设备第九章 固定床反应器

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• 流体流过固定床时所产生的压力损失*: • 一方面是由于颗粒的粘滞曳力,即流体与颗粒表面间的摩擦; 另一方面是由于流体流动过程中孔道截面积突然扩大和收缩, 以及流体对颗粒的撞击及流体的再分布而产生。 • 当流体处于层流时,前者起主要作用;在高流速及薄床层中 流动时,后者起主要作用。 • 将空管中流体流动的压力降计算公式修正后用于固定床。
阀。
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2).多段绝热式反应器
• 多段绝热固定床反应器使用场合: • 多段绝热固定床反应器多用以进行放热反 应等。 多段绝热反应器分类 • 按段间换热方式的不同可分为三类: • (1).间接换热式; • (2).原料气冷激式; • (3).非原料气冷激式。 • 后两类又可总称为直接换热式。
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30
在非球颗粒充填的床层中,同一截面上的ε值, 除壁效应影响所及的范围外,都是均匀的。 但球形或圆柱形颗粒充填的床层,在同一横截面 上的 ε 值,除壁效应影响所及的范围外,还在一 平均值上下波动。 由于壁效应的影响,床层直径与颗粒直径之比越 大,床层空隙率的分布越均匀。 通常所说的床层空隙率指的是平均空隙率。
• • • • 1.流动特性 在固定床反应器中,流体在床层内的孔道中流动。 流体在固定床层中的流动情况远较在空管中复杂。 固定床中孔道弯曲、交错、形状各异,孔道的数 目、截面积沿流动方向不断变化,流过床层的流 体,其径向流速分布也不均匀,造成流体在流动 过程中不断地分散和混合。 • 颗粒越小形成的孔道数目就越多,孔道的截面积 就越小; • 颗粒越不均匀、形状越不规则、表面越粗糙,各 孔道的差异性就越大。
• 9.3固定床反应器内的传质与传热
• 9.4 固定床反应器的计算方法
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9.1固定床反应器的特点及结构
• 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臵都称作固定
床反应器。
• 其中尤以用气态的反应物料通过由固体催
化剂所构成的床层进行反应的气-固相催
化反应器占最主要的地位。
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9.1.1固定床反应器的特点及工业应用
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• (4)形状系数* s • 对于非球形粒子,其外表面积AP必大于同体积球 形粒子的外表面积AS,则: • 球形颗粒的外表面积AS与体积相同的非球形颗粒 的外表面积AP之比,称为形状系数。
As s = Ap
• 除球体的 s =1外,其它形状颗粒的 s 均小于1。 • 三种相当直径用 联系起来,关系如下:
催化剂 补充水 原料 蒸汽 调节阀
• 通常在管内充填催化剂,反应气
体自上而下通过催化剂床层进行 反应,管间通载热体 (在用高压
水或用高压蒸汽作热载体时,则
把催化剂放在管间,而使管内走 高压流体)。
产物
图 乙炔法合成氯乙烯反应器
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流体流动方式
实际生产中,物料大多数是采用自上而下的 流动方式,少数为自下而上流动,载热体则在管 间流动,其流向可以与反应气体成逆流,也可以 成并流,应根据不同反应的具体要求来进行选择。 若进行的是吸热反应,则载热体为化学反应的热 源。对于放热反应、载热体为冷却介质,移走由 反应所产生的热量。 换热强度应满足反应过程所要求的温度条件。 载热体的选择 在传热面积一定的情况下,载热体有较大的传热 系数。 19
固定床反应器优点*
① 固定床中催化剂不易磨损; • ② 床层内流体的流动接近于平推流,与返 混式的反应器相比,可用较少量的催化剂 和较小的反应器容积来获得较大的生产能 力。 • ③ 由于停留时间可以严格控制,温度分布 可以适当调节,因此特别有利于达到高的 选择性和转化率。 • ④可在高温高压下操作。
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1.
