固定床反应器的设计与分析-1.ppt

第六章固定床反应器重点掌握※固定床压力降的计算方法。※固定床催化反应器拟均相活塞流模型的建立与应用，包括考虑内扩散的情况。※绝热式固定床催化反应器催化剂用量的计算方法。深入理解▼固定床催化反应器的主要类型及其结构特点。▼换热式固定床催化反应器的设计优化问题、参数敏感性问题以及飞温和失控的现象。广泛了解▲固定床的轴向与径向传热与传质。▲多段绝热式固定床催化反应器的优化原则。▲实验室反应器的主要类型和特点。7.1概述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都称作固定床反应器，其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占最主要的地位。如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。此外还有不少非催化的气—固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2)以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。1、固定床反应器优点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，在大生产中尤为重要。2、固定床反应器缺点①固定床中的传热较差；②催化剂的更换必须停产进行。二、固定床反应器类型1.绝热式反应器图6.1-1是绝热床反应器的示意图。它的结构简单，催化剂均匀堆置于床内，床内没有换热装置，预热到一定温度的反应物料流过床层进行反应就可以了。典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。反应需供热140kJ／mol，是靠加入高温(710℃)水蒸汽来供应的(乙苯:水蒸汽=1:2.6(质量))，混合后在630℃入床，离床时降到565℃。在此，水蒸汽的作用是：①可以带入大量的显热；②起稀释作用，使反应的平衡向有利于生成苯乙烯的方向移动，提高单程转化率；③使催化剂可能产生的结炭随时得到清除，从而保持反应器长期连续运转。除单层绝热床外，工业上还有用多段的，近代的大型合成氨反应器采用的是中间冷激的多段绝热床。总之，不论是吸热或放热的反应，绝热床的应用相当广泛。特别对大型的，高温的或高压的反应器，希望结构简单，同样大小的装置内能容纳尽可能多的催化剂以增加生产能力(少加换热空间)，而绝热床正好能符合这种要求。不过绝热床的温度变化总是比较大的，而温度对反应结果的影响也是举足轻重的，因此如何取舍，要综合分析并根据实际情况来决定。此外还应注意到绝热床的高／径比不宜过大，床层填充务必均匀，并注意气流的预分布，以保证气流在床层内的均匀分布。2.换热式反应器换热式反应器以列管式为多。通常是在管内放催化剂，管间走热载体(在用高压水或用高压蒸汽作热载体时，则把催化剂放在管间，而使管内走高压流体)。①管径：一般为25～50mm的管子，但不小于25mm。②催化剂粒径：应小于管径的8倍，通常固定床用的粒径约为2～6mm，不小于1.5mm。③传热所用的热载体：沸水可以用于100℃～300℃的温度范围。联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分能用于200～350℃的范围。无机熔盐(硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物)可用于300～400℃的情况。对于600～700℃左右的高温反应，只能用烟道气作为热载体。列管式反应器优点：①传热较好，管内温度较易控制；②返混小、选择性较高；③只要增加管数，便可有把握地进行放大；④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。3.自热式反应器反应前后的物料在床层中自己进行换热称作自热式反应器。图6.1-3自热式反应器示意图7.2固定床中的传递过程一、床层空隙率表征床层结构的主要参数为床层空隙率，床层空隙率的大小与颗粒形状、粒度分布、颗粒直径与床直径之比以及颗粒的充填方法等有关。固定床中同一横截面上的空隙率是不均匀的，对于粒度均一的颗粒所构成的床层，在