固定床气固相催化反应器PPT课件.ppt

关于固定床气固相催化反应器第一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月下表中列出了一些主要的固定床催化反应过程。基本化学工业石油化学工业烃类水蒸气转化一氧化碳变换一氧化碳甲烷化氨合成二氧化硫氧化甲醇合成催化重整 异构化二氯化烷 醋酸乙烯酯丁二烯 顺酐苯酐 环已烷苯乙烯 加氢脱烷基第二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月固定床反应器的主要优点及缺点：优点：优点：由于催化剂固定不动，因此其结构简单，操作方便，催化剂在床层内不由于催化剂固定不动，因此其结构简单，操作方便，催化剂在床层内不易磨损易磨损 。床层内流体的流动接近活塞流，可用较少量的催化剂和较小床层内流体的流动接近活塞流，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，当伴有串联副反应时，的反应器容积获得较大的生产能力，当伴有串联副反应时，可获得较高的选择性。可获得较高的选择性。缺点缺点：固定床内传热较差，而催化剂的载体又往往是热不良导体。多数化固定床内传热较差，而催化剂的载体又往往是热不良导体。多数化学反应又伴有热效应，传热和控温就成了难题。学反应又伴有热效应，传热和控温就成了难题。催化剂的更换必须停产进行。为了减少催化剂更换造成的经济损失，要催化剂的更换必须停产进行。为了减少催化剂更换造成的经济损失，要求催化剂要有足够的寿命。求催化剂要有足够的寿命。第三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月固定床反应器的分类固定床反应器的分类固定床反应器，按催化剂床层是否与外界进行热量交换可分为：绝热式绝热式和连续换热式两类。原料气冷激原料气冷激非原料气冷激非原料气冷激冷激式冷激式间接换热式间接换热式内冷式内冷式外冷（热）式外冷（热）式多段绝热式多段绝热式单段绝热式单段绝热式绝热式绝热式连续换热式连续换热式固定床固定床第四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月绝热式固定床催化反应器：绝热式如不计入热损失则与外界不换热，对于可逆放热反应，依靠本身放出的反应热而使反应气体温度逐步升高，催化床，催化床入口气体温入口气体温度高于度高于催化剂的催化剂的起始活性温度起始活性温度，而，而出口气出口气体温度低于体温度低于催化剂的催化剂的耐热温度。耐热温度。1、绝热式固定床催化反应器、绝热式固定床催化反应器第五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月（1 1）单段绝热式（适用于放热和吸热反应）单段绝热式（适用于放热和吸热反应）平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线x xT T 原料气原料气 产物产物催化剂 单段绝热式单段绝热式固定床反应器，实际上就是一个容器，催化剂均匀堆置于床内，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。适用于绝热温升较小的反应。如：以天然气为原料的大型合成氨厂中的一氧化碳中（高）温变换中（高）温变换及低温变低温变换换、甲烷化甲烷化反应都是使用的单段绝热式固定床反应器。第六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月（2 2）多段固定床绝热反应器多段固定床绝热反应器由多个绝热床组成，段间可以进行间接换热，或直接引入气体反应物（或惰性组分）以控制反应器内的轴向温度分布。对于可逆放热反应过程，可通过段间换热形成先高后低的温度序列利于提高转化率。多段绝热催化床可以分为间接换热式和冷激式。（a）间接换热式：）间接换热式：换热器是列管式，部分反应气体在管内流动而被冷却，冷却过程中气体的组成不变。下图是可逆放热单反应四段间接换热式的操作状况，在转化率温度图上有平衡曲线和最佳温度曲线。第九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月（a a）间接换热式）间接换热式平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线x xT T特点：催化剂床层的温度波动小。特点：催化剂床层的温度波动小。缺点：结构较复杂，催化剂装卸较困难缺点：结构较复杂，催化剂装卸较困难应用：适用于放热反应应用：适用于放热反应二氧化硫氧化和乙苯脱氢过程常用多段间接换热式第十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月（b）原料气冷激式如果段间用冷流体与上一段出口反应气体混合，称为冷激式冷激式。【冷激式反应器的特点】冷激式反应器结构简单,便于装卸催化剂，内无冷臂，避免由于少数冷管损坏而影响操作，特别适用于大型催化反应器。冷激用的冷流体如果是尚未反应的原料气，称为原料气冷激式。原料气冷激式。