反应工程第六章

6.2固定床催化反应器的设计
固定床催化反应器的基本形式
6.2固定床催化反应器的设计
催化剂均匀地放置在一个多 孔筛板上，预热到一定温度 的反应物料自上而下沿轴向 通过床层进行反应，在反应 过程中反应物系与外界无热 量交换。
a. 轴向绝热式
6.2固定床催化反应器的设计
催化剂装载于二个同心圆筒 的环隙中，流体沿径向通过 催化剂床层进行反应。 特点——在相同筒体直径下 增大流道截面积。
3 2
d v 1.5 d 柱 H 9.475mm 2 d 柱 2 SS 2 d 柱 H d a 该催化剂表面积为： 4 d a 10.173mm 2 d 柱 2 d 柱 H SS 6 4 2 该催化剂比表面积为： Sv V dS d 柱 H s 4
V0
r
0 A
二者相同
6.2.2一维拟均相模型
热量衡算：
输入热量－输出热量+反应热效应=与外界的 热交换+积累 输入：G cp T 输出：G cp(T+dT) 反应热效应：(-RA)(1-εB)(-ΔH)Aidl 热交换：U(T-Tr)πdidl 积累：0
6.2.2一维拟均相模型
式中： m : 修正的雷诺数， m Re Re um：平均流速空塔气速 d s : 颗粒当量直径
g 1 B
d sum g
l：床层高度
g : 气体密度
B：床层空隙率
6.1.1 流体在固定床内的流动特性
如果流体通过床层时温度变化不大，压降相对 较小，床层填充均匀，则：
6.2.1.2固定床催化反应器的类型
1. 绝热床反应器
单段绝热反应器适用于下列场合： (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，
6.2.1.2固定床催化反应器的类型
工业催化剂固定床反应器床层的 轴向传质与传热影响不显著，用 活塞流模型来处理
6.1.2固定床内径向传递
传热包括：粒内传热，颗粒与流体间的传热， 床层与器壁的传热 传热过程分析：以放热反应为例 反应热从催化剂的内表面向外表面传递。 反应热从催化剂的外表面向气相主体传递。
反应热少部分由反应后的物料沿轴向带走，大 部分沿径向通过催化剂和流体构成的床层传到 器壁，再由热载体带走。
d s 8.217mm
d a dv d S
6.1.1 流体在固定床内的流动特性
流体通过床层的压降 压降计算通常利用厄根（Ergun）方程：
2 g um 1 B dP 150 1.75 3 d dl Re m B s
将各式代入，得
4 RA 1 B H U T Tr di dT dl ucp g
动量衡算：仍然是Ergun方程
2 g um 1 B dp 150 1.75 3 d dl Re m B s
A
6.2.2一维拟均相模型
质量衡算 在管式反应器中垂直于流动方 向取一个微元，以这个微元对A 组份做物料衡算：
dv
输入－
输出
=
反应 ＋
积累
FA
FA+dFA
(-RA)(1-εB)Aidl
0
6.2.2一维拟均相模型
整理得： dxA RA 1 B dl u0 cA0
6VS 3 dV π 1 SS 2 da π
1
VS 6 dS 6 SV SS 1 dm xi di
6.1.1 流体在固定床内的流动特性
直径为9mm、高7mm的圆柱形铁铬催化剂 2 3 d 柱 H dV VS 该催化剂体积为： 4 6
热 量 传 递
热质传递 拟均相一维 平推流模型 带有轴向返混的 拟均相一维模型
热质传递 拟均相二维模型
6.2固定床催化反应器的设计
抽 象 成 为
热 量 传 递 热质传递 二维非均相模型
热 量 传 递
热 量 传 递 热质传递
热 量 传 递
流体相 固体相
二维非均相模型
