气固相反应器.ppt

4、气固相催化反应器packedbedcatalyticreactor,4、气固相催化反应器,4.1气固相催化反应器的基本类型和结构固定床反应器的类型与结构流化床反应器的类型与结构气固相催化反应器的特点4.2固定床反应器固定床反应器内的流体流动固定床反应器内的传质与传热固定床反应器的日常运行与操作4.3流化床反应器流化床反应器内的流体流动流化床反应器内的传质与传热流化床反应器的日常运行与操作,4.1气固相催化反应器的基本类型和结构,气固相催化反应器的基本类型,一、固定床反应器的类型与结构,（一）绝热式固定床反应器1、单段绝热式,特点：结构简单，反应器生产能力大，但反应过程中温度变化较大。适用：反应热效应不大，反应过程允许温度有较宽变动范围的反应过程；热效应较大的反应只要对反应温度不很敏感或是反应速率非常快的过程，有时也使用这种类型的反应器。,一、固定床反应器的类型与结构,2、多段绝热式,（a）中间换热式,平衡温度线,最佳温度线,x,T,一、固定床反应器的类型与结构,2、多段绝热式,（b）原料气冷激式,平衡温度线,最佳温度线,x,T,一、固定床反应器的类型与结构,2、多段绝热式,(c)非原料气冷激式,平衡温度线,最佳温度线,x,T,平衡温度线,一、固定床反应器的类型与结构,特点及适用：多段绝热式弥补了单段绝热式的不足；冷激式反应器结构简单，便于装卸催化剂，内无冷管，避免由于少数冷管损坏而影响操作，特别适用于大型催化反应器。,一、固定床反应器的类型与结构,一、固定床反应器的类型与结构,（二）换热式固定床反应器1、对外换热式,管径：一般为2550mm的管子，但不小于25mm。催化剂粒径：应小于管径的8倍，通常固定床用的粒径约为26mm，不小于1.5mm。传热所用的热载体：沸水可以用于100300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200350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300400的情况。对于600700左右的高温反应，只能用烟道气作为热载体。,一、固定床反应器的类型与结构,一、固定床反应器的类型与结构,特点：采用小管径，传热面积大，有利于强放热反应；传热效果好，易控制催化剂床层温度；管径较细，流体在催化床内流动可视为理想置换流动，故反应速率快，选择性高；结构较复杂，设备费用高。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。,一、固定床反应器的类型与结构,（二）换热式固定床反应器2、自热式反应前后物料在床层中自行进行换热,一、固定床反应器的类型与结构,特点：把原料的预热和产物的冷却过程融为一体，大大提高了能量利用水平。应用：只适用于热效应不大的高压放热反应过程。如中小型合成氨厂的氨合成和甲醇的合成。对于预热原料所需热量与反应释放热量相差甚远的，需附加大量热交换面积，且系统控制要求大大提高，故不适宜。,一、固定床反应器的类型与结构,（三）径向固定床反应器,一般固定床中由于压降限制，不能使用太小粒度的催化剂，但催化剂的有效系数降低了，为提高催化剂的利用率而设计了径向反应器。,二、流化床反应器的类型与结构,（一）流化床反应器的分类,1、按照固体颗粒是否在系统内循环分类：分为单器及双器,2、按照床层中是否设置有内部构件分类：分为自由床和限制床,二、流化床反应器的类型与结构,（一）流化床反应器的分类,二、流化床反应器的类型与结构,（二）流化床反应器的结构,1、流化床反应器主体锥底浓相段稀相段扩大段,二、流化床反应器的类型与结构,2、气体分布装置,二、流化床反应器的类型与结构,二、流化床反应器的类型与结构,3、内部构件档板和档网,二、流化床反应器的类型与结构,4、换热装置,二、流化床反应器的类型与结构,5、气固回收装置,二、流化床反应器的类型与结构,三、气固相催化反应器的特点,（一）固定床反应器的特点,（二）流化床反应器的特点,三、气固相催化反应器的特点,固定床反应器绝热式单段绝热式多段绝热式换热式对外式自热式径向反应器流化床反应器类型单器和双器自由床和限制床结构主体气体分布装置内部构件换热装置气固分离装置,复习,固定床与流化床反应器的特点,思考,下列反应特征的选固定床还是流化床反应器？