固定床反应器的操作与控制-固定床反应器工艺计算

任务0302乙苯脱氢反应器工艺设计项目03乙苯脱氢反应器的设计与选型中山石化原3万吨/年苯乙烯，采用绝热式固定床反应器，试根据以下条件：主反应：C6H5-C2H5→C6H5CH=CH2+Ｈ2（△H=124KJ/mol）副反应：C6H5-CH2CH3→C6H6+C2H4工艺条件：反应温度：550～650℃;常压;蒸汽/乙苯质量比：8：1;催化剂：沸石催化剂或EBZ-500沸石催化剂;年生产时间为8300小时，乙苯总转化率达40%，选择性为96%，空速为4830h-1,催化剂堆积密度为1520Kg/m3，生产中苯乙烯的损失可忽略.确定（1）催化剂用量；（2）床层的压力降；（3）所需换热面积。

任务引入：

任务点及其要求0302-1固体催化剂基础知识理解催化剂的作用、基本特征，固体催化剂的组成、性能及其表征0302-2气固相反应宏观过程了解气固相反应特点，理解气固相反应宏观过程，了解气固相反应本征动力学及宏观动力学的含义0302-3固定床反应器内的流体流动及压力降计算理解气固相流体流动相关的特性参数，了解流体在固定床中流动的特性，会应用相关公式进行压力降的计算0302-4固定床反应器内的传质过程理解固定床反应器内的传质过程0302-5固定床反应器内的传热过程理解固定床反应器内的径向传热过程、会应用相关公式计算固定床反应器对流传热膜系数0302-6固定床反应器的工艺计算会用经验法计算固定床反应器的催化剂用量、反应器床层高度和直径、传热面积及床层压力降0302-1固体催化剂总结固体催化剂的作用（1）加快化学反应速度，但不改变化学平衡。（2）有良好的选择性。（3）缓和反应条件和对设备的要求总结固体催化剂的基本特征

（1）催化剂能够加快化学反应速率，但它本身并不进入化学反应的计量。

（2）催化剂对反应具有选择性，即催化剂对反应类型、反应方向和产物的结构具有选择性。

（3）催化剂只能加速热力学上可能进行的化学反应，而不能加速热力学上无法进行的反应。

（4）催化剂只能改变化学反应的速率，而不能改变化学平衡的位置（平衡常数）。

（5）催化剂不改变化学平衡，意味着既能加速正反应，也能同样程度地加速逆反应，这样才能使其化学平衡常数保持不变。

固体催化剂的组成（1）活性组分是催化剂的核心部分，是真正起催化作用的部分。金属：Pt、Fe、Ru、Pd等氧化物：Cu2O、Mn2O3、Al2O3、Fe2O3等硫化物：WS2、MoS等固体酸：阳离子交换树脂、混合氧化物如SiO2、Al2O3等固体碱：阴离子交换树脂等。

（2）助催化剂

本身的催化活性很小，但添加极少量的于主催化剂中，却能显著改善催化剂的效能。

提高催化剂的活性：如合成氨熔铁催化剂中加入Al2O3。

提高催化剂的选择性：在乙炔加氢所用的Pd/α—Al2O3中加入适量的Pb，可抑制炔、烯的聚合反应。

延长催化剂的寿命：提高活性组分的分散度，使其不易烧结。（3）载体（担体）

活性组分的分散剂、粘合物、支撑物。

按比表面大小分类：载体分为低比表面、高比表面和中等比表面三类，以1～100m2/g界定其上下限。

常见载体的一些物理性质见表2-5。

（4）抑制剂

一些催化剂配方中添加抑制剂，是为了使工业催化剂的诸性能达到均衡匹配，整体优化。

总结催化剂的性能及其表征1、活性：可以用以下指标表征①比活性②转化率③空时收率2、选择性3、稳定性以寿命衡量寿命曲线:成熟期、稳定期、衰老期0302-2气固相反应宏观过程理解非均相反应的特点非均相反应在相界面上进行，因此宏观反应速率不但依赖于在界面处的化学反应速率，也取决于反应物从主流体传递至相界面的扩散速率。

