化学反应工程(第三版)陈甘棠主编_第六章_固定床反应器

固定床反应器应化091班 张连阳

重要过程：

概述流体通过固定的固体物料所形成的床层。

一、固定床反应器的特点

结构简单 高空速 很少催化剂损耗 很小气固返混 较长的扩散时间及距离 高床层压降 床内取热供热困难 催化剂取出更新困难 催化剂颗粒大，效率低

丙烯氧化制丙烯酸 乙炔HCl制氯乙烯 乙烯环氧化制环氧乙烷 烃类加氢 乙苯脱氢制苯乙烯 煤气化 …

二、固定床反应器的种类(1)绝热式反应器

间接换热式

冷激式

图6-1 绝热床反应器

图6-3 多段绝热床反应器

(2)对外换热式反应器

图6-4 对外换热式反应器

特点：单位床层体积具有的传热面积大，传热性能良好；

反应器放大设计可靠性高。

传热介质选用原则：

保证催化剂床层与传热介质之间有适宜的温差。常用传热介质的温度范围 沸腾水 有机液态传热介质 熔盐 烟道气 100-300 ℃ 200-350 ℃ 300-400 ℃ 600-700 ℃

(3)自热式反应器一段转化气空气

燃烧

甲烷化炉 CO+3H2 CH4+H2O

二段转化炉 2H2+O2 CO+O2 CH4+H2O 2H2O CO2 CO+3H2

CO2+4H2

CH4+2H2O

(4)其它形式的固定床反应器

已成功应用于合成氨反应器。 特点是：压降小，可采用较细颗粒 的催化剂，从而提高催化剂的有效 系数。

图6-6 径向流反应器

固定床中的传递过程1 粒子直径和床层空隙率

一、颗粒直径的表示方法 (1)表示方法 (i)体积相当直径 (ii)面积相当直径 (iii)比表面相当直径d V ( 6V P / )d a (a P / )1/3

1/ 2

d S 6 / S V 6V P / a P

式中，SV=ap/Vp,称为颗粒的比表面。 (2)不同当量粒径的关系 S d V d S 6V P / a P S (dV / d a ) 式中， S aS / a p2

,称为颗粒的形状系数(

S 1

)。

非球形颗粒的形状系数

(3)混合粒子的平均直径dd 1 n xi di i 1

式中，xi是直径为di粒子在全部粒子中所占的质量分数，可采用 标准筛进行筛分分析得到。标准筛的规格见表6-2。

二、床层空隙率 单位体积床层中,颗粒之间的空隙所占的体积分率。 B 1 B p

式中 B p

—— 床层堆积密度； —— 颗粒视密度。

注意：颗粒视密度与真 密度之间的区别。 讨论： (1)床层空隙率与颗粒 形状和尺寸的关系。 (2)壁效应及流体均布。图6-9 填充床的空隙率

三、固定床的当量直径 (1)床层比表面Se n pa p (1 B ) Vp p p

a p (1 B )

ap Vp

6 (1 B ) / d S

式中，np —— 单位体积床层中颗粒的个数。 (2)床层当量直径de 4RH 4

BSe

2 B 3 1 B

2 B d S

3 1 B

S d V

式中，RH —— 水力半径。

2床层压降 床层压降是固定床反应器设计的重要参数，要求床层压 降不超过床内压力的15%。 床层压降的计算 (1) p 2 um d S B L 1 B 3

150 1 . 75 R eM

式中

R eM

d S um

(1 B )

um —— 空床流速；L —— 床层高度；ρ、μ—— 流体的密度和粘度。 ReM<10,层流，上式中右边第二项可忽略；

ReM>1000,湍流，上式中右边第一项可忽略。

(2)

p

2 f m G L (1 B )2

3 n

d p

3 n

B3

式中，dp —— 体积相当直径；G fm和n可由图6-11查取。

u m——

质量流速。

图6-11 固定床的摩擦系数

3 固定床中的传热 床层的传热性能直接决定了床内的温度分布，从而对反 应速率和产物的组成分布都具有十分重要的影响。 传热方式： 导热、对流传热、热辐射。 传热途径： 粒内传热、颗粒与流体间传热、床层与器壁间传热。 一、颗粒与流体间传热系数 B J H 2 . 876 /( d p G / ) 0 . 3023 /( d p G / )0 . 35

(6-16)

传热因子 适用范围

J H ( h p / c p G )( c p / )d p G / 10 ~ 10000

2/3

注意：目前，计算传热系数的经验公式有很多，可从有关文献或工 具书中查取。应用时要注意公式规定的特性尺寸、特性温度和适用 范围。

流体与颗粒间传热温差的计算 热量平衡 H A rA h p a m (t G t S ) h p a m t Se / B

式中，a m球形：

—— 单位重量催化剂的外表面积；—— 床层比表面积Se的校正系数。

1; 圆柱形： 0.9 ; 片状： 0.81 ;无定形： 0.9

上式可整理成 t rA HA

h p a m

Q ( Pr ) Q

2/3

/ JHA

其中，传热数 普朗特数

rA H

a m c pG

Pr c P /

图6-12是上式的关联图，查图可求 得不同条件下的Δt。图6-12 固定床中流体与颗粒外表面的温差

二、固定床的有效热导率 λe 是针对拟均相模型提出的综合性传热参数，一般是指 λer 。 λe值与颗粒与流体之间对流传热，颗粒及流体本身的 导热，床层的辐射传热等多种传热作用有关。它不是物性参

数，而是流体和固体颗粒特性以及流动状态的函数。 e / e / ( ) R ep Pr0

(6-23)

式中， λ—— 气体的热导率； e —— 流体静止时床层的热导率；0

α—— 径向与轴向传质速率之比；β—— 颗粒间距与粒径比的影响。( )

值可由图6-14查取。粒径/管径

图6-14