固定床反应器

dTc 4U GcCPc (T Tc ) dZ dt
其中 Z 0, Tc Tc 0
G c 为冷却介质的质量流速，按空
床计算。
需要的基础数据包括：
●反应动力学方程
●热力学数据 ●传递参数（颗粒和床层）
7.4 绝热式固定床反应器
Lr —— 床层高度 ε——床层空隙率
150 f 1.75 Re
当Re＜10 时， f = 1/Re
当Re＞1000 时，f = 1.75。
d S u0 1 Re 1
粒度大时，ε↑，ΔP↓，但催化剂的有效因子 较小； 如果颗粒粉化、破碎，那么床层的压降ΔP↑。
•
由于在生产流程中，流体的压头有限，床 层压降往往有重要影响，因此一般固定床中的压 降不宜超过床内压力的15％。所以颗粒不能太细， 而且最好都能做成圆球状，气流速度也应适可而
反应器长期连续运转。
除单层绝热床外，工业上还有用多段的，近代的大型合
成氨反应器采用的是中间冷激的多段绝热床。总之，不论 是吸热或放热的反应，绝热床的应用相当广泛。特别对大 型的，高温的或高压的反应器，希望结构简单，同样大小 的装置内能容纳尽可能多的催化剂以增加生产能力(少加换
热空间)，而绝热床正好能符合这种要求。不过绝热床的温
① 固定床中的传热较差；
② 催化剂的更换必须停产进行。
还有气—固两相逆流接触的移动床反应装置，
譬如以固体加工为目标的一些连续焙烧装置以及
有些需要连续替换催化剂的反应装置就有采用这
种方式的。它的情况与固定床颇相类似。
下面我们来对各种固定床反应器的型式作一些
简单的介绍和讨论。
1. 绝热式反应器
图6.1-1是绝热床 反应器的示意图。它 的结构简单，催化剂 均匀堆置于床内，床 内没有换热装置，预 热到一定温度的反应 物料流过床层进行反 应就可以了。
列管式反应器优点：
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
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。
3.自热式反应器
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。
度变化总是比较大的，而温度对反应结果的影响也是举足 轻重的，因此如何取舍，要综合分析并根据实际情况来决
定。此外还应注意到绝热床的高／径比不宜过大，床层填
充务必均匀，并注意气流的预分布，以保证气流在床层内 的均匀分布。
蒸汽
2. 换热式反应器
催化剂
原料
调节阀
换热式反应器以 补充水 列管式为多。通常 是在管内放催化剂， 管间走热载体( 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 产物 压流体)。 图6.1-2乙炔法合成氯乙烯反应器
GwA0 dX A 0 b A M A dZ
A 是按单位质量催化剂计算的组分A的消耗速率。
如果不考虑外扩散的影响，则 0= 。这与式（4.27）
相同。但应该注意，尽管方程的形式完全一样，但有质的 区别，多相体系存在相间的传质与传热问题，均相体系则 没有。 对于拟均相模型，不考虑相间的浓度与温度差。如果
对非等温固定床，判定其间流体是否达到活塞流要用是 否满足 Lr 150 dp
三、径向传质与传热
浓度和温度C、T沿 径向不均匀, 图7.2显示 了固定床内沿床层径向
的温度变化情况。
其中，T进=357℃，纵坐 标ΔT=T-To（To为进口温 度），壁面冷却。
固定床反应器的径向温度分布
床层的传热系数ht可用下面经验公式计算： 对于球形颗粒
不考虑轴向的热扩散，那么
dT 4U GCPt 0 b A (H r ) (T Te ) dZ dt
压力分布方程为：
G 2 1 dp f dZ d p 3
初值条件分别为：
Z 0, X A 0; T=T0 , p p0
如果Tc 不是常数，还要对其变化进行定量，即
T0
TC Tf
Tf
T0
逆流
并流
图6.1-3 自热式反应器示意图
目前描述固定床反应器的数学模型可分为拟均 相和非均相的两大类。前者忽略床层中粒子与流
体间 温度与浓度的差别 ， 故 称之为拟均相模型。
根据流动模式与温差的情况它又可分为平推流的
一维模型，有轴向返混的一维模型和同时考虑径
向混合和径向温差的二维模型。至于非均相模型， 则又考虑了气流与粒子表面间的温度差和浓度差。 对于绝大多数情况，拟均相模型已足够,因此本章 也将只介绍拟均相的一维和二维模型及其应用．
上一章讨论了单颗粒内的扩散反应问题:从反应－扩散方程
粒内浓度分布 催化剂的有效因子：
但是固定床反应器是由很多颗粒组成的，床层内部也存在 浓度温度分布问题，还有返混问题，速度分布问题等等。
7.1 概述
• 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，其中尤以用气态的反应
B ε＝(床层自由体积)/(床层体积) 1 P
•
二、床层压降
在固定床反应器中，流体通过分布板均布后，在床层 内的孔道中流动，这些孔道相互交错联通，而且是弯弯曲 曲的，各个孔道的几何形状相差甚大，其横截面积既不规 则也不相等。床层各个横截面上孔道的数目并不一定相同。
流过床层的流体，其径向流速分布也是不均匀的。从床层
第七章 多相催化反应器 的设计与分析
7.1 概述
7.2 固定床中的传递过程
7.3 固定床反应器的数学模型
7.4 绝热式固定床反应器
重点掌握： · 固定床催化反应器拟均相活塞流模型的建立与应用， 包括考虑内扩散的情况。 · 绝热式固定床催化反应器催化剂用量的计算方法。 深入理解： · 固定床催化反应器的主要类型及其结构特点。 广泛了解： · 固定床的轴向与径向传热与传质。 · 多段绝热式固定床催化反应器的优化原则。
止，因为流速与压降是平方关系，它比其它因素
对压降更为敏感。
二、 质量和热量的轴向扩散
在第五章中对单相流体流动的返混问题进行了详述，其 中用彼克列准数来衡量返混程度，其定义为
Pe uL Da