研究非均相反应动力学除了需研究反应分子间的反应速率外，还必须包括相际和相内的质量、热量与动量的传递过程和反应器内物料流动状态等，即宏观动力学。气固相催化反应过程经历以下串联的七个步骤控制步骤：如果其中某一步骤的速率与其他各步的速率相比要慢得多，以致整个反应速率取决于这一步的速率，该步骤就称为速率控制步骤。动力学控制扩散控制气固相反应本征动力学方程

（1）双曲线型本征动力学方程在Ni催化剂上的混合异辛烯加氢生成异辛烷反应动力学方程为：（2）幂函数型本征动力学方程如焦姆金导出的铁催化剂上氨合成反应动力学方程为：实际应用中常以幂函数型来关联非均相动力学参数气固相反应宏观动力学宏观动力学：除了研究反应分子间的反应速率外，还包括相际和相内的质量、热量与动量的传递过程和反应器内物料流动状态等。以宏观动力学为基础，可进一步对工业反应装置的结构设计、最佳操作条件的确定等进行研究，以期应用于生产实践时获得良好的技术经济效益。一、催化剂颗粒的直径和形状系数1、体积相当直径: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: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。0302-3固定床反应器内的流体流动总结有关固定床床层的特性参数3.比表面相当直径：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。非球形颗粒的比表面积为：比表面积等于S的球形颗粒有如下关系式：

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:与非球形颗粒等体积圆球的外表面积。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。三种相当直径用联系起来，有如下关系：

二、混合颗粒的平均直径1、算术平均直径

2、调和平均直径

在固定床和流化床的流体力学计算中，用调和平均直径较为符合实验数据。影响因素ε颗粒形状越接近球形越小颗粒装填方式越紧密越小颗粒的粒度分布越不均匀越小颗粒表面的粗糙度越光滑越小三、空隙率（ε）催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比。

ε径向分布并不均匀，贴壁处最大，离壁1～2dp处ε较大，而中心处空隙率较小。壁效应

器壁对ε分布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，一般当达8时，可不计壁效应。1、床层径向流速分布理解流体在固定床中的流动特性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理解压降相关知识影响生产能力；影响床层中的浓度和温度分布；增加动力消耗。1、压力降过大对反应的影响2、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。3、总结影响固定床压力降的因素（1）属于流体的：流体的粘度、密度等物理性质和气流速度★。

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。

（2）属于床层的床层的高度、床层空隙率和颗粒特性如形状、粒度等影响因素△P床层直径（床层高度）增大（减小）降低空隙率☆越大越小颗粒形状越偏离球形越大颗粒直径越小越大（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%。4、压降计算方法当＜10时，流体处于滞流状态，＞＞1.75当＞1000时，流体处于湍流状态，＜＜1.75

如果床层中催化剂颗粒大小不一，应采用颗粒的平均相当直径。

5、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。

0302-4固定床反应器的传质总结固定床反应器内的传质过程

2、内扩散过程（1）催化剂有效系数进行判别当η≈1时，反应过程为动力学控制；当η＜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0.01～1。可通过实验测定。1、外扩散过程一般都在较高流速下操作，外扩散的影响可以忽略。（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（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。1、径向传热过程（放热反应）固定床反应器的径向温度分布0302-5固定床反应器的传热总结固定床反应器内的传热过程粒内传热颗粒与流体间的传热床层与器壁的传热大阻热

当单纯作为换热装置时，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。常用的简便计算的关联式为利瓦（Leva）提出。床层被加热时：

床层被冷却时：2、列管式固定床反应器的轴径向温度分布（强放热反应）

30°C

100°C25mm

25000tubesReactorfeed

Coolant

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。

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。0302-6固定床反应器的工艺计算固定床反应器的工艺计算，一般包括催化剂用量、反应器床层高度和直径、传热面积及床层压力降的计算等。固定床反应器的工艺计算，主要有经验法和数学模型法。总结固定床反应器的工艺计算内容和计算方法1、空速：单位体积的催化剂在单位时间内所通过的原料标准体积流量，称为空间速率，简称空速。2、催化剂空时收率：单位质量（或体积）的催化剂在单位时间内所获得的目的产物量。3、催化剂负荷：单位质量的催化剂在单位时间内所处理的某一原料量。

总结经验法计算的有关术语4、床层线速度u:反应条件下气体通过催化剂床层自由截面的速率。

5、空床速度u0:反应条件下气体通过空床层