固定床反应器ppt课件

1、第六章 固定床反响器6.1 概述6.2 固定床中的传送过程6.3 拟均相一维模型6.4 拟均相二维模型6.5 滴流床反响器6.1 概 述(1) 固定床反响器的定义 流体经过不动的固体物料所构成的床层而进展化学反响的安装称作固定床反响器。固定床反响器主要用来进展气固相催化反响。如炼油工业中的催化重整和异构化、合成氨工业、乙苯脱氢制苯乙烯，氯乙烯的合成等运用的都是固定床反响器。此外，也有些非催化的气固相反响，如向红热的焦炭中通入水蒸汽以生成水煤气，氮与电石反响生成石灰氮(CaCN2)以及许多矿物的焙烧。 (2) 固定床反响器的特点 催化剂不易磨损； 床内物料流动接近平推流，与返混式的反响器相比，可

2、用较 少量的催化剂和较小的反响器容积来获得较大的消费才干; 停留时间可以严厉控制(调理气速)，温度分布可以适当调 节，因此有利于到达高的转化率和选择性； 延续操作，易实现自动控制，适宜大规模消费过程; 传热较差，对于热效应大的反响过程，传热与控温较难； 不能运用细催化剂，压降大； 改换催化剂需停产进展，所以普通催化剂的寿命要比较长。 (3) 固定床反响器的型式简介l单层绝热床反响器l 这种反响器通常高径比不大，催化l剂均匀堆于床内。内部无换热构件(下l部催化剂支撑构造，上部气体分布装l置)。构造简单，造价廉价，反响器体l积得到充分利用。但通常只用于化学l反响热效应不大，并且反响温度范围l相对较

3、宽的过程。例如乙苯脱氢反响l器，无加热安装(实验室用电阻丝加l热)，实践工业过程经过加高温水蒸气l供热。原料气原料气产物产物催化剂 多段绝热床反响器l实践是单段绝热式的改良型，在段间设置热交换安装，既坚持了单段构造简单等优点，每一段的过程完全类似于单层式，又能在一定程度上调理反响温度。换热安装的设置有多种方式，根据详细反响选择。如CO与H2合成反响器。原料气原料气催化剂产物产物 外热式固定床反响器l这类反响器用的最为普遍，l大多数是列管式。 通常管内装l催化剂，壳程走传热介质。优点l是传热效果好，床层温度易控l制，管径普通不大(25-50mm)，l气体流动类似于平推流，反响的l转化率选择性较高

4、，并且单根管l类似于实验条件，放大容易。如l乙炔与氯化氢合成氢乙烯反响l器。 蒸汽 原料气 调理阀 催化剂 补充水 产物产物 外热式薄层反响器l大多数是列管式。通常上层装催化剂，管内走反响气体，壳程走传热介质。优点是传热效果好，反响后的气体可实现急速降温或升温，通常反响时间短，气体流动类似于平推流。如甲醇氧化反响器。 原料 换 热 介 质 产物 催化剂 自热式固定床反响器l在这类反响器内，原料气先与反响后的气体经过管壁进展热交换，预热，再进展反响，普通用于热效应不大的高压反响。例如合成氨反响器。不过如今趋向多段绝热式。 原原料料气气原原料料气气产物产物催化剂 径向反响器l气体在反响器内经过多孔

5、的分气管作径向流动经过催化剂床层，缩短了气体流程，阻力变小，压降变小，所以可以用较细的颗粒。如工业上甲苯歧化制苯和二甲苯的反响器。原料气产物催化剂6.2 固定床中的传送过程l颗粒层的假设干物理特性参数l(1) 催化剂密度表征l 颗粒密度(又称假密度) : 包括粒内微孔在内的全部颗粒的密度。l l 骨架密度(又称真密度) : 粒子骨架包括粒内微孔密度。l l 床层密度 (又称堆密度) : 单位体积催化剂床层具有的质量。l ppmpv粒子质量粒子体积 包括孔容积pSBpmSv骨架粒子质量粒子体积 不包括孔容积catmBvR床层粒子总质量床层总体积(2) 催化剂粒子直径 球型粒子 dP 非球型粒子,

6、用相当直径来表示: A. 体积相当直径 dV ：即采用体积一样的球形颗粒直径来表示。 B. 面积相当直径da ：即采用外外表积一样的球形颗粒直径表示。 136()pVvd316pvVd VP为非球形颗粒粒子体积为非球粒子外外表积paad2paad pa(6-2) (6-1) C. 比外表相当直径ds ：即采用比外表积一样的球形颗粒的直径来表示。 粒子的外形系数 ：即体积一样的球形颗粒的外外表积与非球形颗粒外外表积之比。 为等体积球形颗粒外外表积，当体积相等时，球形粒子外外表积最小,显然有： ； 的大小反映粒子的外形与球体的差别程度P162表6-1列出了一些粒子的球形系数。 Sv 为非球粒子比外