绝 热 式 反 应 器
(掌握结构、分类、应用)
• 绝热式固定床催化反应器在反应过程中,床层
不与外界进行热量交换,其最外层为隔热材料
层(耐火砖、矿渣棉、玻璃纤维等),常称作 保温层,作用是防止热量的传出或传入,减少 能量损失,维持一定的操作条件并起到安全防 护的作用。
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1)单段绝热床
• 一般为一高径比不大的圆筒体。 见图9-1。 • 单段绝热反应器优点: • 单段绝热式固定床催化反应器 结构简单、造价便宜,反应器 内体积能得到充分利用。 单段绝热反应器适用的场合*: • (1).反应热效应较小的反应; • (2).温度对目的产物收率影响 不大的反应; • (3).虽然反应热效应大,但单 程转化率较低的反应或者有大 量惰性物料存在,使反应过程 中温升小的反应.
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3. 固定床的当量直径de
de=4RH
流道有效截面积 床层空隙体积 RH = = ≈ 流道润湿周边长 总的润湿面积 S e
de—当量直径,m;
RH—水力半径,m。
Se_床层比外表面积
Se (1 ) Sp 6(1 ) Vp ds
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9.2.2固定床反应器中流体流动的特性
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影响床层空隙率的因素* 床层空隙率的大小与颗粒形状、粒度分布、颗粒 表面的粗糙度、颗粒直径与床直径之比以及颗粒的 充填方法等有关。 颗粒形状影响最大,一般形状系数越大(即越接 近圆球体)空隙率越小,颗粒表面越光滑空隙率越 小,粒度越小空隙率越小,粒度分布越不均匀(即 粒径分布越宽)空隙率越小。 固定床中同一横截面上的空隙率是不均匀的,对 于粒度均一的颗粒所构成的床层,在与器壁距离为 1~2倍颗粒直径处,空隙率最大,床层中心较小, 这种影响,叫做壁效应。
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图9-6消除初始动能的方法示意图
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图9-7附加导流装臵示意图
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9.2.3固定床反应器的床层压力降
• 流过床层的流体,其径向流速分布是不均匀的。
• 径向流速分布:从床层中心处算起,随着径向位臵的增大, 流速增加,在离器壁的距离等于1~2倍颗粒直径处,流速最 大,然后随径向位臵的增大而降低,至壁面处为零。床层直 径与颗粒直径之比越小,径向流速分布越不均匀。
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根据固体催化剂是处于静止状态还是运动状 态,反应器又可分为两大类, 属于静止状态的有固定床反应器和滴流床 反应器, 催化剂处于运动状态的有流化床反应器、 移动床反应器和浆态反应器等。 本章的主要研究对象是固定床反应器,流化 床反应器第十章介绍。
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• 9.1固定床反应器的特点及结构
• 9.2固定床反应器内的流体流动
第九章 固定床反应器
1
多相系统的特征
多相系统的特征是: 系统中同时存在两个或两个以上的相态, 在发生化学反应的同时,也发生着相间和 相内的传递现象,主要是质量传递和热量 传递。 如果这些传递现象不存在,那么就不可能 发生化学反应。
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多相系统中反应的基本类型
可概括为三种基本类型: (1)在两相界面处进行反应,所有气固反应或气固 相催化反应都属于这一类型; (2)在一个相内进行反应,大多数气液反应均属于 这种情况,进行反应的相叫做反应相; (3)在两个相内同时发生反应,某些液液反应属于 这种情况。 本课着重讲述气固相催化反应,并讨论定量 处理的方法。
s
d s = s dV = ( s )
3/ 2
da
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_
(5)平均直径 d
p
当颗粒的形状不规则、大小也不均匀时应采用平均直径。 对于大小不等的混合颗粒,其平均直径可用筛分数据按下式求出。 a.统计平均直径
_
d p xi d i
i 1
_
nห้องสมุดไป่ตู้
d p -颗粒的平均直径,m;
di—某一筛分颗粒的直径,m; xi-直径为di的颗粒所占的质量分数。 _ 1 b.调和平均直径 d p = n xi d i =1 i
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9.2.1 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 • 粒径是表征颗粒特征的一个基本参数,常笼统地以 dP表示。 • 设粒子的体积为 VP ,外表面积为 Ap , 比外表面积 Sv=Ap/VP • (1)体积相当直径dV:流体力学研究中常使用这种 直径。 • (2)外表面积相当直径da:在固定床传热及传质 研究中常用这种直径。 • (3)比表面积相当直径ds:计算固定床压力降时 常用这种直径。