下图是可逆放热单反应四段原料气冷激式操作状况。由于冷激气是原料气，过程的平衡温度曲线和最佳温度曲线在冷激前后都不变，但是冷激后下一段入口气体的转化率比上一段出口转化率降低，这相当于段间有部分返混。被冷激气体的转化率越高，冷激后所造成的返混影响就越大。因此催化床体积比其他条件相同的间接换热式增大。第十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月（b b b b）原料气冷激式）原料气冷激式）原料气冷激式）原料气冷激式T Tx x平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线特点：特点：反应器结构简单，便于装卸反应器结构简单，便于装卸催化剂，催化剂床层的温度波动小。催化剂，催化剂床层的温度波动小。缺点：缺点：操作要求较高操作要求较高应用：应用：适用于放热反应，能做成大型催适用于放热反应，能做成大型催化反应器化反应器大型合成氨厂中的合成反应器，常使用此型大型合成氨厂中的合成反应器，常使用此型第十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月(c)非原料气冷激式非原料气冷激式冷激用的冷流体如果是非关键组分的反应物，称为非原料气冷激式。如一氧化碳变换反应器采用过热水如一氧化碳变换反应器采用过热水蒸汽冷激。蒸汽冷激。冷激后，平衡温度曲线向着同一温度下提高平衡转化率的方向移动；最佳温度曲线也随之变动；【冷激式反应器的特点】冷激式反应器结构简单,便于装卸催化剂，内无冷臂，避免由于少数冷管损坏而影响操作，特别适用于大型催化反应器。下图是可逆放热单反应四段原料气冷激式操作状况。第十三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月(c)(c)(c)(c)非原料气冷激式非原料气冷激式非原料气冷激式非原料气冷激式最佳温度线最佳温度线x xT T平衡温度线平衡温度线如一氧化碳变换反应器采用过热水蒸汽冷激如一氧化碳变换反应器采用过热水蒸汽冷激第十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月2、连续换热式固定床催化反应器优点：优点：连续换热式反应器中，催化床中反应与换热过程同时进行，催化床层的温度较易控制，可使反应在最佳温度范围内进行，反应速率较快，催化剂利用充分，反应的选择性也较高。因此，比绝热式反应器应用更普遍。缺点缺点：结构复杂，反应器内催化剂装填量较少，床层的压降较大，故其不能完全取代绝热式反应器。第十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月连续换热式固定床催化反应器的分类按反应管的形式，可分为：单管式、双套管式和三套管式按热源，可分为：外热式和自热式，又分有内冷自热式、外冷列管式、外部供热管式内冷自热式、外冷列管式、外部供热管式三三种。种。按冷热气体的流向，可分为：并流式和逆流式按反应气体在催化床中的流动方向，可分为：轴向反应器和径向反应器。第十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月自热式反应器自热式反应器综合连续换热式反应器和绝热式反应器的特点，对于某些反应热不太大而在高压下进行的反应，要求高压容器的催化剂装载系数较大和每立方米催化床每日的生产能力或空时产率较高，常采用催化床上部为绝热层，下部为催化剂装在冷管间而连续换热的催化床，末反应的气体经冷管而被预热，这种连续换热式反应器称为自热式自热式。第十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月内冷自热式内冷自热式催化剂装载在冷管间，与冷管内未反催化剂装载在冷管间，与冷管内未反应气体连续换热，未反应气体经冷管预热应气体连续换热，未反应气体经冷管预热至催化床入口气体温度（高于催化剂的起至催化床入口气体温度（高于催化剂的起始活性温度），故称始活性温度），故称自热式自热式。适用于反应热不太大而又在高压下进行的放热过程。如：中、小型氨合成及甲醇合成使用此型。第十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月自热式反应器的特点自热式反应器的特点将绝热式和换热式反应器结合起来使用，绝热层中反将绝热式和换热式反应器结合起来使用，绝热层中反应气体借助反应热迅速地升温到理想的反应温度；然应气体借助反应热迅速地升温到理想的反应温度；然后进入换热段（冷却层）中，反应气体被冷却而接近后进入换热段（冷却层）中，反应气体被冷却而接近最佳温度曲线。自热式反应器只适用于反应热不太大最佳温度曲线。自热式反应器只适用于反应热不太大的放热过程。自热式反应器既省了外来热源，也可设的放热过程。自热式反应器既省了外来热源，也可设计出较好的轴向温度分布，使其更接近于最佳温度分计出较好的轴向温度分布，使其更接近于最佳温度分布曲线，因此操作稳定性更好。但自热式反应器，因布曲线，因此操作稳定性更好。但自热式反应器，因其对原料气有热量反馈，常常会有多重定态现象。