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1、固定床反应器设计,小组成员：,1,全面分析,1. 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。,一、固定床反应器定义,2,全面分析,3,全面分析,4,全面分析,5,全面分析,固定床反应器,热载体：水、高压水：100300 导生油：200350 熔盐：300500 烟道气：600700 特点：换热效果好、床温均匀，但结构较复杂。 应用：热效应大、温度要求均匀控制的场合,6,全面分析,7,全面分析,二、固定床反应器的优缺点,： 1、催化剂不易磨损。 2、传热较差。 3、固定
2、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； 4、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； 5、结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂； 6、反应器的操作方便、操作弹性较大。,8,全面分析,固定床反应器的优缺点,相对于流化床反应器，固定床反应器缺点 ： 催化剂颗粒较大，有效系数较低； 催化剂床层的传热系数较小，容易产生局部过热； 催化剂颗粒的更换费事，不适于容易失活的催化剂。,9,全面分析,三、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
3、式反应器。,）,）,10,全面分析,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,全面分析,绝热式 固定床 反应器,固定床反应器类型,12,全面分析,固定床反应器类型,1、绝热式固定床反应器可分为轴向反应器和径向反应器。 (1)轴向绝热式固定床反应器 如图(a)所示。这种反应器结构最简单，实际上是一个容器，催化剂均匀堆置于床内，预热到一定温度的反应物料自上而下流过床
4、层进行反应，床层同外界无热交换,13,全面分析,固定床反应器类型,(2)径向绝热式固定床反应器 如图 (b) 所示。径向反应器的结构较轴向反应器复杂，催化剂装载于两个同心圆构成的环隙中，流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动。 径向反应器的优点是流体流过的距离较短，流道截面积较大，床层阻力降较小。,14,全面分析,固定床反应器类型,（a） （b）,15,全面分析,固定床反应器类型,16,全面分析,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 。 图 (c) 是用于 SO2 转
5、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。,17,全面分析,固定床反应器类型,18,全面分析,固定床反应器类型,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。 如图(d)所示，反应器由多根反应管并联构成，管径一般为25 30，管数可达万根以上。管内装催化剂，传热介质流经管间进行加热或冷却。,19,全面分析,固定床反应器类型,20,全面分析,固定床反应器类型,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
6、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。,21,全面分析,列管式 固定床 反应器,22,全面分析,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。,23,全面分析,固定床反应器类型,24,全面分析,固定床反应器类型,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
7、量自给和平衡，其设备紧凑，可用于高压反应体系。 但其结构较复杂，操作弹性较小，启动反应时常用电加热。,25,全面分析,四、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200 350,26,全面分析,传热介质,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
8、于600700的高温反应。,27,全面分析,五、固定床的传递特性,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。 气体自上而下流过床层。,28,全面分析,固定床的传递特性,1、颗粒尺寸 颗粒尺寸是颗粒体系的重要参数，常用粒径来表示。球形粒子的粒径是其直径，其他形状的粒子粒径则需定义。 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，可将其折合成具有相同的体积（或外表面积、比表面积）的球形颗粒，以当量直径表示。如体积、外表面积、比表面积当量直径。,29,全面分析,固定床的传递特性,2、 床层空隙率 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
9、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。,30,全面分析,固定床的传递特性,床层空隙率是一个重要的参数，影响因素是颗粒形状及大小、粒度分布、颗粒与床层直径比和颗粒的装填方式。 壁效应 床层空隙率沿床层 径向分布不同，离 壁面约一个粒子直 径处的床层空隙率 最大。,31,全面分析,床层内空隙率径向分布不均匀，引起各处的流速不同，因而床层内各处的传热和停留时间也不一样。 为减少壁效应的影响，设计时要求床层直径至少要大于颗粒直径的 8倍 以上。,固定床的传递特性,32,全面分析,3、 床层压降 气体流动通过催化剂床层的空隙所形成的通道，与孔道周壁摩擦而将产生压
10、降。 压降计算通常利用厄根（Ergun）方程：,33,全面分析,固定床的传递特性,影响床层压力降的最大因素： 床层的空隙率 流体的流速 两者稍有增大，会使压力降产生较大变化。 降低床层压降的方法： 增大床层空隙率，如采用较大粒径的颗粒； 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。,34,全面分析,4 、固定床中的传热,固定床中的传热组成 颗粒内传热 颗粒与流体间的传热，传热系数 hP 床层与器壁的传热，传热系数 hw、h0,固定床的传递特性,35,全面分析,5、 固定床中的传质,(1)流体与催化剂颗粒外表面之间的传质 前面讨论宏观动力学是采用催化剂表面的温度、浓度，然而催化剂表面的温度浓度却难于测量。 本节讨论催化剂表面的温度浓度与气流主体的温度浓度之间的关系，通过可测量的量建立动力学关系。,36,全面分析,