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2 换热式反应器
• 当反应热效应较大时,为了维持适宜的温度条件,
必须利用换热介质来移走或供给热量。 • 换热式固定床反应器的特点: • 在催化剂床层进行化学反应的同时,床层还通过 器壁与外界进行热交换。 • 按换热介质的不同,又可分为对外换热式和自身 换热式。
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1)对外换热式反应器
• 以各种载热体为换热介质,称为 对外换热式。 • 化工生产中应用最多的是换热条 件较好的列管式反应器,其结构 类似管壳式热交换器。
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2.气体的分布
• 气流分布不均产生的原因:
在气固相固定床催化反应器中,由于床层空隙率沿径向分布
不均匀导致气流分布不均匀; 另外较大速度的气流动能很大,分股冲入反应器内也会引起 气流分布不均匀。 • 气流分布不均危害*:
会造成沟流和短路,使不同径向位臵处的流体单元停留时间
不一样,转化率不一样,从而降低反应效果。 • 改进措施*: 在装填催化剂时应尽量装填均匀,并采取措施消除气流的 初始动能和均匀导气。
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• 并流:优点是后期降温较慢,不足是前期升温较慢。
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。
• 自热式反应器在开车时需要外部热源。
图9-1圆筒绝热式反应器 1一矿渣棉;2一瓷环;3一催化剂
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固定床反应器操作过程中发生超压现象的处理方法
固定床反应器操作过程中若发生超压现 象,需要紧急放空处理时,一般应按流
程顺序进行,即:
打开出口放空阀放空,以免逆流程放空
导致气流冲动催化剂床层,但危急情况
下可以同时打开出口处和入口处的放空
• 自热式反应器示意图
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• 优、缺点:
• 逆流:优点是原料气进入床层后能较快地升温而接 近最佳温度,缺点是反应后期易于过冷。
• 无论逆流还是并流,反应前期放热速率都最大。 • 有些并流式催化反应器中设臵一绝热床,经预热后 的原料气先进入绝热床中反应,使反应气体迅速升 温,然后再进入与原料气进行换热的催化剂管中反 应,这样做既保留并流式后期降温速度慢的优点, 又克服了原料气进入床层后升温速度慢的缺点。
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固定床反应器缺点*
• ①固定床中的传热较差; • ②催化剂的再生、更换均不方便, 催化剂的更换必须停产进行。 • ③不能使用细粒催化剂
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9.1.2 固定床反应器的构型
• 固定床反应器分类* • 固定床反应器按反应中与外界有否热量交换可以 划分为两大类:绝热式和换热式。 • 绝热式:单段绝热床、多段绝热式反应器 • 换热式:对外换热式和自身换热式。
图9-3列管式固定床反应器
(a)沸腾式
(b)内部循环式
( c)外部循环式
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列管式固定床反应器优点:
• • • • ① 传热较好,管内温度较易控制; ② 返混小、选择性较高; ③ 只要增加管数,便可有把握地进行放大; ④ 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. • 列管式固定床反应器缺点: • 是结构比绝热反应器复杂,催化剂的装卸也不 方便。

在固定床、流化床流体力学计算中常采用调和平均直径。
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2.床层空隙率*
• 表征床层结构的主要参数为床层空隙率。是指颗粒 间自由体积与整个床层体积之比。 B ε=(床层自由体积)/(床层体积) 1 P • B -催化剂床层堆积密度,即单位体积催化剂床层 具有的质量,Kg/m3;堆积密度ρB=固体的质量/床 层的体积。 • P -催化剂的表观密度,即单位体积催化剂颗粒 具有的质量,Kg/m3。颗粒密度ρp=固体的质量/颗 粒的体积。 • 空隙率的大小会影响流体的流动(压降)、传质及传 热。
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适用场合
换热式固定床反应器可用于放热反应, 也可用于吸热反应。 但对于反应过程中催化剂失活很快,以 致催化剂的再生或更换十分频繁的反应,不 宜采用固定床反应器,无论是绝热式还是换 热式。
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2).自热换热式反应器
• 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。 • 只适用于放热反应,而且是原料气必须预热的系 统。 反应物料的流向:
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