开其对原料气有热量反馈，常常会有多重定态现象。开工时，如原料气不经预热，反应器就会总量处于转化工时，如原料气不经预热，反应器就会总量处于转化率为零的低温定态现象。因此对于自热式反应器必须率为零的低温定态现象。因此对于自热式反应器必须在反应床层外设置开工加热器。在开工时，必须使原在反应床层外设置开工加热器。在开工时，必须使原料气能越过不稳定的定态，当达到转化率高的高温定料气能越过不稳定的定态，当达到转化率高的高温定态后，再逐步停用开工加热器，使其保持高温定态反态后，再逐步停用开工加热器，使其保持高温定态反应。应。氨合成塔及甲醇合成塔就属于这种类型。氨合成塔及甲醇合成塔就属于这种类型。第十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月（1 1）列管式固定床反应器）列管式固定床反应器这种反应器由多根管径通常为2550的反应管并联构成，但不小于25mm。管数可能多达万根以上。管内装催化剂，管内装催化剂，催化剂粒径应小于管径的8倍，通常固定床用的粒径约为26mm，不小于1.5mm。载热体流经管间进行加热或冷却。在管间装催化剂的很少在管间装催化剂的很少见。见。列管式固定床反应器外冷列管式、外外冷列管式、外部供热管式部供热管式二种。第二十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月用于放热反应，催化剂装载在管内，以增加单位体积催化床的传热面积。载热体在管间流动或汽化以移走反应热。载热体的选择：载热体的选择：合理地选择载热体是控制反应温度和保持稳定操作的关健。载热体的温度与催化床之间的温差宜小，但又必须移走大量的反应热。反应温度不同，选用的热载体不同。外冷列管式催化床外冷列管式催化床第二十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月l一般反应温度在200250时，采用加压热水汽化作载热体而副产中压蒸汽；l反应温度在250300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；l反应温度在300以上时，采用熔盐作载热体，熔盐吸收的反应热都用来产生蒸汽。无机熔盐(硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物,KNO353%，NaNO37%，NaNO240%)可用于300400的情况。第二十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月外部供热管式催化床外部供热管式催化床用于吸热反应，催化剂装载在管内，管外用热载体，如烟道气，温度可高达600700左右。第二十三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月列管式固定床反应器：列管式固定床反应器：外冷列管式外冷列管式第二十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第二十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月外部供热管式外部供热管式第二十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第二十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月列管式反应器优点传热面积大，传热效果好，易控制催化剂床层温度，反应速率快，选择性高。返混小、选择性较高；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缺点：缺点：结构较复杂，设备费用高。适用适用:能适用于热效应大的反应。原料成本高，副产物价值低以及分离不是十分容易的情况。第二十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月加压热水作载热体的反应装置以加压热水作载热体的固定床反应装置示意图1-列管上花板；2-反应列管；3-膨胀圈；4-汽水分离器；5-加压热水泵第二十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月用有机载热体带走反应热的反应装置：反应器外设置载热体冷却器，利用载热体移出的反应热副产中压蒸汽。以油作载热体的固定床反应装置示意图1-列管上花板；2、3-折流板；4-反应列管；5-折流板固定棒；6-人孔；7-列管下花板；8-载热体冷却器第三十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月以熔盐作载热体冷却装置在器内的反应装置:以熔盐为载热体的反应装置示意图1-原料气进口；2-上头盖；3-催化剂列管；4-下头盖；5-反应气出口；6-搅拌器；7-笼式冷却器第三十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月（2）三套管并流式催化反应器三套管并流式反应器的特点：三套管并流式反应器的特点：特点：特点：反应床层中温度接近最佳温度曲线、反应过程中热量自给。