 瓷球
定
床
反
应
器
产物气
其特点是反应器结构 简单，造价便宜，反 应器体积利用率较高。 适用于反应热效应较 小、反应温度允许波 动范围较宽、单程转 化率较低的反应过程
定 床层给热系数：（经验式）
床 床层被加热时
中
t dt =0.813( dPG )0.9 exp (-6 dP )
传
f
dt
热 床层被冷却时
t dt =3.5( dPG )0.7 exp (-4.6 dP )
f
dt
项目三、固定床反应器的计算
主要计算任务
计算方法
★催化剂用量 ★催化剂用量 ★床层高度和直径
定 由于大多数固定床反应器Lr/dp值远大于50，故可
床 采用活塞流模型表示固定床内气体的流动状况。
中
传 质
径向扩散 ：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）
消除气体初始动能 装设分布头
增设环形进料管
改进方式
流体在固定床中的流动特性
床
层流
层 流动阻力
压
湍流
降
压降的计算公式:
流体与颗粒表面 间的摩擦阻力
流体在孔道中的收缩、 扩大和再分布所造成 的局部阻力
P f f u02 (l le )
2
dt
流体在固定床中的流动特性
固定床中： u u0
u u0 /
催化剂床层特性
体积相当直径：以体积相等的球形颗粒表示非
催
球形颗粒的直径。
化 剂 颗
dV
6 VP
1
/
3
＝1.241VP
1/
3
粒 面积相当直径：以面积相等的球形颗粒的直径表 直 示非球形颗粒的直径。 径
da AP / 1/ 2＝0.564AP1/ 2
催化剂床层特性
比表面相当直径：以比表面积相等的球形颗粒的
AP＝2 r(h+r)
比面积相当直径:
dS
6
SV
6VP AP
形状系数：
S
Aa Ap
Aa
d
2 v
催化剂床层特性
定义：颗粒间的自由体积与整个床层体积之比
床 层
颗粒空隙体积 床层体积 1
p B
空
隙
率 影响因素
颗粒形状、粒 度分布、颗粒 与床层直径比 、颗粒的装填 方式、颗粒粗 糙度
分布规律 贴壁处空隙率 最大，在离壁 1~2dp处空隙 率较大，而床 层中部空隙率
化
获得的目的产物量。
剂 用 量
SW
WG WS
的 催化剂负荷：指在单位时间内单位质量（体积）
计
催化剂由于反应而消耗的原料质量。
算
SG
WW WS
固定床的经验法计算
床层线速度：指在规定的条件下，气体通过催化
催
剂床层自由截面积的流速。
化 剂
u V0
AR
用 床层速度：指在规定的条件下，气体通过空床层
量
结
催化剂床层高度：
H
VR AR
u0
VR V0
构 尺
床层直径： 绝热反应器
D
4 AR
1/ 2
寸
管数：n AR VR
列管式：
4
dt
2
4
dt
2H
直径： AR Nt 2 Sin60
D
4 AR
1/ 2
2e
固定床的经验法计算
传
催化剂床层所需的传热面积可参照列管式换 热器的计算方法确定
热
面
A Q
径向混合
由于流体在流动过程中 不断撞击到颗粒上，发 生流股的分裂而造成
轴向混合
流体沿轴向依次流过一个由颗粒间 空隙形成的串联着的“小槽”，在 进口处，由于孔道收缩，流速增大， 进到“小槽”后，由于突然扩大而 减速，形成混合
流体在固定床中的流动特性
流体以平均流速沿轴 流 向作理想置换流动
动
过 程 流体的径向和轴向的
固定床的经验法计算
计算步骤：（床层压力降不超过总压力的15%）
结 1）根据经验选取气体空床速度u0；
构 尺 2）床层的截面积为
寸 3）校核床层阻力降
AR
V0 u0
根据公式（4-9）校验床层压力降。若压力降低于总压 力的15%，则选取的空床速度有效，上述计算成立。
固定床的经验法计算
4）确定床层的结构尺寸
形
状 特征：反映了非球形颗粒与球形颗粒的差异程度。
系
数
3
三种直径关系： d S S dV S 2 da
催化剂床层特性
例：某圆柱形催化剂，直径 d 5mm，高h 10mm，
求该催化剂的相当直径 dv，da，dS 及形状系数 S
解： 体积相当直径: dV 6VP 1/3
VP
4
d 2h
面积相当直径: da AP / 1/2
绝热式固定床反应器
冷激式
多 段 绝 热 式 固 定 床 反 冷激式是采用冷激气体直接与反应器内的气体 应 混合，达到降低反应温度的目的，根据使用冷 器 激的气体不同，又可分为原料气冷激式反应器
和非原料气冷激式反应器。
列管式固定床反应器
进气 冷却水
热水
出气
列管式固定床反应 器通常是在管内充 填催化剂，管间通 热载体，气体原料 自上而下通过催化 剂床层进行反应， 反应热通过管壁与 管外的热载体进行 热交换
拟均相模型
固定床的数学模型法法计算
理想流动 非理想流动
一维模型
二维模型
非均相模型
固定床数学模型法计算
拟 物料衡算方程 均
dcA
床
de :当量直径
de
4RH