反应热效应很大反应对返混敏感反应需要温度分布催化剂强度差,固定床反应器流化床反应器,复习回顾,绝热式换热式径向反应器,类型单器和双器自由床和限制床,结构主体气体分布装置内部构件换热装置气固分离装置,单段绝热式多段绝热式,对外式对内式,固定床与流化床反应器的特点,失活催化剂可迅速再生,更换时必须停产，且更换劳动强度大，因此对催化剂使用寿命要求高,催化剂更换,返混大，反应速率较慢（类似于CSTR）,返混小，反应速率较快（类似于PFR）,反应速率,产品选择性和转化率较低，且由于沟流偏流等存在，设备要求比较高,停留时间和温度分布可控，可达高选择性和转化率,反应效果,传热强度高，整个床层处于恒温状态，可在最佳温度点操作,催化剂载体往往是热的不良导体,传热较差,传热特性,催化剂颗粒较小，可消除内扩散阻力，充分发挥其效能,流化床,催化剂颗粒大，固定在床层中，不易磨损,固定床,催化剂装填,特点,下列反应特征的选固定床还是流化床反应器？反应热效应很大反应对返混敏感反应需要温度分布催化剂强度差,思考题,4.2固定床反应器fixedbedreactor,在固定床中进行催化反应，流体必须进行流动；催化反应的同时还会进行传质、传热过程；二者互相影响。流体流动、传质、传热过程会影响床层中的浓度、温度分布，最终将影响反应过程，因此必须了解这些过程。,4.2.1固定床反应器内的流体流动一、空隙率二、流体在固定床中的流动特性三、流体流过固定床层的压力降4.2.2固定床反应器内的传质与传热一、固定床中的传质二、固定床中的传热,4.2.1固定床反应器内的流体流动,与催化剂有关的几个名词：催化剂颗粒的直径和形状系数,对于非球形颗粒，通常有以下三种相当直径：（1）体积相当直径dv，即采用体积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径。（2）面积相当直径da，即采用外表面积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒直径。（3）比表面相当直径ds，即采用比表面积相同的球形颗粒直径来表示非球形颗粒的直径。在固定床的流体力学研究中，非球形颗粒的直径常常采用体积相当直径，在传热传质的研究中，常常采用面积相当直径。,（4）：形状系数即与非球形颗粒体积相等的圆球的外表面积与非球形颗粒的外表面积之比。对于球形颗粒，=1；对于非球形颗粒，1。形状系数说明了颗粒与圆球的差异程度。,固定床内流体是通过催化剂颗粒构成的床层而流动，了解催化剂床层的性质很必要。空隙率是床层的重要特性之一，对流体通过床层的压力降、床层的有效导热系数等都有重大的影响。,一、空隙率,一、空隙率,1、空隙率的含义：催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比。,一、空隙率,2、影响空隙率的因素,越小,越紧密,颗粒装填方式,越小,越光滑,颗粒表面的粗糙度,越小,越不均匀,颗粒的粒度分布,越小,越接近球形,颗粒形状,影响因素,一、空隙率,颗粒形状、颗粒粒度分布、颗粒表面粗糙度、充填方式、颗粒直径与容器直径之比等,3、壁效应,一、空隙率,一、空隙率,径向分布并不均匀，贴壁处最大，离壁12dp处较大，而中心处空隙率较小。,由于器壁的存在对分布造成的这种影响及由此造成对流体流动、传质和传热的影响，称为壁效应。壁效应产生出床层径向截面上流速、温度及反应速率都不均匀，恶化了反应器的操作性能。dt/dp越大，壁效应的影响越小，一般工程上认为当达8时，可不计壁效应。但是当dt/dp8时，必须考虑壁效应的影响。举例：管式催化床内直径一般为25-40mm，而催化剂颗粒直径一般为5-8mm，即管径与催化剂颗粒直径比相当小，此时壁效应对床层中径向空隙率分布和径向流速分布及催化反应性能的影响必须考虑。,一、空隙率,二、流体在固定床中的流动特性,1、流动特性,流体在固定床内的流动比在空管中的流动复杂得多。固定床中流体是在颗粒间的空隙中流动，而颗粒间空隙形成的孔道是弯弯曲曲、相互交错的，并且孔道数和孔道截面及流动方向也在不断改变。这些孔道特性及流动特性都与空隙率分布有关。