缺点：缺点：结构复杂，造价高，催化剂装载系数较大。应用：应用：只适用于较易维持一定温度分布的热效应不大的放热反应，能适用于高压反应。下图是三套管并流式催化床的气体温度分布和操作状况图。冷管是三重套管，外冷管是催化床的换热面，内冷管内衬有内衬管，内冷管与内衬管之间的间距为lmm，形成隔热的滞气层而使内、外冷管之间的传热可以不计。第三十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月温度温度床床层层深深度度温度温度反反应应进进度度三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况三套管并流式催化床的气体温度分布和操作状况图三套管并流式催化床的气体温度分布和操作状况图第三十三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月（3）轴向反应器VS径向反应器按照反应气体在催化床中的流动方向分类，固定床反应器可分为轴向流动与径向流动。【轴向流动反应器】轴向流动反应器中气体流向与反应器的轴平行。【径向流动反应器】径向流动催化床中气体在垂直于反应器轴的各个横截面上沿半径方向流动。第三十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月径向流动催化床的气体流道短，流速低，可大幅度地降低催化床压降，为使用小颗粒催化剂提供了条件。径向流动反应器的设计关键是合理设计流道使各个横截面上的气体流量均等。对分布流道的制造要求较高，且要求催化剂有较高的机械强度，以免催化剂破损而堵塞分布小孔，破坏了流体的均匀分布。径向催化床中也可以安装冷管。催化床由无分隔的两部分组成，上部是轴向催化床，下部是轴径向混合流动催化床，便于装卸催化剂。顶端不封闭且侧壁不开孔，气体作轴径向混合流动，主要部分仍用侧壁开孔调节以保证气体作均匀径向流动。第三十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月轴向反应器VS径向反应器VSVS第三十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第三十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月二、反应器设计原则二、反应器设计原则1 1、反应器设计的内容、反应器设计的内容反应器的设计包括化工设计和机械设计。化工设计化工设计是反应工程研究的内容，其主要任务是：首先选择反应的型式和操作方法，然后根据反应和物料的特点，计算所需要的加料速度、操作条件（温度、压力、组成）以及反应器体积，并以此确定反应器主要构件的尺寸，同时还应该考虑经济效益和环境保护等方面的要求。机械设计机械设计的任务是机械结构设计和强度计算。第三十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月2、反应器设计一般应具备的条件反应器设计之前，应掌握以下数据：反应器设计之前，应掌握以下数据：反应过程的热力学数据和物料的比热容、粘度、导热系数及扩散系数等物性数据，这是物理化学和化工热力学的内容。尽可能获得反应动力学及传递过程的数据。本征动力学方程一般可以通过科学实验获得。大多数工业催化剂必须考虑内扩散有效因子，单反应的有效因子在测得催化剂的孔径分布和曲折因子后可通过适当的数学模型进行计算。考虑到工业催化剂在使用过程中的中毒、衰老、结焦、还原等项因素，工业催化剂的总体速率随操作条件和使用时间而变，在工程设计中，往往按本征动力学计算，再乘以“活性校正系数”。第三十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月3、催化反应器设计应遵循的基本原则、催化反应器设计应遵循的基本原则设计不只是一个单纯的催化剂用量及设计不只是一个单纯的催化剂用量及优化计算，而是根据工艺的特点和工程实际优化计算，而是根据工艺的特点和工程实际情况，应用反应工程的观点来确定最佳工艺情况，应用反应工程的观点来确定最佳工艺操作参数，如压力、反应气体的初始组成、操作参数，如压力、反应气体的初始组成、最终收率和选择率、空间速度，以及选用合最终收率和选择率、空间速度，以及选用合适的催化剂及反应温度，还要考虑到生产过适的催化剂及反应温度，还要考虑到生产过程中生产任务、催化剂活性和工艺参数的某程中生产任务、催化剂活性和工艺参数的某些变化，催化反应器的设计要能与这些变化些变化，催化反应器的设计要能与这些变化相适应；相适应；应根据工艺操作参数、设备制备和检修、应根据工艺操作参数、设备制备和检修、催化剂的装卸等方面的要求综合起来选用催催化剂的装卸等方面的要求综合起来选用催化床的类型和结构；化床的类型和结构；第四十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月高压反应器的筒体内要设置催化床，床外换热器、高压反应器的筒体内要设置催化床，床外换热器、冷激气管和热电偶管，有时还要放置开工预冷激气管和热电偶管，有时还要放置开工预热用的电加热器。