陈甘棠主编化学反应工程第六章PPT课件

.,1,第六章固定床反应器,.,2,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置。固体催化剂颗粒堆积起来所形成的固定床层静止不动，气体反应物自上而下流过床层，进行反应的装置称作固定床反应器。气体在催化剂颗粒之间的孔隙中流动，较在管内流动更容易达到湍流。,6.1概述,.,3,.,4,.,5,.,6,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-固相催化反应器占有最主要的地位。如，合成氨、硫酸、合成甲醇基本化学工业环氧乙烷的制备、乙苯脱氢制苯乙烯及炼油厂中的铂重整等石油化工工业红热焦炭中通入水蒸气制备水煤气，矿物的焙烧、还原非催化反应,.,7,2、固定床反应器的特点,催化剂不易磨损非失活可长期使用固定床层内的气相流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性。反应速率快，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力；停留时间可以严格控制，温度分布可适当调节反应器的操作方便、操作弹性较大。-大生产占优势,.,8,缺点：,传热较差，结果就是对于热效应大的反应过程，传热与控制温度成为固定床技术的难点催化剂颗粒的更换费事，必须停产进行。不适于容易失活的催化剂。,.,9,3、固定床反应器类型,固定床反应器形式多种多样，按床层与外界的传热方式分类，可有以下几类：绝热式固定床反应器，多段绝热式固定床反应器，列管式固定床反应器，自热式反应器。,）,）,.,10,3、固定床反应器类型,（1）.绝热式固定床反应器反应器外壳包裹绝热保温层，使催化剂床层与外界没有热量交换。中空圆筒的底部放置搁板，上面堆放固体催化剂。气体从上而下通过催化剂床层。结构简单，床层横截面温度均匀。单位体积内催化剂量大，即生产能力大。但只适用于热效应不大的反应。,.,11,绝热式固定床反应器,固定床反应器类型,.,12,典型的绝热反应是乙苯脱氢制苯乙烯。过程简述如下：反应需供热140kJ/mol，依靠加入2.6倍乙苯质量的高温水蒸气（710C），乙苯与水蒸气混合后在630C加入固定床。反应吸热，离开时温度下降到565C。水蒸气的作用不仅是它可以安全地被预热到高温，热容量大。因此可以带走大量的显热，而且还起了稀释作用，降低了乙苯的分压，使反应的平衡向更有利于生成苯乙烯的方向移动，提高单程转化率。,.,13,此外水蒸气还有使催化剂上的结炭随时得到再生从而保持反应器得以长期连续运转的功能。反应后的产物只需简单的冷凝即可与水分开。,.,14,固定床反应器类型,（2）.多段绝热式固定床反应器热效应大，常把催化剂床层分成几段(层)，段间采用间接冷却或原料气（或惰性组分）冷激，以控制反应温度在一定的范围内。,.,15,.,16,换热量不太大时可采用层间加入盘管的形式。如环己醇脱氢制备环己酮，丁二醇脱水制丁二烯等。,.,17,如乙炔加氢，放热177kJ/mol，为防止温度上升使乙炔收率下降，在层间喷水，利用水的汽化来吸收热量。近代的大型合成氨反应器也采用中间冷激的多段绝热床的形式,.,18,固定床反应器类型,是用于SO2转化的多段绝热反应器，段间引入冷空气进行冷激。对于这类可逆放热反应过程，通过段间换热形成先高后低的温度变化，提高转化率和反应速率。,.,19,总之，不论是吸热或放热的反应，绝热床的应用是相当广泛的，特别对于大型的，高温或高压的反应器，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。但绝热床的温度变化总是较大的，由于温度对反应的影响同样不可忽视，故要综合分析并根据实际情况来决定。,.,20,使用绝热床时要注意高径比不能过大，床层催化剂的填充一定要均匀，要注意气流的预分布，以保证气流在床层内的均匀分布,.,21,（3）.列管式固定床反应器,热效应较大，不宜采用绝热式反应器，可采用换热式固定床反应器。此设备如同列管式换热器，又称为列管式固定床反应器。反应器由多根反应管并联构成，管径一般为25-50，管数可达万根以上。一般管内装催化剂，传热介质流经管间进行加热或冷却。,.,22,管径的大小要根据反应热和允许的温度情况而定。催化剂的粒径应小于管径的8倍，以防近壁处出现沟流（壁效应：靠近壁面处的空隙率比其它部位大）。但同时粒径越小，流体流动时的压降越大，而床层压降的出现也是在生产实际上的重要限制因素之一。因此固定床用的粒径约为26mm不小于1.5mm。传热用的热载体最常用的是水，通过调节压力可在100300C的范围应用。对于600C以上的高温反应，只能用烟道气作为热载体。,.,23,乙炔与氯化氢合成氯乙烯是一种典型的列管式换热器固定床基本单元组合。反应放热109kJ/mol，管外用沸腾水传热，使管内温度控制在150180C，水的循环是靠位能或外加循环泵来实现的，水温则靠蒸汽出口的调节阀控制一定的压力来保持。