化学反应工程固定床反应器
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。
列管式 固定床 反应器
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;
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③ 计算床层压降
150 um g 1 B p L 3 Re 1.75 d B m S
2
150 G 2 1 B L 3 Re 1.75 d m S g B
2 150 6 . 2 1 0.44 1.75 4 3 3 1903 3.96 10 2.46 0.44
应时常用电加热。
22
6.1.3 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100~300℃。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℃
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例6.1内径为50mm的管内装有4m高的催化剂层,催
化剂为球体,催化剂的粒径分布如表所示。 粒径 dS /mm
质量分率
3.40
0.60
4.60
0.25
6.90
0.15
空隙率ε B = 0.44。在反应条件下气体的密度 ρ g = 2.46 kg∙m-3,粘度 μg = 2.3×10-5 kg∙m-1s-1,气体的质 量流速 G = 6.2kg ∙ m-2s-1。求床层的压降。
(4)管间采用导热油强制外循环换热。导热油进口温 度为230 ℃,出口温度为235 ℃,导热油对管外壁传热系数a2
可取2721kJ/(m· 2h·℃)
(5)催化剂为球形,直径dp为5mm,床层孔隙率eB为 0.48。
(6)年工作7200,反应后分离,精制过程回收率为 90%,第一反应器所产环氧乙烷占总产量的90%。
式中: Re m : 修正的雷诺数, Re m
2 g m
g 1 B
d sum g
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• 厄根(Ergun)方程中其它参数:
um 平均流速空塔气速 l 床层高度 d s 颗粒当量直径
g 气体密度 B 床层空隙率
• 可用来计算床层压力分布。
轴向反应器与径向反应器
(a)
(b)
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
第六章 固定床反应器
凡是流体通过固定的固 体物料所形成的床层而 进行反应的装置都称作
水蒸气
乙苯
催化剂
固定床反应器。
如:气-固相催化反应器、 气-固相非催化反应器。
测 温 口
产品
6-1乙苯脱氢的绝热床反应器
6.1.1 固定床反应器的优缺点
• 固定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;
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解: ① 求颗粒的平均直径
0.60 0.25 0.15 dS xi 3.40 4.60 6.90 d i 1 3.96mm 3.96 10 3 m
1
② 计算修正雷诺数
d SG 3.96 10 3 6.2 Re m 1906 5 g 1 B 2.3 10 1 0.44
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。
6
原料气
绝热式
催化剂
固定床 反应器
产物
7
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
1.898 10 Pa
5
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甲醇制烯烃项目:
改性的 ZSM-5 催化剂其中催化剂的比表面积为 300~600m2/g,孔容体积为 0.3~0.8cm3/g
反应器结构的计算
• 1 催化剂的填充量
• 反应管长度的计算
• 管束尺寸和反应管的排列
pb u 2 fm o H dp
1 b b
2
SS da π
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• 比表面积当量直径: (非球形颗粒折合成相 同比表面积的球形颗粒应当具有的直径)
SS πd 2 6 VS 6 SV dS 6 3 VS πd d SV SS 6 • 混合粒子的平均直径:(各不同粒径的粒
子直径的加权平均,xi 是直径为d i 的粒子的 1 质量分率)。 d m xi di
的催化剂。
6.1.2 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, 自热式反应器。
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
• 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;
• 结构简单、催化剂机械磨损小,适合于贵 金属催化剂; •反应器的操作方便、操作弹性较大。
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
ds
2 g m
1 B
3 B
L
• 催化剂床层压降还有许多计算式,具体参
考有关的资料。
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• 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。
• C2H4+3O2 CO2+2H2O • △H1= 1323kJ/mol(25℃)
•根据下列给出中试的数据,估算第一反应器尺寸。
• (1)进入第一反应器的原料气组成为: 组成 摩尔分数/% C2H4 3.5 O2 6.0 CO2 7.7 N2 82.8 C2H4Cl2 微量
(2)进入第一反应器进料温度为210 ℃,反应温度为 250 ℃,反应压力为980.0665KPa,转化率为20%,选择 性为66%,空速为5000/h. (3)进入第一反应器采用列管式固定床反应器,列管 为直径27×2.5mm,管长5m,催化剂填充高度5.7m.
,预热到一定温度的反应物料自上而下流
过床层进行反应,床层同外界无热交换。
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(2)径向绝热式固定床反应器
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
• 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。
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
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6-9填充床的空隙率
床层空隙率εB
球形
圆柱形 不规则
6.2.3 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降。 • 压降计算通常利用厄根(Ergun)方程:
1 B u dP 150 1 . 75 3 d dl Re m B s
温度变化,提高转化率和反应速率。
多段绝热床 根据段间反应气体的冷却或加热方式,多 段绝热床又分为中间间接换热式和冷激式。 特点:催化剂床层的温度波动小。 缺点:结构较复杂,催化剂装卸较困难。
原料 产品 原料 产品 原料 冷 激 剂
产品
间接换热 原料冷激 多段固定床绝热反应器 非原料冷激
3.列管式固定床反应器
向的有效热导率 (λ ez 和 λ er)。
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1.流体与颗粒外表面间的传热
• 与传质相仿,由于层流边界层的存在,造
成了气流主体与催化剂颗粒外表面存在温 度差。因而,必然存在热量传递。 • 单位时间内从颗粒外表面传递到气相主体 的热量为:
dQ hP SS TS TG dt
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dQ ---单位时间传递的热量,J/h; dt
4.2.4 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
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拟均相模型
将包括颗粒与气相流体的床层看作为均一 的固体物质,其传热特性用一个有效热导 率 λ e 来表征。 • 有效热导率 λ e
根据轴向和径向的传热,可分为轴向和径