对于固定床内的流体流动，使用类似的方法描述流体
的混合程度，即
质量扩散
热扩散
Pea m
Pea h
多相反应系统的特点：
● 相间和颗粒内的传热和传质问题 ●床层的轴向和径向传递 ●化学反应动力学的非线性
注意：
非线性微分方程组一般只有数值解，收敛也比较慢。通 常需要合理简化方程组，有时甚至将方程组简化成一维的。
反应器的计算要求：计算出达到一定转化率（设计中要
求的）所需的反应体积Vr ，由此进一步计算出反应器的总 体积和几何尺寸。 固定床反应器内的流动状况接近活塞流。相间的传质和 传热、颗粒内的传质则按照上一章的方法处理，这样有：
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。 床层空隙率
流体在固定床中的流动，与空管中的流体流动 相似，只是流道不规则而已。故此可将空管中流体 流动的压力降计算公式修正后用于固定床。
固定床压力降计算公式：
2 Lr u0 (1 ) P f dS 3
式中：ρ——流体密度
f —— 摩擦系数 u0——空管流速
dS —— 颗粒比外表面积相当直径
四、固定床中的传热
1. 床层本身
颗粒接触面外的传导
相邻颗粒周围的边界层的传导；
颗粒间的辐射；
颗粒内的传导 2. 器壁上的层流边界层
7.3 固定床反应器的数学模型
• 最常用的固定床反应器的数学模型 是一维拟均 相活塞流模型。 • 一维：只考虑流动方向上的浓度与温度变化。 • 拟均相：对于多相催化反应，认为流体主体与 催化剂颗粒表面与内部不存在浓度差温度差。 将传递过程的影响归于一个催化剂活性校正系 数。 • 活塞流：流体在固定床内的流动状况与活塞流 十分接近，因之可采用活塞流模型。
• ① 管径：一般为25～50mm的管子，但不小于25mm。
• ② 催化剂粒径：应小于管径的8倍，通常固定床用的粒径 约为2～6mm，不小于1.5mm。 • ③ 传热所用的热载体： 沸水可以用于100℃～300℃的温度范围。 联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分能 用于200～350℃的范围。 无机熔盐(硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物)可用于 300～400℃的情况。 对于600～700℃左右的高温反应，只能用烟道气作为热 载体。
ht dt
f
2.03Re0.8 exp(6d P / dt )
此式的适用条件为 20＜Re＜7600 及 0.05＜dP／d t＜0.3。 d t为床层直径，dP为颗粒比外表面积相当直径。
若颗粒为圆柱形
ht dt
f
1.26 Re0.95 exp(6d P / dt )
应用范围是20＜Re＜800，0.03＜dP／d t＜0.2。 ※ h0不能用以计算床层的径向温度分布。
中心处算起，随着径向位置的增大，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 置的增大而降低，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。
流体流过固定床时所产生的压力损失主要来自两 方面： ★颗粒的粘滞曳力，即流体与颗粒表面间的摩擦； ★形体阻力：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； 高流速及薄床层中流动，起主要作用的是后者。
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，在大生产中尤为重要。
固定床反应器缺点
d pu Da d pu C p
, ea -轴向有效导热系数。
ea
对于气体，当 Re
对于流体
d pu

10, Pea m 2
(Pea)m=0.3～1
Lr dp
床层可以看作N个等体积全混釜，釜数 N
对于气体，如果 N>50 ，床层中流体的流动接近活塞流。 对于非等温过程，(Pea)h≈0.6（固定床）。 如果是均相系统，可假设(Pea)m=(Pea)h。
• 反应器设计过程中使用的宏观动力学方程是用本征动 力学方程与催化剂活性校正系数的乘积代之。
• 催化剂活性校正系数校正的内容有：
外扩散的影响、内扩散的影响、催化剂中毒情况、
催化剂还原情况、催化剂的衰老情况等。
• 根据该模型，即可建立固定床反应器的物料衡算方程 与热量衡是方程。 • 根据方程便可对反应器进行分析与计算。
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。如炼油工业中的催化重整， 异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化 工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。此
外还有不少非催化的气—固相反应，如水煤气的生产，氮
与电石反应生成石灰氮(CaCN2) 以及许多矿物的焙烧等， 也都采用固定床反应器。
7.2 固定床中的传递过程
一、床层空隙率
表征床层结构的主要参数为床层空隙率ε; ε=f（颗粒形状，粒度分布，床径比，填充方式等 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。
图 7.1 固定床空隙率的径向分布
物料气Baidu Nhomakorabea
催化剂
产物
图6.1-1 绝热床反应器
典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。反应需供热140kJ／
mol，是靠加入高温(710℃)水蒸汽来供应的(乙苯:水蒸汽
=1: 2.6(质量))，混合后在630℃入床，离床时降到565℃。 在此，水蒸汽的作用是： ① 可以带入大量的显热； ② 起稀释作用，使反应的平衡向有利于生成苯乙烯的 方向移动，提高单程转化率； ③ 使催化剂可能产生的结炭随时得到清除，从而保持