,在床层径向，空隙率分布的不均匀造成了流速分布不均匀（不同于空管）。流速的不均匀造成物料停留时间和传热情况不均匀性，最终影响反应结果。,二、流体在固定床中的流动特性,二、流体在固定床中的流动特性,流体在流动过程中由于本身的湍流、对颗粒的撞击、绕行及孔道的缩小或扩大，使得流体不断分散和汇合。而这种混合扩散现象并非各向同性，从而造成径向、轴向混合同时存在。,2、固定床流体流动模型流体流动由两部分合成：一部分为流体以平均流速沿轴向作理想置换式流动；另一部分为流体的径向和轴向的混和扩散，包括分子扩散（滞流时）和涡流扩散（湍流时）。根据不同的混合扩散程度，进行叠加。,二、流体在固定床中的流动特性,三、流体流过固定床层的压力降,1、压力降产生原因（1）摩擦阻力：由于流体与颗粒表面之间的摩擦产生。（2）局部阻力：流体在孔道内的收缩、扩大及再分布所引起的。低流速时，摩擦阻力为主；高流速及薄床层中流动时，以局部阻力为主。,2、影响固定床压力降的因素（1）属于流体的：气流速度、流体的粘度、密度等物理性质。流体的物理性质是由操作工艺确定的；降低气流速度，可以降低床层压降。,三、流体流过固定床层的压力降,（2）属于床层的床层的高度、床层空隙率和颗粒特性如形状、粒度等,越大,越大,越小,降低,P,越小,颗粒直径,越偏离球形,颗粒形状,增大（减小）,床层直径（床层高度）,越大,空隙率,影响因素,三、流体流过固定床层的压力降,（3）当dt/dp小于8时，壁效应对压降的影响不容忽视。生产中由于流体的压头有限，一般固定床中的压降不宜超过床内压力的15%。,三、流体流过固定床层的压力降,三、流体流过固定床层的压力降,压力降过大对反应的影响：影响生产能力；影响床层中的浓度和温度分布；增加动力消耗。降低压降的方法：降低流速、增大空隙率、减小床层高度、增加催化剂颗粒直径等。,固定床反应器内的流体流动,小结：1、关于空隙率存在壁效应，床径与粒径之比大于8可忽略；2、关于固定床中的流体流动流动模型由两部分合成：沿轴向作理想置换式流动径向和轴向的混和扩散3、关于床层压降压降产生原因：摩擦阻力和局部阻力；影响压降因素：气体流速和空隙率的影响显著；一般固定床中的压降不宜超过床内压力的15%,4.2.2固定床反应器内的传质与传热,一、固定床中的传质,固定床反应器中的传质过程包括外扩散、内扩散和床层内的混合扩散。,1、外扩散过程固定床一般都在较高流速下操作，主流体与催化剂外表面之间的压差很小，因此，外扩散的影响可以忽略。,一、固定床中的传质,2、内扩散过程催化剂微孔内的扩散对反应速率影响很大。反应物进入微孔后，边扩散边反应。扩散速率与反应速率的大小，进行如下方法判别。（1）催化剂有效系数进行判别当1时，反应过程为动力学控制；当1时，反应过程为内扩散控制。实际生产中采用的催化剂，其有效系数为0.011。可通过实验测定。,一、固定床中的传质,（2）内扩散对反应的影响影响反应速率影响复杂反应的选择性举例：平行反应中，对于反应速率快、级数高的反应，内扩散阻力的存在将降低其选择性。连串反应以中间产物为目的产物时，深入到微孔中去的扩散将增加中间产物进一步反应的机会而降低其选择性。,一、固定床中的传质,（3）改善内扩散影响的措施制造孔径较大的催化剂改变催化剂工程结构如：双孔结构的催化剂；表面薄层催化剂,一、固定床中的传质,3、床层内的混合扩散流体流经固定床时径向、轴向混合同时存在。当反应器长度和催化剂粒径之比大于100时，轴向混合影响可忽略不计。,一、固定床中的传质,1、径向传热过程分析（以换热式反应器进行放热反应为例）,二、固定床中的传热,粒内传热,颗粒与流体间的传热,床层与器壁的传热,大阻热,简化处理：（1）催化剂颗粒等温（2）忽略催化剂表面和流体间的温度差。以床层的平均温度与管壁温差为推动力-相应采用床层对壁给热系数进行计算。若要了解床层径向温度分布，必须采用床层有效导热系数和表面壁膜给热系数相结合计算。,二、固定床中的传热,2、列管式固定床反应器的轴向温度分布（强放热反应）,二、固定床中的传热,一般沿轴向温度分布都有一最高温度热点。热点以前，放热速率大于移热速率，出现轴向床层温度升高；热点以后，恰恰相反，沿床层温度逐渐降低。热点温度过高，使反应选择性降低，催化剂变劣，甚至使反应失去稳定性而产生飞温。