6.2固定床催化反应器的设计 说 明
第六章
1、绝热床反应器由于没有径向床壁传热，一般可以 当作平推流处理，只考虑流体流动方向上有温度和浓 度的变化，因此一般可用 模型来计算。 一维 2、不属于气固相催化反应固定床反应器拟均相二维 模型的特点是_______。 A. 粒子与流体间有温度差 B. 粒子与流体间无温度差 C. 床层径向有温度梯度 D. 床层轴向有温度梯度
RA以催化剂体积计
或者以催化剂质量计： dxA RA B dl u 0 cA 0
B：催化剂堆密度
L dl xA出 dxA dl dx A 0 u0 cA 0 0 RA B RA B u0cA0 xA出 dx VR A 对照平推流反应器模型 cA 0
3. 列管式反应器
管内装填催化剂； 壳程通入热载体；
流体在催化床内流动视为平推流
4. 自热式固定床反应器
仅适用于放热反应； 催化剂床层通过原料气来冷却 原料气预热
6.2.1.2固定床催化反应器的类型 4. 自 热 式 固 定 床 反 应 器
6.2固定床催化反应器的设计
设计固定床反应器的要求： 1 生产强度尽量大 2 气体通过床层阻力小 3 床层温度分布合理 4 运行可靠，检修方便 计算包括三种情况： 1 设计新反应器的工艺尺寸 2 对现有反应器，校核工艺指标 3 对现有反应器，改进工艺指标，达到最大生 产强度。
最常用的是：拟均相一维模型，简单明了，在反应 速度式前加一校正因子 最实用的是：拟均相二维模型，可用于热效应较大 的，管径较大的固体床反应器，但关键的传热参数不 易获得。 最合理的是：非均相二维模型，复杂，参数不易获 得，计算量大
6.2固定床催化反应器的设计
模型评述
考虑的因素越多，模型越复杂，模型参数 就越多，模型参数的可靠性就越重要。 并非模型越复杂越好。模型复杂增加了实 验、计算工作量，增加了出错的概率。 以简单实用为好。如返混严重，宜用带轴 向返混的一维模型；径向温差大，宜用拟 均相二维模型等。 非均相模型慎用，非不得已，不用过于复 杂的模型。
反应速率较快； 停留时间可控，温度分布可以调节
6.2固定床催化反应器的设计
固定床反应器缺点
床层温度分布不均匀，对放热量大的 反应必须移走反应热;
床层导热性较差; 催化剂需要足够长的使用寿命
6.2.1.2固定床催化反应器的类型
1. 绝热床反应器
床内没有换热装置
典型例子是乙苯脱氢制苯乙烯
水蒸气作用： 热容量大，可带入大量热量， 还起稀释作用清除积炭。
6.2固定床催化反应器的设计
模型化
对固定床内流体与颗粒的行为进行合理简化， 提出一个物理模型。 根据化学反应原理，结合动量、热量和质量传 质对物理模型进行数学描述，获得数学模型。 对数学模型进行求解，获得所需的结果。
6.2固定床催化反应器的设计
描述固定床反应器的数字模型分为： 拟均相模型： 忽略床层中粒子与流体间温度与浓度的差别 流相和固相结合，视为同一相 非均相模型： 考虑床层中粒子与流体间温度与浓度的差别 流相和固相分别考虑
非均相模型
考虑到流体与催化剂颗粒之间有较大的温 度差和浓度差，流固相不能当成一个虚拟 的均相处理，派生出了非均相模型。
如果再考虑到颗粒内部的温度与浓度梯度， 又会产生考虑到粒内温度浓度梯度的模型。
6.2固定床催化反应器的设计
热 量 传 递
热 量 传 递
热 量 传 递
热 量 传 递
热 量 传 递
2. 多段绝热式反应器 两个绝热层间加换热器 用外加物料中间直接冷激
有多层传热
用原料气中间冷激
后两类为直接换热
6.2.1Leabharlann Baidu2固定床催化反应器的类型
2. 多段绝热式反应器
多段绝热反应器多用以进行放热反应，适 用于以下反应： （1）反应热效应大； （2）有最佳操作温度； （3）单程转化率高。
