第七章 多相催化反应器的设计及分析.ppt

第七章 多相催化反应器的设计与分析 7.1　概述 固定床反应器优缺点 ① 固定床中催化剂不易磨损； ② 床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。 ③ 由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大规模的化工生产中尤为重要。 流化床反应器的优缺点 §7、2固定床内的传递现象 1. 固定床内的流体流动 基本概念的介绍 （1）空隙率：颗粒群堆积成的床层的疏密 程度。 ε=（床层体积-颗粒体积）/床层体积 影响因素：颗粒的大小、形状、粒度分布与充填方式。 （2）壁效应：壁面附近床层的空隙率总是大于床层内部，较多的流体必趋向近壁处流过，使床层截面上流体分布不均匀。 （3）固定床压力降：流体流过固定床时所产生的压力损失。 2、质量和热量的轴向扩散 （1）轴向质扩散的彼克列数 （2）轴向热扩散的彼克列数 （3）由轴向混合模型得出轴向返混等同于N个全混釜串联 适用条件 等温情况，若为非等温应考虑热扩散。 均相系统的质扩散轴向彼克列数可认为与热扩散轴向彼克列数相等；对于两相系统不合适。质扩散只在颗粒间空隙内的流体内发生，而热扩散不仅产生于流体内部，也产生于颗粒之间。 工业固定床反应器，大多Lr/dp＞＞50。 对于非等温固定床，判断能否采用活塞流模型。 3、径向传质与传热 （1）径向传热 径向传热的热阻由两部分组成：床层本身和器壁上的层流边界层。 传导方式：当床层的流体处于静止状态，热量一方面通过空隙中的流体以传导和辐射的方式向外传递，另一方面通过固体颗粒向外传递。 固定床的径向传热系数的经验公式： 球形颗粒： 圆柱形颗粒： 2、径向传质 由于向上或向下运动的流体撞击到固体颗粒时产生再分散和为了躲开固体颗粒而改变流体的流向所致。 两个近似值： 固定床传质 (Per)m=dpu/Dr=8 对于直径为dt的固定床层，若用N个混合釜串联来模拟其径向混合情况 N=（dt/2dp)(Per)m 若(Per)m=10，N=5 dt/dp 结论： （1）N≠1，床层横截面上的浓度也就不可能均一，径向浓度剃度总是存在，且随着dt/dp降低，N也降低。 （2） dt/dp＜5，床层内流体极不均匀，易造成流体的短路。 （3）Lr/dp足够大，固定床轴向返混可忽略，改变dt/dp使径向浓度分布均匀很难。 （4）绝热式固定床反应器，不考虑径向的传热和传质。 ? 径向： 若用N个等体积的全混釜来 描述固定床内气体的 流动状况，则N不可能为1，即径向浓度梯度总是存在。 ? 减小dt/dp，则径向浓度梯度降低，但当dt/dp ＜5，则床内流动极不均匀。（壁效应严重，且流体易短路） §7、3绝热式固定床反应器 绝热式反应器的类型 绝热式多段反应器的结构和原理的介绍 2、固定床绝热反应器的催化剂的用量 固定床的高度 催化剂的体积 3、多段绝热式固定床反应器（以间接换热为例） 当段数及原料的组成一定时，要达到规定的转化率，除第一段的进口转化率和最后一段的出口转化率外，各段的进出口的转化率和温度可以有无限多种分配方案。 优化的目标函数：催化剂用量最小，产品成本最低，产量最大！ §7、4换热式固定床反应器 1、换热式固定床反应器的结构与应用 （1）反应管直径 （2）换热管的数量 （3）反应的类型 （4）催化剂的利用 （5）优点（绝热式相比）和缺点 2、单一反应过程中转化率和温度的变化 换热式： 绝热式： 3、温度是化学反应速率的敏感性因素 （1）ABD曲线的变化 反应床层轴向温度分布的变化情况 （2）AK线和EFD曲线 传热状况相同和同一转化率的条件下，进料温度和热点温度 的比较。 结论： （1）进料温度太高或太低都会偏离最佳温度曲线太远，因此存在一个最佳进料温度，E为最佳进料温度。 （2）无论哪一条曲线，都偏离最佳温度曲线甚远。 （3）评价T-XA曲线的优劣主要看反应中后期接近最佳温度曲线的程度。 §7、5自热式固定床反应器 分类 逆流和并流状态轴向温度变化的比较 (1)逆流床层内气体温度很快就升高至热点温度，反应后期温度下降较快，并流与之相反。 (2)传热温度差和床层不同部位放热速率的比较 (3)逆流和并流的优缺点 并流式自热反应器床层轴向温