反应3-3分析.docx

化学反应工程》通关任务项目说明书级　　别：作　　者：专业班级：指导教师：　　　目录1固定床反应器11.1绝热式固定床催化反应器11.2换热式固定床反应器21.3自己换热式反应器22催化剂颗粒直径和床层空隙率33床层压降44固定床中的传热54.1颗粒与流体间的传热系数54.2固定床的有效导热率64.3床层与器壁间的给热系数75拟均相一维模型75.1等温反应器的计算75.2单层绝热床的计算85.3多层绝热床的计算86多层床的最优化问题97计算9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固定床反应器。以气态的反应物通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的装置称为气固相催化反应器。固定床反应器的优点：催化剂不易磨损而可长期使用；床层内流体的流动接近于平推流，返混程度小；反应速率较快，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的成产能力；停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，易实现高的选择性和转化率。固定床反应器的缺点：固定床传热较差，催化剂更换不方便。绝热式固定床催化反应器如图1-1所示，它的结构简单，催化剂均匀堆置与床内，床内没有传热装置，预热到适当温度的反应物料流过床层进行反应就可以了。对于热效应不大、反应温度的允许变化范围又较宽的情况，用绝热式反应器最为方便，而且在放大时只要保持相同的停留时间并注意避免沟流和偏流就可以了。图1-1 单段绝热催化床除单层绝热床外，工业上还常用多段床，在几个单层绝热反应器之间加换热器和冷激剂来调节温度。换热式固定床反应器换热式固定床反应器以列管式为主，它们通常是在管内放催化剂，管间走催化剂（在用高压水或用高压蒸汽作载热剂时，则把催化剂放在管间，使管内走高压流体），管径的大小应根据反应热和允许的温度情况而定，一般为25-50mm的管子，但不宜小于25mm。催化剂的粒径应小于管径的8倍，以防壁处出现沟流，但粒径愈小，流体流动时的压降愈大，因此通常固定床的通用粒径约为2-6mm，不小于1.5mm。反应温度不同，选用的载热体不同。一般反应温度100-330℃时采用加压热水汽化作载热体而副产中压蒸汽。反应温度200-350℃时，可采用挥发性低的有机载热体如矿物油，联苯-联苯醚混合物；反应温度在300℃以上采用熔盐作载热体，有机载热体和熔盐吸收的反应热都用来产生蒸汽。对于600-700℃左右的高温反应，只能用烟道气作为热载体了。列管式反应器由于传热较好，管内温度较易控制，再加具有固定床一般反应速率较快，选择性高等优点，因此对于原料成本高、副产物价值低以及分离不是十分容易的情况，就特别有价值。另外，它只要增加管数，便有把握地进行放大。自己换热式反应器反应前后的物料在床层中自己进行换热的反应器称为自热式反应器。合成氨及合成甲醇就是用这类反应器。根据床层内外流体流向的不同，有顺流和逆流之别，根据套管数目的多少，又有单管、双套管和三套管之分。单管式逆流反应器结构简单，气体在管中上升时，吸收床层中的反应热量使温度一直上升，但从进入床层往下流动后，温度却先升后降，中间有一热点。这是因为初进床层这一段，反应速率快，放热多，但管内外温差小，传热不够而使温度上升。但以后反应速率减慢，管内外温差加大，故温度逐渐下降，其结果使床层下部过冷，偏离最佳温度线就愈远，因此不够理想。单管并流式，即冷原料气值上而下经过换热管再从另一通道送到床顶空间，然后向下流经床层，这样，在床层下部，管内外温差变小了，床层温度可较接近于最优温度线，但床层上部，管内外温差较大，不能是催化剂迅速升温到最优温度，再加上结构也比较复杂，因此亦不理想。双套管并流式能够综合以上两者的优点，既能使下部床层温度维持得较高，又能使上部床层较迅速地达到最优温度。此外还有三套管式，在两层预热管间，再加一封闭的隔热套管，以调整床层内外温差。自己换热式的反应一般热效应都是不大的，而且在催化剂层内安上许多内冷管，却减少了催化剂的装量，影响反应器的生产能力。催化剂颗粒直径和床层空隙率常用的非中空颗粒当量直径的表示方法有三种，即等体积圆球直径、等外表面积圆球直径和等比表面直径。若将粒径定义为具有相同体积的球粒子的直径。设粒子的体积为，则体积相当直径为若定义是以外表面积相同的球形粒子的直径作为代表的，可称作面积相当直径：若以相同比表面的球粒子直径来表示的。因故比表面相当直径为：对于非球形粒子，其外表面积必然大于同体积的球形粒子的外表面积。故可定义颗粒的形状系数为：除球体的外，其他形状颗粒的均小于1，它的大小反映了颗粒形状与圆球的差异程度。上述三种当量直径与形状系数间的相互关系可表示如下：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求出：式中，为直径等于的颗粒所占的质量分数。床层孔隙率是一个重要能数，它随粒子的形状、大小、颗粒的粒度分布、填充方