反应器20095053023.doc

学号：20095053000反应器设计课程论文学 院 化学化工学院 专 业 化学工程与工艺 年 级 2009级 姓 名 论文题目 固定床反应器的设计 指导教师 王红军 职称 讲师 成 绩 2013年1月13日固定床反应器的设计摘 要：本文简述了固定床反应器的特点及分类，重点论述了固定床反应器的设计原理及一些常见的固定床反应器的应用。关键词：固定床反应器 分类 设计引言：反应器是化工生产中的关键设备，是人们通过一定的手段抑制副反应、提高转化率、提高生产能力的化学反应设备。在反应器内不仅有化学变化过程，还有传质和穿热过程。按反应物系聚集状态可分为均相和非均相反应器；按换热方式分类有绝热式、对外换热式和自热式；以反应器的结构形式又可分为釜式、管式、塔式、固定床和流化床等反应器。1.固定床反应器的定义及优缺点凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备都称为固定床反应器，而其中尤以利用气态的反应物料，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在化工生产中应用最为广泛。流体流过不动的固体颗粒进行化学反应的装置称为固定床反应器1。其中流体可以是气体或液体，而固体颗粒可以是催化剂或固体物料。固定床反应器是气固催化反应中应用最为广泛、最为基本的一种反应器。固定床反应器之所以成为气固催化反应器的主要形式，是由于具有床内的流体轴向流动可看作为平推流，在完成同样的生产任务时，所需的催化剂用量(或反应器体积)最小；床内流体的停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性；床内催化剂不易磨损，可以在高温高压下操作等优点 但固定床中传热较差，对于热效应大的反应过程，传热与控温问题就成为固定床技术中的难点和关键，为解决这一问题而提出了多种形式的床层结构。气固相固定床反应器的优点较多，主要表现在以下几个方面： 1）在生产操作中，除床层极薄和气体流速很低的特殊情况外，床层内气体的流动皆可看成是理想置换流动，因此在化学反应速度较快，在完成同样生产能力时，所需要的催化剂用量和反应器体积较小。 2）气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性。 3）催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。 4）适宜于高温高压条件下操作。 由于固体催化剂在床层中静止不动，相应地产生一些缺点： 1）催化剂载体往往导热性不良，气体流速受压降限制又不能太大，则造成床层中传热性能较差，也给温度控制带来困难。对于放热反应，在换热式反应器的入口处，因为反应物浓度较高，反应速度较快，放出的热量往往来不及移走，而使物料温度升高，这又促使反应以更快的速度进行，放出更多的热量，物料温度继续升高，直到反应物浓度降低，反应速度减慢，传热速度超过了反应速度时，温度才逐渐下降。所以在放热反应时，通常在换热式反应器的轴向存在一个最高的温度点，称为“热点”。如设计或操作不当，则在强放热反应时，床内热点温度会超过工艺允许的最高温度，甚至失去控制而出现“飞温”2。此时，对反应的选择性、催化剂的活性和寿命、设备的强度等均极不利。 2）不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，破坏了正常操作，所以催化剂的活性内表面得不到充分利用。 3）催化剂的再生、更换均不方便。 固定床反应器虽有缺点，但可在结构和操作方面做出改进，且其优点是主要的。因此，仍不失为气固相催化反应器中的主要形式，在化学工业中得到了广泛的应用。例如石油炼制工业中的裂化、重整、异构化、加氢精制等；无机化学工业中的合成氨、硫酸、天然气转化等；有机化学工业中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙烯水合制乙醇、乙苯脱氧制苯乙烯、苯加氢制环己烷等3。2、固定床反应器的分类 随着化工生产的发展，已出现多种固定床反应器的结构形式，以适应不同的传热要求和传热方式，主要分为绝热式和换热式两大类。 绝热式固定床反应器结构简单，催化剂均匀堆置于床内，一般有下列特点：床层直径远大于催化剂颗粒直径；床层高度与催化剂颗粒直径之比一般超过100；与外界没有热量交换，床层温度沿物料的流向而变化。 换热式固定床反应器以列管式为多，通常管内装催化剂，管间走载热体，一般有下列特点：催化剂的粒径小于管径的8倍；利用载热体来移走或供给热量，床层温度维持稳定。3. 固定床反应器的结构形式固定床反应器类型很多按换热方式不同可分为：3.1绝热式反应器在反应器中的反应区(催化剂层)不与外界换热的称为绝热式反应器。一般来说，反应热效应小；调节进A 反应器的物料温度，就可使反应温度不致超出反应允许的温度范围的反应过程等可采用绝热式反应器。绝热式反应器具有结构简单，反应空间利用率高，造价便宜等优点。如果反应热效应较大，为了减小反应区内轴间温度分布不均，可将绝热反应器改成多段绝热式反应器，在各段之间进行加热或冷却它可使各段反应区接近适宜温度4。3.1.1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。