7、表积66psvpVdsa23166psvpSsadsVddssspaasa1s s(6-5) (6-3) (6-4) 各种相当直径的关系31626666/ppvSvpssvVVdddss vsaad222()Svvpaaaddsadd12ddvsa1s121savsddd那么有：vsddavdd所以有：在固定床流膂力学研讨中，常采用比外表相当直径；在传热传质研讨中，常采用面积相当直径。(6-7) (6-6) 混合粒子的平均粒径：采用调和平均法计算 为直径为 的粒子所占的分量分率。3床层空隙率 床层空隙率指的是颗粒间自在体积与整个床层体积之比，是催化 剂床层的重要特性之一。 121211nini

8、nxxxxddddipdixidB床层空隙体积床层体积-颗粒骨架体积床层体积床层体积1wwsRBBwRBV VVs骨 架(6-8) l床层空隙率大小的影响要素l 催化剂的粒径及其粒径分布；l 催化剂颗粒的外形；l 颗粒的外表粗糙度；l 催化剂颗粒粒径与床层直径的比值；l 催化剂的充填方式等。 l P163图6-9列出了部分催化剂床层空隙率关系曲线，可供参考。4固定床的当量直径de 固定床的当量直径定义为床层水力半径的4倍。 RH为水力半径4eHdRLHR 上下同乘床高床层流道有效截面积床层空隙容积润湿总面积润湿周边6(1)sedS床层空隙容积床层总体积BB润湿总面积B床层总体积床层空隙率床层比

9、表面积eS(1)6(1) /pespaSdvBB 为单位体积催化剂床层所具有的外外表积: 4246(1)3(1)sssvddddRdeHsv BBBB(6-10) (6-9) (5) 床层压降流体经过催化剂床层产生压降的缘由主要来自两个方面： (1) 流体与粒子间摩擦阻力低流速下主要受其影响； (2) 流体在孔道中流动时忽然扩展，减少，撞击产生的阻力。 高流速时主要受此项影响。床层压降计算式：阅历关联式 231()()mBsBuPLdf1501.75eMRf (1)smBduReM 为修正雷诺数式中：(6-11) (6-12) 代入上式得：通常把它变形为：这就是通常所说的埃岗公式，仿照流体在空

10、管中流动的压降公式修正推导得到。式中前项反映的是摩擦阻力，后项反映的是部分阻力损失。 ReM10时，流体流动为层流形状，阻力主要来自于前项， 后项可忽略不计； ReM 1000 时，为湍流，阻力主要来自于后项，前项可忽略。32(1)1501.751()()()sBBBsmmdPLduu22323(1)1150(1.75)()()()mmBBsBsBuuPLdd(6-13) 式中各项的意义：床层压降 N/m2PL 管长 m流体粘度 kg/m sB床层空隙率mu流体空床平均流速 m/ s流体密度 kg/m3sd颗粒比外表相当直径 ml固定床床层压降大小的影响要素l 从固定床床层压降公式可看出其影响

11、要素主要有：l 1床层空隙率；l 2固定床的床层高度管长；l 3气流速率。由于流速与压降是平方关系，所以它l 比其它要素对压降更为敏感。l在消费过程中，流体的压头有限，床层压降往往有重要影响，因此普通固定床中的压降不宜超越床内压力的15%。(6) 固定床中的传热l化学反响大都伴有热效应，如对于放热反响，如何把产生的热量及时传送出来是维持反响正常进展首先要思索的问题。l固定床中的传热通常可以为由三部分组成：一是从催化剂内部向外外表传热粒内传热；二是催化剂外外表与流体主体之间的传热；三是径向传热，经过床层沿径向传送到器壁，由壁外载热体带走的传热过程。 颗粒与流体主体之间的传热系数 hp 给热系数l

12、从催化剂外外表向流体主体之间传热速率方程：l 传热速率 kcal/kgcat.h；l 单位质量催化剂床层的外外表积 m2/kgcat；l 是外外表积校正系数，催化剂点接触，线接触，面接l 触引起面积减少修正项(球形颗粒 =1；圆柱形l =0.9；片状 =0.81；无定形颗粒 =0.9)；l 催化剂外外表温度； l 气流主体温度。()pmsGqh attqmastGtl hp的计算可经过传热JH因子来关联：l lJH为传热因子，无量纲，传热因子的求取，书上引荐了3个公式：l G 表观质量流速空管流速kg/m2.h；l 适用范围：dpG/=101000；dp6mm；温度400。2 3()()ppH

