必威体育精装版化学反应工程气固相催化固定床反应器教学课件PPT.ppt

第5章 气固相催化固定床反应器 第一节：概述 一、固定床反应器 固定床反应器：凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置。 二、催化固定床反应器的优缺点 1.优点： （1）催化剂不易磨损，可以长期使用（除非失活）； （2）高径比较大时，床层中流体流动接近平推流； （3）停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，有利于达到较高的转化率和选择性。 固定床催化反应器的类型 绝热型 换热型 四、基本设计原则 1.设计条件 （1）掌握反应过程的热力学数据和热容、粘度、导热系数及扩散系数等物性数据。 （2）尽可能获得反应动力学及传递过程的数据。 A.本征动力学 B.工业催化剂 五、固定床反应器的数学模型 同时关联物料衡算、热量衡算、动力学方程。 六、基本问题 温度、浓度分布，气相压降，转化率及催化剂用量 选择固定床反应器的原则－－什么反应需要用固定床反应器？ 气固相催化反应首选－－非常普遍 如，合成氨、硫酸、合成甲醇、环氧乙烷乙二醇、苯酐及炼油厂中的铂重整等。 第二节：固定床反应器内的传递特性 气体在催化剂颗粒之间的孔隙中流动，较在管内流动更容易达到湍流。 气体自上而下流过床层。 一、颗粒层的若干物理特性参数 1.床层密度和空隙率 （1）粒子密度ρp －－包括粒内微孔在内的全颗粒的密度； （2）真密度（材料密度） ρs －－除去微孔容积的颗粒的密度； （3）床层密度ρB： －－单位床层体积中颗粒的质量。 4.床层空隙率εB：单位体积床层内的空隙体积（没有被催化剂占据的体积，不含催化剂颗粒内的体积）。 若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒的床层，其空隙率与颗粒大小无关。 壁效应：靠近壁面处的空隙率比其它部位大。 为减少壁效应的影响，要求床层直径至少要大于颗粒直径的8倍以上。 2.粒径 颗粒的定型尺寸－－最能代表颗粒性质的尺寸为颗粒的当量直径。 对于非球形颗粒，可将其折合成球形颗粒，以当量直径表示。 （1）体积当量直径：(非球形颗粒折合成同体积的球形颗粒应当具有的直径） （3）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） 二、床层压降 气体流动通过催化剂床层，将产生压降. 例6.1 在内径为50mm的管内装有4m高的催化剂层，催化剂的粒径分布如表所示。 催化剂为球体，空隙率εB=0.44。在反应条件下气体的密度ρg=2.46kg.m-3，粘度μg=2.3×10-5kg.m-1s-1，气体的质量流速G=6.2kg.m-2s-1。求床层的压降。 解：①求颗粒的平均直径。 ②计算修正雷诺数。 ③计算床层压降。 三、固定床中的传热 固定床中的传热： （1）粒内传热 （2）颗粒与流体间的传热 （3）床层与器壁的传热 四、固定床中的传质与混合 1.粒子与流体间的传质 2.固定床中流体间的混合扩散 当流体流经填充床时，不断发生着发散和汇合，在径向比轴向更为显著。 混合扩散（包括三类不同的物理现象）： A.浓度差引起的扩散作用； B.紊流产生的流体流动； C.固体颗粒使流体改变流向产生的流动。 第三节：固定床催化反应器的设计模型 设计固定床反应器的要求： 1生产强度尽量大 2气体通过床层阻力小 3床层温度分布合理 4运行可靠，检修方便 计算包括三种情况： 1设计新反应器的工艺尺寸 2对现有反应器，校核工艺指标 3对现有反应器，改进工艺指标，达到最大生产强度。 一维：参数只随轴向位置而变。 二维：参数随轴向和径向位置而变。 拟均相：流相和固相结合，视为同一相。 非均相：流相和固相分别考虑。 平推流：不考虑轴向返混。 带有轴向返混的模型：在平推流模型的基础上叠加了轴向返混。 两种特殊情况： (1)等温：反应热效应不大，管径较小，传热很好时，可近似按等温计算。 等温时， B.多段绝热床反应器 中间间接换热式 中间原料冷激式 中间非原料冷激式 对于多段（或多台串联）的绝热固定床，每一段的计算方法，原则上与A中介绍的方法一样，只是每一层的进料状态有变化。 中间间接换热式 中间原料冷激式 由图可以看出，多段绝热固定床反应器，采用的段数越多，反应越接近于最佳温度下进行，最终的转化率越高，但段数越多，造成设备复杂，操作不便，一般最多采用6-7段，其中3-4段常用。 例6-3 (1)任务书 在管式反应器中进行的邻二甲苯催化氧化制邻苯二甲酸酐是强放热反应过程，催化剂为V2O5，以有催化作用的硅胶为载体。 活性温度范围： 610～700K 粒径： dP=3mm 堆积密度： ρB=1300kg.m-3 催化剂有效因子：η =0.67 催化剂比活性： LR=0.92 反应器管长： L=3m 管内径： dt=