应使床层处于热水或沸腾水的条件下进行换热。,.,24,固定床反应器类型,.,25,固定床反应器类型,.,26,固定床反应器类型,列管式反应器优点：传热较好，管内温度较易控制；返混小、选择性较高；只要增加管数，便可有把握地进行放大；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。,.,27,列管式固定床反应器具有良好的传热性能，单位床层体积具有较大的传热面积，可用于热效应中等或稍大的反应过程。反应器由成千上万根“单管”组成。一根单管的反应性能可以代表整个反应器的反应效果，因而放大设计较有把握，在实际生产中应用比较广泛。,.,28,（4）、自热式反应器,采用反应放出的热量来预热新鲜的进料，达到热量自给和平衡，如合成氨及甲醇。根据床层内外流体流向的不同，有顺流与逆流之分根据套管数目的多少又有单套管、双套管和三套管之分。,.,29,使用较多的是双套管并流式，其即能使下部床层温度维持的较高，又能使上部床层较迅速的达到最优温度，使床层内的催化剂迅速升温到最优温度。,.,30,.,31,以上从传热的观点来简要说明了固定床反应器的几种形式。至于对催化剂的要求，除一般的化学性能要求外，还要求有一定的强度，以免粉碎和堵塞通道，造成压降增大，气体在各管内的流量不均，从而使得各管温度不一，活性不同，影响反应结果。在新添加催化剂时，要使各管阻力相等催化剂必须有较长的寿命，从整体来看，在某反应后期，适当增加一些催化剂的装置数量在某些工业上也有采用,.,32,4、传热介质,传热介质的选用根据反应的温度范围决定，其温度与催化床的温差宜小，但又必须移走大量的热，常用的传热介质有：1.沸腾水：温度范围100300。使用时需注意水质处理，脱除水中溶解的氧。2.联苯醚、烷基萘为主的石油馏分：粘度低，无腐蚀，无相变，温度范围200350,.,33,3.熔盐：温度范围300400，由无机熔盐KNO3、NaNO3、NaNO2按一定比例组成，在一定温度时呈熔融液体，挥发性很小。但高温下渗透性强，有较强的氧化性。4.烟道气：适用于600700的高温反应。,.,34,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。,.,35,5.模型化,对于一个过程，进行合理的简化，利用数学公式进行描述，在一定的输入条件下，预测体系输出的变化。对同一个体系，根据不同的简化和假定，可以构造不同的模型。不同的简化和假定，也决定了模型必然含有一些参数，以修正模型与实际体系的差异。根据不同的简化和假定，分为几种不同层次的模型。,.,36,对于固定床反应器，一般有以下模型：一维拟均相平推流模型一维拟均相带有轴向返混的模型二维拟均相模型二维非均相模型二维非均相带有颗粒内梯度的模型,.,37,一维：参数只随轴向位置而变。二维：参数随轴向和径向位置而变。拟均相：流相和固相结合，是指忽略床层中流体与粒子间浓度和温度的差别。视为同一相。非均相：流相和固相分别考虑。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。,.,38,.,39,固体相,.,40,.,41,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。,.,42,6.2固定床中的传递过程,6.2.1粒子直径和床层空隙率固定床层中，单位床层的体积中粒子的质量称为床层密度或堆积密度，用表示。以区别固体粒子的颗粒密度和真密度。由于粒子大小和形状都影响床层的空隙率，（即粒子间的空隙所占床层容积的分率）。故堆积密度会发生变化。,.,43,床层空隙率B：单位体积床层内的空隙体积（没有被催化剂占据的体积，不含催化剂颗粒内的体积）。若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒的床层，其空隙率与颗粒大小无关。,.,44,颗粒的定型尺寸最能代表颗粒性质的尺寸为颗粒的当量直径。对于非球形颗粒，可将其折合成球形颗粒，以当量直径表示。方法有三，体积、外表面积、比表面积。,.,45,体积：(非球形颗粒折合成同体积的球形颗粒应当具有的直径）外表面积：(非球形颗粒折合成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）,.,46,比表面积：(非球形颗粒折合成相同比表面积的球形颗粒应当具有的直径）混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子直径的加权平均）,.,47,对于非球形粒子，其外表面积要大于同体积球形粒子的外表面积。定义颗粒的形状系数为除球形颗粒外，其余形状颗粒的形状系数均小于一，他的大小反映了颗粒形状与圆球的差异程度。见表6-1,.,48,床层空隙率是固定床反应器的重要参数，气流速度随之有分布。在壁面处尽管空隙率大，但由于器壁的摩擦阻力的存在，故流速可降低到零。由于床层的空隙率不均引