13、phCJC G0.352.8760.3023(/)(/)BHppJd Gd G0.510.904JRHe0.410.613JRHe/ 6(1)eesBRGsd G 0.01Re50 50 Re 1000 (6-18) (6-16) (6-19) l求出了hp，我们就可经过丈量流体温度来推算催化剂外表温度:l 为以单位质量催化剂来定义的反响速率l 床层的比外表积，上式整理可得：l 是传热数Q、Pr 、Re的函数，见P167 关联图6-12。实践上，普通 均很小，催化剂外外表与气流主体的温度可看作为近似相等。()()()GqHrh attAAp ms()Ar/meBases2 / 32 / 3()

14、()()()AAAArrpmmpHHHrHrpQpth aaC GJJ()()AAmpHrQaCGprCp 称为传热数对气相：Pr = 0.61.0 ；液相：Pr = 2400tt (6-20) (6-21) 固定床的有效导热系数()oeeeprRp l研讨固定床的有效导热系数，实践上就是把整个床层看作一个整体类似于一个热导体向外传热。所以，我们用一个导热系数来表征它的传热性能类似于固体物质，而 那么是整个床层各种传热方式的综合表达。l 阅历关联式：ee,ppe prdGCRp(0.26)()2120.216B1231(1)1()()orvpeBBhdrspshd (6-23) (6-24)

15、l所以， 的求算过程为：l下面一项反映的是静床的导热才干。上面一项综合反映的是流动对径导游热系数的影响，在静床上的增量。因此，床层的传热实践上是一个复杂的过程。它是固体颗粒与流体之间传导、对流、辐射传热的综合过程，既与流体、固体本身物性有关，又受流动情况的影响。e根据p Tm计算erRpe6-23根据dp/dt查图6-14,erRp根据dp G Cp 计算 流体导热S 颗粒导热粒内 颗粒接触传热hrs 颗粒间流体辐射传热hrv 颗粒辐射传热0e6-24(6-25)(6-26)(6-27)l床层与器壁间的给热系数hw及h0l hw计算也称为壁膜表现给热系数l 思索床层径向存在温差采用二维模型时应

16、思索。假定接近管壁流体膜温度tR，壁温tw，传热速率式为：l 对液体取C=2.6；对气体取C=4.0l 代表管壁附近流体横向混合的比例：对圆筒形固定床内外表 = 0.054；对插入床层的圆管外外表 = 0.041。()wRwqh A tt011/1pwpwap Rwrephdwph dh d1132wph dCpRrepwawawa(6-35)(6-36)l 为流体静止时管壁给热系数，由下式确定：l 为离壁dp/4处的平均空隙率，普通取 = 0.7， l 由图6-2-4查取。0wh000.511/opwewh d1131(1)2()()orvpwwBhdrspswhd6-386-39wwwhw

17、也可经过(6-40)计算得到。 h0的计算又称床层对壁的总给热系数 此时把床层按一维模型来处置，就是忽略床层径向温差。采用一 个包括床层热阻和壁膜热阻的床层对壁的总传热系数来表征它的 传热性能。我们在工艺计算时，求算传热面积经常这样处置，很 简单适用，也能满足工艺要求。此时传热速率方程为： A、由有效导热系数e和表现壁膜给热系数hw结合求取： ； 经过 、hw由式6-33求出b，由式6-34计算求出y 。再查图6-16确定 ， 。上法适用于y0.2的情况下,固定床普通符合此条件。0()mwqh A tttm 床层平均温度； tw 壁温 02( )1()()ppeth ddbyda( )b21a

18、e21a( )b6-32 B、直接根据阅历关联式计算无需求 和hw (1)当床层被加热时吸热反响： 床层被冷却时放热反响： 式中：h0 床层时壁总给热系数 kcal/m2.h. dt 管内径 m dp 催化剂粒径 m 流体导热系数 kcal/m2.h. G 表现质量流速 kg/m2(床截面).h 流体粘度 kg/m.h 00.90.813exp6()()ppttd Gdh dd00.73.5exp4.6()()ppttd Gdh dde式中： 管内传热膜系数系数 kcal/m2.h. dt 管内径 m dp 催化剂粒径 m 流体导热系数 kcal/m2.h. G 表现质量流速 kg/m2(床截