这些部件要在反应器内合理地组合，催热用的电加热器。这些部件要在反应器内合理地组合，催化剂的装载系数要高，气流分布要均匀，气流通过反应器化剂的装载系数要高，气流分布要均匀，气流通过反应器的压力降要小；的压力降要小；机械结构要可靠，要考虑到反应器内某些部件处于机械结构要可靠，要考虑到反应器内某些部件处于高温状况下的机械强度和温差应力等因素；高温状况下的机械强度和温差应力等因素；多段式催化床要妥善地设计段间气体和冷激气体的分多段式催化床要妥善地设计段间气体和冷激气体的分布和均匀混合装置。布和均匀混合装置。以上这些要求往往相互矛盾，设计的任务就是要根据以上这些要求往往相互矛盾，设计的任务就是要根据对于催化反应工程基本规律的认识妥善加以解决，并且反对于催化反应工程基本规律的认识妥善加以解决，并且反复通过生产实践，积累更多的经验，改进现有催化反应器复通过生产实践，积累更多的经验，改进现有催化反应器的结构，发展多种型式的、适应不同要求的新型催化反应的结构，发展多种型式的、适应不同要求的新型催化反应器。器。第四十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月三、催化反应器的数学模型三、催化反应器的数学模型催化反应器数学模型的类型：催化反应器数学模型的类型：1、根据反应动力学反应动力学可分为非均相非均相与拟均相拟均相两类。绝大部分工业催化反应不可略去传质和传热过程对总体速率的影响，将传热和传质过程（传递过程）对反应总体速率的影响计入模型，称为非均相模型。如果反应属于化学动力学控制，催化剂颗粒外表面上及颗粒内部反应组分的浓度及温度与气流主体一致，计算过程与均相反应一样，称为拟均相模型。第四十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月如果某些催化过程的宏观反应动力学如果某些催化过程的宏观反应动力学研究的不够，只能按本征动力学处理，而研究的不够，只能按本征动力学处理，而将传递过程的影响、催化剂的中毒、结焦、将传递过程的影响、催化剂的中毒、结焦、衰老、还原等项因素合并成为衰老、还原等项因素合并成为“活性校正活性校正系数系数”，这种处理方法属于，这种处理方法属于“拟均相拟均相”模模型。型。活性校正系数与本征动力学参数、催活性校正系数与本征动力学参数、催化剂粒度、反应器结构、催化剂装载于反化剂粒度、反应器结构、催化剂装载于反应器的位置、毒物的品种及含量、催化剂应器的位置、毒物的品种及含量、催化剂的还原情况及使用时间等条件有关。的还原情况及使用时间等条件有关。第四十三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月2、根据催化床中温度分布催化床中温度分布可分为一维模型一维模型和二二维模型维模型。【一维模型】若只考虑反应器中沿着气流方向的浓度差与温度差，称为一维模型。一维模型。【二维模型】若同时计入垂直于气流方向的浓度差与温度差，称为二维模型二维模型。3、根据流体的流动状况流体的流动状况又可分为理想流动模型理想流动模型（包括活塞流和全混流）和非理想流动模型非理想流动模型。第四十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月维数维数相数相数返混返混根据相态根据相态(拟均相？非均相？），维数（一维？二维？），拟均相？非均相？），维数（一维？二维？），返混（有返混？无返混？）的不同情况，可以建立八种返混（有返混？无返混？）的不同情况，可以建立八种（）不同的数学模型（）不同的数学模型第四十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月催化反应器数学模型分类一维模型一维模型A类类：拟均相模型拟均相模型B类类：非均相模型非均相模型AI：基础模型基础模型BI：基础模型相间分布基础模型相间分布AII：AI+轴向返混轴向返混BII：BI+轴向返混轴向返混二维模型二维模型AIII：AI径向分布径向分布BIII：BI径向分布径向分布AIV：AIII轴向返混轴向返混BIV：BIII轴向返混轴向返混上表列出了催化反应器数学模型的分类。其中基础模型是一维拟基础模型是一维拟均相平推流模型均相平推流模型，其数学表达式最简单，所需的模型参数最少，数学运算也最简单。模型中考虑的问题越多，所需的传递参数也越多，如B、B型，其数学表达式非常复杂，求解也十分费时。处理具体问题时，一定要针对具体反应过程及反应器的特点进行分析，选用合适的模型。如果通过检验认为可以进行合理的假定而选用简化模型时，则采用简化模型进行模拟设计和模拟放大。第四十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第二节固定床流体力学第二节固定床流体力学一、固定床的物理特性一、固定床的物理特性1、非中空固体颗粒的相当直径及形状系数、非中空固体颗粒的相当直径及形状系数非中空固体颗粒（以下简称颗粒）非中空固体颗粒（以下简称颗粒）的直径可用许多不同的方法来表示。