6.2.1.2固定床催化反应器的类型
6.2固定床催化反应器的设计
描述固定床反应器的数字模型分为：
一维：参数只随轴向位置而变
只考虑气体流动方向的温度，浓度梯度
二维：参数随轴向和径向位置而变
同时考虑轴向与径向的温度，浓度差别
平推流：不考虑轴向返混。 带有轴向返混的模型：在平推流模型的基础上 叠加了轴向返混。
6.2固定床催化反应器的设计
6.1.2.1径向传热
空隙中流体的对流、导热及辐射传 热 颗粒接触面处的热传导 相邻颗粒周围边界层的热传导 颗粒间的热辐射 颗粒内的热传导
床层内传热 (傅里叶定律)
径向有效导热 径向 系数λ er
传热
器壁与层流边界层之间传热 (牛顿冷却定律)
壁膜传热系数hw
总热阻 = 床层热阻 + 壁膜热阻
床层的传热系数h0
b. 径向绝热式
6.2固定床催化反应器的设计
反应器由很多并联管子 构成，管内(或管外)装 催化剂，反应物料通过 催化剂进行反应，载热 体流经管外(或管内)， 在化学反应的同时进行 换热。
c. 列管式
6.2固定床催化反应器的设计
固定床反应器优点
催化剂不易磨损并且可以长期使用; 床层内流体的流动接近于平推流；
6.1.1 流体在固定床内的流动特性
6.1.1 流体在固定床内的流动特性
1.固定床层内流体流动不均匀的主要原因是 A.床层径向不均匀的空隙分布 B.流速偏低 C.化学反应的影响 D.催化剂颗粒外扩散的作用 。
2. 对固定床压力降影响最大的是 。
和
6.2 固定床内径向传递
固定床内的传递现象 在第五章的基础上增加了 反应器模型 一维模型轴向传质、传热 二维模型轴向+径向传质、传热
第六章
气固相催化反应 固定床反应器
6.1.1 流体在固定床内的流动特性
表征床层内催化剂装填结构的物理量
6.1.1 流体在固定床内的流动特性
壁效应：靠近壁面处的空隙率比其它部位大。 为减少壁效应的影响，要求床层直径至少要 大于颗粒直径的8倍以上。
6.1.1 流体在固定床内的流动特性
颗粒的定型尺寸 不同表达方法的计算结果不同 表达方式 计算公式 以等体积球的直径表示 （dV） 以等外表面积的球的直 径表示（da） 以等比表面积的球的直 径表示（dS） 平均直径（dS）
1 B u P 150 1.75 3 d L Re m B s
2 g m

压降不大，在床层各处物性变化不大，可视为 常数，压降将呈线性分布（大多数情况）。
6.1.1 流体在固定床内的流动特性
例1：在充填直径为9mm、高7mm的圆柱形铁 铬催化剂的固定床反应器，0.687MPa下进行 水煤气变换反应。反应气体的平均相对分子 质量为18.96，空塔气速为0.936kg/s·2。 m 设床层的平均温度为689K，反应气体的粘度 等于2.5×10-5Pa· s。已知ρP=2200kg/m3， ρB=1400kg/m3，试计算单位床层高度的压 力降？
6.2.2一维拟均相模型
将三个方程联立：
dxA RA 1－ B dl u 0 cA 0
4 RA 1 B H U T Tr di dT dl ucp g
2 150 1 B g um dp 1.75 3 d dl Re m B s
6.2.1.2固定床催化反应器的类型
1. 绝热床反应器
单段绝热反应器特点： 结构简单；空间利用率高；造价低。 对于热效应大的反应，由于温升过大，反应器 出口温度可能会超过允许的温度。 对于可逆放热反应，反应器的轴向温度分布会 远离最佳温度分布，造成反应器的生产能力降 低，甚至会由于化学平衡的限制而使反应器出 口达不到所要求的转化率。因此，单段绝热反 应器的使用受到了一些限制。