19、面).h 流体粘度 kg/m.h L 管长 m Cp 流体热容 kcal/kg. 0.60.1231exp3.681 1.596.0()()()()pppdtttLd GCdtddt(2) (2) 朱宝琳公式朱宝琳公式: :7 7固定床中的传质与混合固定床中的传质与混合固定床中的传质过程主要包括：外分散、内分散和床层内固定床中的传质过程主要包括：外分散、内分散和床层内的混合分散。内分散过程我们前面曾经进展了讨论，这的混合分散。内分散过程我们前面曾经进展了讨论，这里主要讨论外分散和混合分散过程。里主要讨论外分散和混合分散过程。 粒子与流体间的传质粒子与流体间的传质( (外分散外分散) )在单位体

20、积或分量催化剂上着眼组分的传质速率可用下式在单位体积或分量催化剂上着眼组分的传质速率可用下式来表示来表示: : kCA kCA、kGAkGA是分别以浓度差和分压差为推进力的外分散是分别以浓度差和分压差为推进力的外分散传质系数，显传质系数，显 然：然：kGA=kCA/ RTkGA=kCA/ RT CGA CGA、CSACSA、PGAPGA、PSAPSA分别为气流主体的浓度或分压分别为气流主体的浓度或分压和催化剂外外表和催化剂外外表 上的浓度或分压上的浓度或分压 是单位体积或单位分量催化剂所具有的外外表积是单位体积或单位分量催化剂所具有的外外表积AC AG ASAG AG ASANkaCCkaPP

21、a6-41l kC、kG通常是经过一个无因次量：传质JD因子来关联：l式中： =SC称之为施密特准数l G 是表现质量流速 kg/m2.h空管流速l GM 是摩尔流速 kmol/m2.hl D 是分子分散系数 m2/hl传质JD因子的求算公式比较多，我们这里引荐两个： 2233()()()()cGMkkpJDGDGDD6-43 0.05Re50 50 Re1000 式中： Se为床层比外表积 与P166传热JH因子计算式618相比较,有: JH / JD = 1.076 1 根据这一关系，可以把传质系数与传热系数相互进展推算。 对气体: 对液体在 范围内： 55(dpG/)1500 0.001

22、6 (dpG/) 55此式适用范围:SC = 165706000.510.84JRDe0.410.57JRDeeeGRS 0.3590.357/BDpJd G0.35 0.75B0.310.25/BDpJd G2/31.09/BDpJd G6-446-486-466-476-45l传质系数确定了，传质速率通常也就确定下来了，当反响系统处于稳定态时，反响速率应等于外分散传质速率：l利用这个式子我们可以算出气流主体与催化剂粒子外表上的分压差。P1716-51。l利用P172图6-17气流主体与催化剂外外表的分压差的关联图：可直接查出P的大小。l对于大多数催化剂反响系统，反响都是在外分散已消除的前提

23、下进展的。所以，真正处于外分散控制的反响很少，除非一些极快反响Pt上的氨氧化。因此，普通P可忽略。()()AAGAmgAsAGAmArNkappkap6-49 固定床中流体的混合分散 l当流体流经填充床时，不断发生着分散和集合，在径向比轴向更为显著。在普通简化的模型中，常把固定床中流体的流动看作是平推流式的，没有返混。但是随着流速的提高和粒径的改大，径向和轴向的混合程度也增大起来，从数学模型精度的要求来看，就需求把这一影响包括在内。表征这种景象的参数是径向和轴向的混合分散系数Er和Ez，通常是用无量纲数的方式来表示。l l l 这里um是指平均流速。在大多数反响器中近乎常数，可近似取：pmer

24、rd uPEpmezzd uPE及10erP2(0.5 1(ezezPP气体);液体)6.3 拟均相一维模型1 1拟均相一维模型的特点拟均相一维模型的特点拟均相：把固体颗粒和流体当作均一相态来处置，不思索催化剂固拟均相：把固体颗粒和流体当作均一相态来处置，不思索催化剂固体颗粒和流体之间的浓度梯度和温度梯度。体颗粒和流体之间的浓度梯度和温度梯度。思索反响器轴向上的浓度梯度和温度梯度。思索反响器轴向上的浓度梯度和温度梯度。不思索反响器径向浓度梯度和温度梯度。理想流动：平推流。不思索反响器径向浓度梯度和温度梯度。理想流动：平推流。2 2空时收率概念空时收率概念 空时收率空时收率 = = 单位体积或分