2 3
( 1
)dS
层 压
f fm
fm
150 Rem
1.75
降
Rem
du
Rem
dsu0 f f (1 )
P (150 1.75) Rem
f u02
ds
(1 )L 3
固定床中的传质传热
固
轴向扩散 ：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。
f 7.17kg / m3
各组分气体平均热容：
组分 C2H4 O2
N2 CO2 H2O C2H4O
J.kg-1.K-1 1.968 0.963 1.047 0.963 1.968 1.382
催化剂：球形催化剂dp=5mm 床层空隙率ε=0.48
换热条件：管间采用导生液强制外循环换热，导生液 进口温度503K，出口温度508K,导生液对管壁的给 热系数2717KJ/(m2.h.K)
进入第一反应器原料组成
组分 C2H4 O2 CO2 N2 合计 mol% 3.5 6.0 7.7 82.8 100
操作条件：进料温度T=483K,反应温度T=523K， 反应压力P=981MPa，空速为5000h-1，转化率 20%，选择性66%。
反应气体的物理性质： f 0.1273kJ /(m.h.K ), f 2.6 103 kg /(m.s)
催 直径表示非球形颗粒的直径。
化
剂 颗
dS
6 SV
6VP AP
粒 直 平均直径 : 径
1 n xi
d P d i1 i
其中di 为 质量分数为xi的筛分颗粒的平均粒径
di di 'di ''
催化剂床层特性
催 形状系数：用球形颗粒的外表面积与体积相同
化
剂
的非球形外表面积之比
颗 粒
S
Aa Ap
均匀性。
产物气
主气流 旁路气流
催化剂 换热器
项目二、固定床反应器的工作原理
在固定床反应器中，流体是从催化剂颗粒间 所形成的缝隙中通过，在流动中不断的与颗 粒碰撞发生流动方向的变化，其流体流动状 况直接影响到固定床反应器的传热与传质过 程。导致固定床反应器的工作原理较空管反 应器要复杂的多。因此，了解固定床反应器 的工作原理是非常重要的 。
混合扩散，包括层流 时的分子扩散和湍流 时的涡流扩散
床层内流体的混 合程度可通过在 轴向置换流基础 上迭加相应的混 合扩散来表示， 并根据此流动机 理推导出该模型 的数学表达式
流体在固定床中的流动特性
气体分布不均匀的原因
气
体 分 空隙率分布
流速分布
布
催化剂大小均匀
充填时密度均匀
保证床层阻力相同
流体初始动能 催化剂床层
列管式固定床反应器
按不同热载体和热载体不同循环方式分类，列管式 固定床反应器有多种结构型式
沸腾床
原料气
内部循环式
蒸汽 原料气
补充水
外部循环式
气体换热式
产物
产物
自热式固定床反应器
自热式反应器是指换热介质为原料 气，并通过管壁与反应物料进行换 热以维持反应温度的反应器。适用 于热效应不大的放热反应以及高压 反应过程 特点是利用反应热对原料进行预热， 实现了热量自给，从而使设备更紧 凑与高效、热量利用率高、易实现 自动控制。 若反应放出的热量较大，只靠反应 管的传热面积不能维持床层温度时， 工业上常在催化剂层内插入各种各
热式固定床催化反应器结构样并的可示冷使意却催图管化，剂从层而温增度大分了布传接热近面于积较， （双套管催化床） 理想的状况。
径向固定床反应器
径向反应器特征是：提高
催化剂利用率、减少床层
压降。
适用于：反应速度与催化
剂表面积成正比的反应，
细粒催化剂的使用可以提
高反应速度和反应器生产
能力 。
主要问题是：气体分布的
固定床固中定的床传质内传的热传递现象
2. 质量固和定热床量的的径径向向传扩热散
固
定
粒 子床
床
粒与层
中 传
内流与 传体器 热间壁
热
的的
传 热
传 热
固 定 床 反 应 器 的 径 向 温
度
热阻大
分 布
固定床中的传质传热
传热步骤
传热方式
传热方程
固
定 床 径向 中 传热 传 热
床层内传热
器壁与床层 层流层之间 的传热
★经验法 ★数学模型法
★传热面积
★床层压力降
反应器计算
固定床的经验法计算
催 空间速度：指单位时间内通过单位体积催化
化
剂的原料标准体积流量。
剂 用
SV
V0N VR
量 空间时间：指在规定的反应条件下，气体反应
的
物通过催化剂床层中自由空间所需
计
要的时间。
算
VR
V0
固定床的经验法计算
催
空时收率：指反应物通过催化剂床层时，在单位 时间内单位质量（或体积）催化剂所
积
Kt m
1 K
1
t
dt dm
1 1
0
dt d0
Rst
固定床的经验法计算
例：计算乙烯氧化生产环氧乙烷的固定床第一反 应器体积、传热面积及床层压力降
已知：反应方程式：
C2H 4
1 2 O2
C2 H 4O
103 .38kJ
/
mol
C2H 4 3O2 2CO2 2H 2O 1323 .1kJ / mol