在流体力学研究中，常常采用相当直径来表示颗粒的直径。几个概念及符号：几个概念及符号：颗粒的体积VP颗粒的外表面积SP颗粒的比表面积SV体积相当直径体积相当直径p：采用与颗粒体积相等的球体的直径来表示颗粒的直径。则：第四十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月以SS表示与颗粒等体积园球的外表面积，则:对于非球形颗粒，其外表面积SP一定大于与颗粒等体积的圆球的外表面积SS。因此引入一个无因无因次系数次系数s，称为颗粒的，称为颗粒的形状系数形状系数。形状系数形状系数:即:与颗粒等体积的园球的外表面积与颗粒的外表面积之比。对于球形颗粒，s1，非球形颗粒s8时，可不计壁效应的影响。时，可不计壁效应的影响。第五十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月4、固定床的当量直径为了将处理流体在管道中流动的方法应用于固定床中的流体流动问题，必须确定固定床的当量直径de。固定床的当量直径一般定义为水力半径RH的四倍，水力半径可由床层的空隙率和单位体积中颗粒的润湿表面积计算得到。水力半径的定义：过水断面积与润湿周边之比即为水力半径。表达式为：R=A/L润湿周边为过水断面上水流所湿润的边界长度水力半径的物理意义：水力半径的大小对管道通流能力有影响,水利半径大,意味液流和管壁的接触周长短,管壁对液流的阻力小,通流能力大.第五十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月床层比表面积Se如忽略颗粒间相互接触而减少的表面积时，比表面积Se为单位体积床层中颗粒的外表面积，或颗粒的润湿表面积。Se的计算方法如下：颗粒的体积VP颗粒的外表面积SP单位体积床层中颗粒的数目为 则：按水力半径RH的定义得：则有，固定床的当量直径为：第五十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月例：求下列颗粒的dp、Dp、ds、s及构成床层后的de、Se。直径d5的圆球，0.4直径d5，高H10的圆柱体，0.4解：对于球形颗粒：dpDpds5s1第五十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月对直径d5，高H10的圆柱体先求颗粒的体积Vp及外表面积Sp第五十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月二、单相流体在固定床颗粒层中的流动及压力降二、单相流体在固定床颗粒层中的流动及压力降1、流动特性、流动特性流体在固定床中的流动比在空管内的情况复杂得多。在固定床中，流体在颗粒物料所组成的孔道中流动，这些孔道相互交错联通，而且是弯曲的，各个孔道的几何形状相差甚大，其横截面积也很不规则且不相等，各个床层横截面上孔道数目也不相同。床层中孔道的特性主要取决于构成床层的颗粒特性：粒度、粒度分布、形状及粗糙度，即影响床层空隙率的因素都与孔道的特性有关。颗粒的粒度越小，则构成的孔道数目越多，孔道的截面积也越小。颗粒的粒度越不均匀，形状越不规则，表面越粗糙，则构成的孔道越不规则，各个孔道间的差异也就越大。一般来说，如果颗粒是任意堆积的，当床层直径与平均直径之比如果颗粒是任意堆积的，当床层直径与平均直径之比大于大于8时，床层任何部分的空隙率大致相同。时，床层任何部分的空隙率大致相同。第六十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月需要说明的是：床层中的自由体积并不等于所有孔道的总体积，而是存在部分死角，死角中的流体处于不流动的状态。流体在床层中的孔道内流动时，经常碰撞前面的颗粒，加上孔道截面的不均匀，时而扩大，时而缩小，以致流体作轴向流动时，往往在颗粒间产生再分布，流体的旋涡运动不如在空管中那么自由。由于孔道特性的改变以及流体的再分布，旋涡运动的范围要受到流动空间的限制，即取决于孔道的形状及大小。在固定床内流动的流体旋涡的数目比在与床层直径相等的空管中流动时要多得多。第六十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月在空管中流体的流动状态由滞流转入湍流时是突然的，转折非常明显；在固定床中流体的流动由滞流转入湍流是一个逐渐过渡的过程，这是由于各孔道的截面积不相同，在相同的体积流量下，某一部分孔道内流体处于滞流状态，而另一部分孔道内流体则已转入湍流状态。第六十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月2、单相流体通过固定床的压力降、单相流体通过固定床的压力降1）压力降产生的原因单相流体通过固定床时要产生压力损失，主要来自两方面：一方面是由于粘滞曳力，即流体与颗粒表面间的摩擦；另一方面，由于流体流动过程中孔道突然扩大和收缩，以及流体对颗粒的撞击及流体的再分布而产生。在低流速时，压力降主要是由于表面间的摩擦而产生，在高流速及薄床层中流动时，扩大、收缩则起着主要作用。