25、量催化剂单位时间内所得到的主产品单位体积或分量催化剂单位时间内所得到的主产品分量分量 ()kgkgh 3主产品量催化剂用量或m6.3.1 等温反响器的计算1设计方程取微元催化剂dw进展物料衡算 )()A0AAdFdFrdwdw A(1-x()()AAAAFFdFrdwAAFd FAFd wA0dFdwAx 积分上式可得其设计方程： 0()0AAAAxdxwFr 6-56是以催化剂分量定义的反响速率()Ar6-55l也可以床层体积来表示为： l l设计方程也可以床层高度来表示：l把 ；式代入6-56：0()0AAAAxdxVFr()Ar是以催化剂体积定义的反响速率BBwVsL00000AAAFv

26、 Cu sC00000()0ABBAAAAAxsLLdxwFu sCu Cr0000()()0AAAAABABAAxCu CudxdCrrCL(6-58)6.3.2 单层绝热床的计算0()pAAAFC dTF dxH l绝热床无径向传热、在径向无温度梯度。流体流动近似于平推流，l 可以按拟均相一维模型来处置。1设计方程0()0AAAAxdxwFr6-562操作方程热量衡算式由于过程绝热，反响热效应全部用来物料升温，忽略反响前后总物料变化的显热差，我们有： 0()2121()AApHFAAFCTTTxx 分别变量积分可得其操作方程：为 下的反响热效应。()AH122TT6-596-60l假设以质

27、量流速G单位时间、单位床层截面积上的质量流量G=uS=u来表示那么可得：l 将 ； ； l 代入可得：l分别变量积分可得：0()pAAAGC dTFdxHGuSu000AAAFuSCuC0AAdCCAdx 00()()AAACCCAx00()()()AAdCCpAAAAu C dTuCHuHdC ()2112()ApHAACTTCC6-61将物衡式、热衡式与动力学方程联立求解，即可求出催化剂的分量W 或床层体积VR或床层高度L，但通常要经过图解积分或数值积分求解。4图解积分步骤将转化率XA分为假设干区间： XA 0.1 0.2 0.3 根据操作方程计算出Ti值： Ti T1 T2 T3 根据动

28、力学方程计算(-rAi)： (-rAi) (-rA1) (-rA2) (-rA3) 求算 作图求解: 即可求出催化剂的分量W或床层体积VR或床层高度L。 1()Air11()Ar21()Ar31()Ar 0()0AAAAxdxwFr 1()ArAx0AwSF5数值积分法l数值积分在化工计算中用得很多，它也是把函数定义域分为假设干个小区间，再按数值积分公式近似求和，通常用到的有梯形法、辛普森法、高斯法等。梯形法相对误差较大，它是用多段一次函数来替代曲线求和。辛普森法准确度大大高于梯形法，准确度更高的是高斯法。不过采用这些方法计算量大，原来很困难，如今却变得非常简单，都有现成的程序可调用。l例【6

29、-3】6.3.3 多层绝热床的计算多层绝热床的每一层的计算方法与单层绝热床没什么区别。它所不同的是计算下一层时，进料情况确实定要根据层间所采取的降温或移热措施来确定，上一层出口的组成经调整后作为下一层的进料反复单层方法进展计算。所以，求解过程依然是三个方程联立 求解的过程，只不 过分段计算而已。下面我们 经过图示法来作些阐明。1层间间接冷却式多层绝热 床反响器 段与段之间，前一段出口物料经冷却后进入下一层，物料只有温度变化，而无组成变化。2多层冷激式绝热床反响器l多层冷激式绝热床反响器中，前一段反响出口物料直接经过参与l新颖原料气冷激降温，同时由于原料气的参与，浓度也被稀释降l低，然后再进入下

30、一段进展反响。l假设第一段出口的总摩尔流率为F1，温度为Tb；第二段补加原料气l的摩尔流率为F20，温度为T20=Ta=T0；第二段进口温度为T2；那么有：122020()()pbpF CTTF CTT112202200p bpppFC TFC TF C TF C T20121200()pppbpF CFCTFC TF C T12002012()pbpppF C TFC TTFCF C合成氨多层冷激式合成氨多层冷激式固定床反响器固定床反响器6.3.4 多层床的最优化问题多层床的最优化问题主要思索两个方面：一是层数的最优化，也就是多少层为宜。光从反响速率来思索，层数越多，操作线越接近最优温度线。但层数越多，设备造价高，并且过程变得复杂，运转本钱费用高；同时，越到后面，层数的添加，效果甚微。所以，实践过程通常不超越四层。二是使催化剂用量最少，对给定的进、出料形状下，到达预定转化率，总的催化剂用量最少。实践上也是在同样反响体积VR或催化剂用量下，如何使其消费才干最大。l对于某一多层中间冷却绝热反响器，对中间的任一层均有：l我们要使催化剂总量最少，也就l 要使Z最小，这就是一个多元函数l 求极值问题，必有它的偏导数