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1、第七章 固定床反应器,宋永辉 2010年4月20日,第六章 固定床反应器,6.1 概述,6.2 固定床中的传递过程,6.3 固定床反应器的数学模型,6.4 固定床反应器的设计计算,6.5 固定床反应器模型评述,凡是流体通过静止不动的固体物料所形成的床层并进行化学反应的装置都称为固定床反应器。,6.1 概 述,6.1.1 固定床反应器的分类,固定床反应器,轴向反应器,径向反应器,绝热式,换热式,单 段 绝 热 式,多 段 绝 热 式,等 温 式,自 热 式,6.1.2 固定床反应器的结构、特点,1、单段绝热式固定床,1）结构:,2）特点:,结构简单，床层内没有换热装置。 适用于热效应较小、单程转
2、化率较低、容许较大的反应温差的场合。,2019/6/4,化学反应工程固定床反应器,5,2、多段绝热式固定床,1）结构及组合,段间换热的绝热式固定床,冷激式绝热式固定床,2）特点,段间换热，调节温度。 适用于热效应较大，反应允许温差较小，要求单程转化率较大的场合。,3、换热式固定床,1）结构,反应器外壳用膨胀圈施行热补偿。 管间设有折流板，以增大传热系数，强化传热。,2）特点,气体流动接近于平推流，催化剂用量少，反应选择性高。 传热效果较均相反应器好。 适用于热效应大、反应温度需严格控制的场合。,4、径向反应器,1）结构,2）特点,压降小，节省压缩工。 使用小颗粒催化剂，催化剂表面利用率高。,返
3、回,6.2 固定床中的传递过程,一、催化剂密度 堆积密度： 颗粒密度： 真密度：,二、催化剂颗粒直径 体积相当直径：以体积相等的球形颗粒表示非球形颗粒的直径。 面积相当直径：以面积相等的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的直径。 比表面相当直径：以比表面积相等的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的直径。,6.2.1 床层内的若干物理参数,对于大小不等的混合粒子，其平均直径可用筛分分析数据按下式计算：,筛孔的大小以数目表示：常用的有标准筛和泰勒标准筛。,三、催化剂颗粒形状系数 球形颗粒的外表面积与体积相等的非球形颗粒的外表面积之比称为形状系数。,三种直径与形状系数的关系：,固定床的当量直径de为水力半径RH
4、的四倍，即：,空隙率是催化剂床层的重要特性之一,它对流体流动、传质、传热都有较大影响,同时又是影响压力降的主要因素。,1、床层空隙率：是指颗粒间自由体积与整个床层体积之比。,空隙率的大小与催化剂颗粒的形状、粒度分布、颗粒表面粗糙度、颗粒直径与床层直径之比以及颗粒的填充方法等有关。,2、壁效应：实验指出，空隙率在床层径向的分布是不均匀的，在贴壁处空隙率最大，在离壁12dp处空隙率较大，而床层中部空隙率最小，器壁对空隙率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。,6.2.2 床层空隙率与压降,为了消除壁效应的影响,一般取dt/dp8,3、床层压力降,床层压力降,流体与颗粒表
5、面间的摩擦阻力,流体在孔道中的收缩、扩大和再分布所造成的局部阻力,层流,湍流,计算压降的公式之一埃冈（Ergun）式：,6.2.3 固定床内径向传递,一、固定床径向传热,径向传热,床层内传热,器壁与边界层流层之间的传热,传热方式,热传导、热对流、热辐射。,传热步骤,热传导、热对流,传热方程,将床层热阻和壁膜热阻和并作为一个热阻来考虑，用床层的传热系数h0来表示：以下推荐两个计算h0的关联式。,对于球形颗粒，当20Rem7000,0.05ds/dt0.3时，,对于圆柱形颗粒，当20Rem800,0.03ds/dt0.2时，,二、固定床径向传质,固定床径向传质可用彼可莱准数（Peclet）来描述：
6、,一般认为：流体的径向扩散距离lr=0.5dp，当Rem20是，Per10。,对于直径为dt的床层，若用N个全混釜串联来模拟其径向混合情况，则：,径向扩散时间为：,所以：lr=2Dr/u,可见径向得浓度梯度总是存在的。,返回,6.3 固定床反应器的数学模型,固定床反应器与均相管式反应器的不同之处在于器内充填有固体催化剂颗粒，床层内的轴向和径向的传递规律也不一样。对于活塞流设计方程式如下：,流体在固定床中的流动状况与活塞流十分相似，相间的传质与传热以及颗粒内的传递用有效因子0来体现。 设进入床层的流体质量速度为G，关键组分A的质量分率为yA0 ，取床层高度为dZ，对A物质作物料衡算得：,1、物料