如果容器直径与颗粒直径之比值小于如果容器直径与颗粒直径之比值小于8 8，还要计入，还要计入壁效应的影响。壁效应的影响。第六十三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月2）固定床压力降的计算流体在空管中作等温流动，且流体密度变化不大时，流体的压力降可用Ergun方程（欧根方程）计算：式中：L管长，md圆管的内径，mf流体的密度，kg/m3 uoe流体的平均流速,m/s f摩擦系数压力降，N/m2 第六十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月将Ergun方程用于固定床时，式中uoe应为流体在床层孔道中的真正平均流ue，u0为以床层空截面积计算的流体的平均流速。圆管的内径d应以固定床的当量直径de代替。而管长则应以流体在固定床中的流动途径来代替，其值一般为固定床高度L的若干倍，则：第六十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月固定床的压力降的计算方法：式中u0为以床层空截面积计算的流体的平均流 速，m/s fM为修正摩擦系数，为颗粒的等比表面积相当直径 式（513）的使用前提：流体在床层内作等温流动。（当进出口温差不大时，可使用平均温度下的流体参数）流体密度的变化可忽略不计。（513）第六十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月修正摩擦系数fM与修正雷诺准数ReM的关系可由实验测得，其经验关系式为：（514）式中：为流体的粘度，kg/(ms)，G为流体的质量流率，kg/(m2s)第六十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月固定床压力降计算公式的简化：当ReM10时，流体处于滞流状况，式（514）中式（513）可简化为：当ReM1000时，流体处于完全湍流状况，（514）中 式（513）可简化为：注意：dt/ds的比值小于8时，应考虑壁效应对固定床压力降的影响。此时，可用经验关联式计算固定床的压力降。第六十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月3、影响固定床压力降的因素、影响固定床压力降的因素影响固定床压力降的因素可以分为两个方面：*一方面是属于流体的，如流体的粘度、密度等物理性质和流体的质量流率。*另一方面是属于床层的，如床层的高度和流通截面积、床层的空隙率，和颗粒的物理特性如粒度、形状、表面粗糙度等。第六十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月1）流速的影响：在影响固定床压力降的诸因素中，尤以流速的影响最为敏感，因为流速与压力降成平方关系，所以流速的选择应适当。流体的质量流率G和床层的高度及流通截面积是密切联系的。当反应器的生产任务及反应物料的质量流量W不变时，对于一定的催化床体积VR，其高度L和床层截面积A可以有不同的比例，如L/A比值增大，则不但由于增大L而增加压力降而且由于减少A而使质量流率G增大而增加压力降 第七十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月当ReM1000时，即VR一定时，对于一定的催化床体积VR，在可能的范围内应采用加大床层直径，减小床层高度方法，来降低床层的压力降。但是，如果催化反应在高压下进行，从高压容器制造的角度看，而应采用减小容器内径、相应地增加容器高度的方法，这有利于减小高压容器壁厚及便于制造，但这个要求和降低催化床压力降的要求是相矛盾的。此时，可采用径向反应器（气流方向与主轴垂直），它与轴向反应器（气流方向与主轴平行）相比，由于其流道短，流动面积大，气流速度小，从而大幅度地减少床层的压力降，为使用小颗粒催化剂，提高催化剂活性及催化床的生产强度创造了良好的条件。特别是对内扩散影响较大的反应过程，更具有重要的意义。第七十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月2）颗粒粒度和形状的影响颗粒粒度和形状是影响固定床压力降的另一重要因素。形状相同的颗粒，减小颗粒的相当直径，将导致固定床压力降增加。当ReM10时，p反比于颗粒相当直径的平方；当ReM1000时，p反比于颗粒相当直径。当颗粒的筛析范围相同时，形状系数小的颗粒（如片状）,其相当直径减小，则床层压力降增加。第七十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月3）床层空隙率的影响床层空隙率的大小与颗粒的形状、粒度分布、填充方法、颗粒直径与容器直径之比值等因素有关。颗粒疏松填充时，床层空隙率大于紧密填充；环柱状颗粒组成的床层的空隙率大于圆柱状颗粒；混合颗粒的粒度越不均匀，小颗粒填充在大颗粒之间，所组成的床层空隙率越小。催化剂在使用过程中逐渐破碎、粉化，会使床层空隙率减小，导致床层压力降增大。催化剂使用后期，床层压力降较前期压力降增加的程度随催化剂的机械强度而定，即使不计入破损，操作一段时期后，由于床层中颗粒填实，使床层下沉，会使床层空隙率减小，导致床层压力降增大。