3.1.2冷激式与间接换热式绝热固定床反应器的区别冷激式换热器数目减少，各段温度调节简单灵活，流程简单。3.1.3固定床绝热反应器的催化剂用量3.2 换热式反应器为了改善热效应大的反应过程反应区内的温度条件可在反应区内进行热交换，这种反应器称为换热式反应器。换热式反应器又有自热式和外热式两种。自热式是以原料气体来加热或冷却反应区外热式则是用载热体加热或冷却反应区 换热式反应器以列管式为多，通常在管内放催化剂，管外走热载体。列管的管径一般取2550mm 为宜，催化剂的粒径应小于管径的8倍，以防管壁处出现沟流。3.2.1载热体的合理选择和影响因素是控制反应温度及保持反应器操作稳定的关键，温度差宜小,传热系数较大(面积一定)200-加压热水250-300 -有机油(挥发性要较低,如导生油)300-500 -熔盐500 以上,一般用烟道气反应过程要求的温度高低、反应热效应的大小和反应对温度波动敏感程度的不同都对载热体的选择有影响。3.2.2换热式固定床反应器进行单一反应时温度的控制（1）对不可逆反应和可逆吸热反应,应使反应温度尽可能地高，并力图做到床层温度均匀；（2）可逆放热反应，维持最佳温度变化可使反应速度保持在最大速率，因此转化率与温度的变化关系与最佳温度曲线尽量接近。3.2.3、热点温度热点温度，可逆放热反应时床层轴向温度的最大点。其位置与数值高低是反应器操作控制的一个重要依据，可判断反应器运转的情况，床内的温度不可能超过热点温度5。3.3换热式固定床与绝热式固定床的区别换热式固定床床层轴向温度分布相对比较均匀。4固定床反应器的设计4.1固定床内的流体流动1）固定床结构表征的主要参数为床层空隙率，受颗粒的大小、形状、粒度分布、颗粒直径以及床层直径等素影响。2）同一横截面上空隙率是不均匀的，在距离壁面上约12倍粒径处最大，床中心最小称为壁效应。在流体流过床面时, 流速受流过的空隙的影响而不均匀，空隙率越大，流速越大6。3）固定床层压力降（欧根公式）：（1）对床层压力降影响最大的是床层的空隙率和流体的流速；（2）流速下降, 压力降减小, 但床内的传热和传质变差；（3）颗粒直径增加, 空隙率增加, 压力降减小, 但在颗粒内部的传热和传质相应改变, 存在一个最佳的粒径。固定床反应器的数学模型4.2数学模型的分类目前，固定床反应器的设计和对现有反应器的模拟计算，可用数学模型计算来进行。当然，数学模型的可靠性和基础数据的准确性是正确设计和计算的关键。描述固定床反应器的数学模型按其传递过程的不同可分为拟均相模型和非均相模型两大类。拟均相模型不考虑流体与催化剂问的传热、传质阻力，把流体和催化剂看成均相物系，催化剂粒子和流体之间没有温度和浓度上的差别。A拟均相模型不考虑流体与催化剂间差别，即不考虑流体与催化剂之间的传热和传质，认为流体中的温度和浓度与催化剂表面上的温度和浓度是相同的。A：理想流动基础模型即同PFR计算方法相同，但反应速度采用宏观反应速率。 物料衡算式其中速率为以催化剂重量为基准的反应速率热量衡算式A： A+轴向混合 径向温度和浓度相同，轴向引入有效导热系数和有效扩散系数，表面壁面传热系数。A： A+径向混合 B非均相模型考虑流体与催化剂之间的传热和传质，认为流体中的温度和浓度与催化剂表面上的温度和浓度是不相同的。4.3模型方程需要具备的基础数据反应动力学数据、热力学数据、传递速率数据，催化剂的宏观结构数据。4.4床层压降的计算流过床层的流体，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，随着径向位置的增大，流速增加，在离器壁的距离等于12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：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7。固定床压力降计算公式：式中：流体密度 dS 颗粒比外表面积相当直径 f 摩擦系数 L 床层高度 u0空管流速 B床层空隙率当Re10 时， f = 1/Re当Re1000 时，f = 1.75。一般固定床中的压降不宜超过床内压力的15。4.1.1影响床层压力降的最大因素：1）床层的空隙率 2）流体的流速两者稍有增大，会使压力降产生较大变化。4.1.2降低床层压降的方法：1）增大床层空隙率，如采用较大粒径的颗粒；2）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。参考文献：1 Atmakidis T,Kenig E Y.CFD-based analysis of the walleffect on the pressure drop in packed beds with moderatetubeparticle diameter ratios in the laminar flow regimeJ.Chem Eng J,2009(7):12 陈敏恒.化工原理上册M.第2版.北京:化学工业出版社,1999:1613 Calls H P A,et a1.CFD modeling and experimental validation of pressure drop and flow profile