7、衡算,对于单一反应,2、热量衡算,如果不考虑轴向热扩散，对此微元体积作热量衡算则有：,对于有M个反应组成的反应系统,对于单一反应,3、动量衡算,流体流过床层时，压力变化太大的话，还需建立移动量衡算式，即压力分布方程。,对于有M个反应组成的反应系统,如果冷却介质的温度TC不为常数，则还需多加一个冷却介质温度的轴向分布方程。,如果床层太薄，活塞流的假设不成立，此时需要考虑返混的影响，根据轴相扩散模型得设计方程式如下：,1、物料衡算,4、冷却介质轴向温度变化式,2、热量衡算,上述模型方程的应用，需要具备以下基础数据。 （1）反应动力学数据；（2）热力学数据，包括反应热，热容，化学平衡常数等；（3）传
8、递速率数据，包括粘度、扩散系数和导热系数等。（4）催化剂的宏观结构数据，如孔分布、颗粒密度、堆密度和比表面等。,返回,6.4 固定床反应器的设计计算,6.4.1 平衡温度及最优温度分布,对于可逆或不可逆反应反应速率均随温度升高而加快。最高允许温度取决于催化剂或设备材质的性能等因素；然而对于可逆的放热反应，由于逆反应也随着温度升高而加强，净反应速率将出现一最大值。温度的进一步升高间最终使正、逆反应相等而达到化学平衡。,当达到化学平衡时，净速率为：r=r1-r2=0，使得平衡温度Teq为：,而反应速率最快的温度，即最优反应温度Topt则可令 而求出：,二者的关系是：,化学反应工程固定床反应器,24
9、,一、 单层绝热床的计算,催化剂用量计算,由公式（6-14）可知，对于关键组分A，物料衡算式为：,积分得：,同理可以计算床层高度：,积分得：,因为（-rA）=f（T，xA），故上述积分时，还需联解热量衡算式。,6.4.2 绝热是固定床的设计计算,由式（6-14）和（6-16）得：,单层绝热床的情况,二、多层绝热床的计算,多层绝热固定床的计算方法原则上和上述所介绍的一样。不同之处是从上层出来的物料要经过段将换热，再进入到下一层。,两层绝热，段间间接冷却的情况,三、多层床的最优化问题,对于可逆放热反应，要使反应速率尽可能地保持最大，必须随着转化率的升高，按最优温度曲线相应的降低温度。要使床层温度尽
10、可能地接近最优分布，催化剂的用量尽可能地少，就必须有尽可能多的层数。可是层数越多，装置结果等方面所化的费用就越多，而且层数增加，效果也越来越微，所以一般很少超过四层的。,多层绝热床的最优化问题通常是在一定数目的床层内，对于一定的进料和最终转化率，要选定各段的进出口温度和转化率以求总的催化剂用量最少。,对于第i段而言，该队所需的催化剂用量Wi为：,根据以上原则，将设计步骤归纳如下：,1、根据进口条件的x、T，在图上定出a点。,2、根据绝热操作线方程（6-35）作直线ab，b点应在理想温度线之上（同时在等速线上）。,3、从b点作平行于T轴的直线bc，c点落在同一等速线上。据此可以确定对段间冷却的要
11、求。,4、从c点在按2的步骤定出d点。,5、如此按前述顺序继续进行下去，以资到出口转化率达到要求为止。,6.4.3 换热式固定床的设计计算,一、列管换热式固定床设计：,联解以上三方程即可求出反应器高度Z，反应其出口温度T。,二、自热式固定床反应器的设计：,1、物料衡算方程,2、催化床层内的热量衡算方程,3、预热管内的热量衡算方程,返回,34,6.5 固定床反应器模型评述,6.5.1 一维拟均相非理想流模型,一、该模型是在一维拟均相理想流动模型的基础上作了一些修正。其基本假设是：,1、流体在床层中流动属于非理想流动，但遵循轴相扩散模型；,2、流体沿床层径向温度、浓度是均一的，仅沿轴相变化；,3、
12、流体与催化剂在同一截面处的温度、浓度相同。,二、三个基本方程的推演：,1、动量衡算方程,35,2、物料衡算方程,在单元体积dV=Atdl对组分A物料衡算：,36,3、热量衡算方程,对单元体积dV作热量衡算：,6.5.2 二维拟均相模型,一、二维拟均相模型的假设：,1、流体在床层中流动属于非理想流动，但遵循轴相扩散模型；,3、同一截面不同半径处参数不同，用径向扩散模型来表示。,2、流体与催化剂之间无温度、组分浓度差异；,二、三个基本方程的推演：,1、物料衡算方程：在单元体积内A作物料衡算,取半径r至r+dr，高度为dl的环状体为单元体积，dV=2r(dr)(dl)。,3、热量衡算方程,3、动量衡算方程,40,6.5.3 非均相模型,非均相模型的基本特点是：认为流体与固体颗粒之间由于外扩散的影响，存在较大的温度和浓度差，不能作为拟均相处理，而需要分别加以考虑。 非均相模型也可分为一维理想流模型、一维非理想流模型、二维理想流模型和二维非理想流模型。其中二维非理想流模型考虑因素较多，其它模型均可由此模型简化得到。,二维非均相非理想流模型的基础方程有：,1、流体的物料衡算方程,2、固体的物料衡算方程,3、流体的热量衡算方程,4、固体的热量衡算方程,返回,