床层空隙率对床层压力降的影响十分显著，当ReM1000时，由0.4增至0.5时，压力降可降至原来的1/2.3第七十三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月4）壁效应的影响：当床层直径dt与颗粒直径ds的比值小于8，或者在催化床中装有冷管，冷管间距与催化剂颗粒直径的比值小于8时，应考虑壁效应对固定床压力降的影响。第七十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月例：在内径为50的管子内装有4 m高的熔融铁催化剂，其粒度分布如下（形状系数0.65）:粒径di（）3.404.606.90质量分率x0.600.250.15在反应条件下，气体的密度2.4610-3/3，粘度=2.310-4/()，如气体的质量流率为G=6.2kg/(m2)，床层的空隙率0.44，求床层的压力降。解：计算压力降用颗粒的调和平均直径：第七十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第七十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月三、固定床中流体的径向及轴向混合三、固定床中流体的径向及轴向混合固定床反应器中床层高度固定床反应器中床层高度L超过颗粒直径超过颗粒直径ds的的100倍时，可以略去轴向返混的影响倍时，可以略去轴向返混的影响重要结论第七十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第三节绝热式固定床催化反应器第三节绝热式固定床催化反应器确定催化反应器所需的催化剂量，是催化反应器设计的基本内容之一。催化剂用量的确定，首先需建立反应器的数学模型。对于绝热式固定床催化反应器，一般具有下列特点：床层直径远大于颗粒直径；（8时，可不考虑壁效应的影响）床层高度与颗粒直径之比一般超过100；（可以略去轴向返混的影响）与外界没有热量交换。因此：绝热式催化床可以不考虑垂直于气流方向的温度差、绝热式催化床可以不考虑垂直于气流方向的温度差、浓度差和轴向返混，计算时采用一维、平推流模型。浓度差和轴向返混，计算时采用一维、平推流模型。第七十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月如果催化反应动力学是“非均相”模型，催化剂的外扩散、内扩散有效因子应根据催化床中不同位置的气体组成及温度来求取。如果采用“活性校正系数”来概括宏观及失活等因素对反应速率的影响，即“拟均相”模型，可按本征动力学控制求出催化剂的用量，再除以活性校正系数COR和考虑催化剂活性随使用期限衰退的寿命因子TF，求出实际用量。这种处理方法即是基础模型 。第七十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月单段绝热催化床反应体积的计算单段绝热催化床反应体积的计算方法如下：由物料衡算式物料衡算式求得动力学方程中各组分的浓度或摩尔分率之间的变化关系；由热量衡热量衡算式算式确定反应过程中气体温度与反应速率之间的变化关系，就可知道平衡常数及反应速率常数之间的变化关系；将动力学方程动力学方程在给定的反应率及反应温度的变化范围内进行积分，即可求得反应所需的接触时间和催化床体积。多段绝热催化床反应体积的计算较为复杂，只能用计算机分段进行计算。第八十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月绝热温升的概念绝热温升的概念右图是可逆单放热反应绝热催化床的右图是可逆单放热反应绝热催化床的操作过程在操作过程在XAT图上的标绘，图上图上的标绘，图上标绘了平衡曲线、最佳温度曲线和绝标绘了平衡曲线、最佳温度曲线和绝热操作线热操作线AB，A点表示进口状态，点表示进口状态，B点表示出口状态。点表示出口状态。从图上可看出：对放热反应过程，随从图上可看出：对放热反应过程，随着温度的升高，平衡转化率和最佳温着温度的升高，平衡转化率和最佳温度下的转化率都随之降低。单从这一度下的转化率都随之降低。单从这一点看，反应应在低温下进行。但反应点看，反应应在低温下进行。但反应温度过低，会使反应速率过低，从这温度过低，会使反应速率过低，从这一点看，反应应在高温下进行。所以一点看，反应应在高温下进行。所以存在最佳温度。存在最佳温度。平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线x xT TAB绝热催化床的绝热催化床的XAT图图第八十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月绝热温升的求得：绝热温升的求得：对绝热反应过程，整个催化床与外界没有热量交换。此时，对床层内的微元段作热量衡算：NTcpdTb=NT0yA0(HR)dxA对上式进行积分（从催化床进口到出口），可得：上式是由热量衡算式所确定的反应过程中反应率与温度的关系。其中Tb1及Tb