,二、固定床中的传热,为降低热点温度，减少轴向温差，工业上从工艺上采取措施，其思路是调整放热速率或移热速率。,二、固定床中的传热,固定床反应器的日常运行与操作,固定床反应器内的传质与传热,小结：传质过程包括外扩散内扩散径向和轴向混合扩散径向、轴向都存在浓度分布径向传热过程包括粒内传热颗粒与流体的传热床层与器壁的传热径向、轴向都存在温度分布,思考题,结合学习过的化工工艺知识，思考工业上可能采取哪些措施进行放热速率和移热速率的调整以降低热点温度。,4.3流化床反应器fluidizedreactor,1、流态化的形成,一、流态化床层中流体的流动,L,Lf,L,Lf,L0,L,Lmf,流体,流体,流体,流体,流体,流体,固定床,起始流化,膨胀床,鼓泡床,气力输送,节涌,一、流化床层中流体的流动,1、流态化的形成,固定床阶段：u0umf时，固体粒子不动，床层压降随u0增大而增大；流化床阶段：umfu0ut时，固体粒子悬浮湍动，床层分为浓相段和稀相段，u0增大而床层压降不变；输送床阶段：u0ut时，粒子被气流带走，床层上界面消失，u0增大而床层压降有所下降。,2、散式流化和聚式流化,一、流化床层中流体的流动,2、散式流化和聚式流化颗粒与流体之间的密度差是散式流化和聚式流化之间的主要区别。一般认为液固流化为散式流化，而气固流化为聚式流化。,一、流化床层中流体的流动,3、流化床的压降与流速,一、流化床层中流体的流动,（1）理想流化床的压降与流速,3、流化床的压降与流速（2）实际流化床的压降与流速,一、流化床层中流体的流动,3、流化床的压降与流速（3）实际流化床与理想流化床差异的原因,一、流化床层中流体的流动,固定床阶段，颗粒之间由于相互接触，部分颗粒可能有架桥、嵌接等情况，造成开始流化时需要大于理论值的推动力才能使床层松动，即形成较大的压力降。,4、流化床中常见的异常现象及处理方法（1）沟流,一、流化床层中流体的流动,消除：物料预先干燥；加大气速；合理设计分布板,4、流化床中常见的异常现象及处理方法（2）大气泡,一、流化床层中流体的流动,消除：在床层内加设内部构件可以避免产生大气泡，促使平稳流化,4、流化床中常见的异常现象及处理方法（3）腾涌,一、流化床层中流体的流动,消除：在床层过高时，可以增设挡板以破坏气泡的长大，避免腾涌发生,4、流化床中常见的异常现象及处理方法（4）观察压降变化判断流化质量,一、流化床层中流体的流动,正常操作：压力降的波动幅度一般较小，波动幅度随流速的增加而有所增加。腾涌现象：一定的流速下，压降突然增加，而后又突然下降。沟流现象：压降比正常操作时低，说明气体形成短路,1、流化床中的气泡及其行为,二、流化床反应器中流体的传质,尾部区域的压力较周围低，将部分颗粒吸入，形成局部涡流，这一区域称为尾涡。,1、流化床中的气泡及其行为,二、流化床反应器中流体的传质,气体进入床层后，构成乳化相和气泡相。气泡在上升中聚并和膨胀而增大，同时不断与乳化相间进行质量交换。一部分颗粒不断离开尾涡，另一部分颗粒又补充进来，促进了全床颗粒的循环与混合。,1、流化床中的气泡及其行为,二、流化床反应器中流体的传质,气泡较小：气泡上升速度低于乳化相中气速，乳化相中的气流可穿过气泡上流；气泡大到其上升速度超过乳化相中的气速时，有部分气体从气泡顶部沿气泡周边下降，循环回气泡内，在气泡外形成气泡晕。,2、流化床反应器的传质,二、流化床反应器中流体的传质,（1）颗粒与流体间的传质气体部分通过乳化相流动，其余则以气泡形式通过床层。乳化相中的气体与颗粒接触良好，气泡中的气体与颗粒接触较差。,2、流化床反应器的传质,二、流化床反应器中流体的传质,（2）气泡与乳化相间的传质反应实际上是在乳化相中进行的；气泡经气泡晕到乳化相的传递是一个串联过程。包括气泡与气泡晕之间的交换、气泡晕与乳化相之间的交换以及气泡与乳化相之间的总的交换。,三、流化床反应器中的传热,研究流化床传热主要是为了确定维持流化床温度所必须的传热面积。一般情况下，自由流化床是等温的，粒子与流体之间的温差，除特殊情况外，可以忽略不计。重要的是床层与内壁间和床层与浸没于床层中的换热器表面间的传热。,四、流化床反应器的运行与操作,复习题1、CSTR、PFR的特点2、NCS