化学反应工程 教学课件 作者 刘军 主编第六章 非均相反应器上课件.pptx

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1、第六章非均相反应器（上）化学反应工程流化床反应器6.2流化床反应器6.3固定床反应器6.1第六章非均相反应器其他非均相反应器简介6.46.1固定床反应器12固定床反应器的特点固定床反应器的类型34固定床反应器内的流体流动固定床反应器中的传质与传热5固定床反应器的工艺计算6.1.1固定床反应器的特点固定床反应器无论塔式还是管式均垂直设置，气体由顶部进入，流动方向与重力方向一致，这样可以防止气体冲动床层、造成催化剂分布不均匀和催化剂的磨损带出，同时有利于反应器中可能形成的液态物质的排除。图6-1固定床反应器6.1.2固定床反应器的类

2、型6.1.2.1绝热式固定床反应器(1)单段绝热式反应器单段绝热式反应器是在一个中空圆筒的底部放置搁板(支承板)，在搁板上堆积固体催化剂。图6-2绝热式固定床反应器1-矿渣棉2-瓷环3-催化剂6.1.2固定床反应器的类型(2)多段绝热式反应器多段绝热床中，反应气体通过第一段绝热床反应至一定的温度和转化率而离可逆放热单一反应平衡温度曲线不太远时，将反应气体冷却至远离平衡温度曲线的状态再进行下一段的绝热反应。图6-3多段固定床绝热反应器6.1.2固定床反应器的类型6.1.2.2换热式固定床反应器(1)对外换热式固定床反应器以各种载热

3、体为换热介质的对外换热式反应器多为列管式结构，如图6-4所示，类似于列管式换热器。图6-4列管式固定床反应器6.1.2固定床反应器的类型(2)自热式固定床反应器以原料气为换热介质，利用反应后的高温气体预热原料，使其达到反应温度，本身得到冷却，这种反应器称为自热式固定床催化反应器，有的氨合成塔和甲醇合成塔属于这种类型。图6-5氨合成塔催化床层结构示意图6.1.2固定床反应器的类型自热式反应器在开车时需要外部热源，而且由于大量换热管的存在，减少了催化剂的装载量，影响到反应器的生产能力，因此近年来的大型装置采用中间冷激的多段绝热床，其

4、结构与气体的流向，如图6-6所示。图6-6多段冷激式大型合成氨反应器一例6.1.2固定床反应器的类型气流不是沿轴向而是沿径向通过催化剂床层，这种流程可以解决床层过高、走轴向压力降过大的问题，该合成塔床层阻力小、可以采用大气量、小颗粒催化剂，利于减小内外扩散的阻力，强化传质，因此特别适用于大中型生产规模的场合。图6-7径向反应塔示意图6.1.3固定床反应器内的流体流动6.1.3.1固定床反应器的床层特点1.催化剂颗粒的直径和形状系数（1）体积相当直径dV体积相当直径是以颗粒（非球型颗粒）体积相等的球体的直径表示的颗粒直径。由可以导

5、出（6-1）6.1.3固定床反应器内的流体流动（2）外表面积相当直径外表面积相当直径是以与颗粒的外表面积相等的球体的直径表示的颗粒直径，在固定床传热及传质研究中常用这种直径。由A=可以导出(6-2)6.1.3固定床反应器内的流体流动（3）比表面积相当于直径d比表面积相当于直径是以与颗粒的比表面积相等的球体的直径表示的颗粒直径，计算固定床压力降时常用这种直径。这里的比表面积是指单位体积颗粒所具有的外表面积，以S表示则（6-3）6.1.3固定床反应器内的流体流动（4）平均直径当颗粒的形状不规则、大小也不均匀的时应采用平均直径。a.统

6、计平均直径（6-4）b.调和平均直径（6-5）留在某一号筛上的颗粒直径为（6-6）6.1.3固定床反应器内的流体流动（5）形状系数催化剂颗粒的形状系数定义为：球形颗粒的外表面积与体积相同的非球形颗粒的外表面积之比，即（6-7）6.1.3固定床反应器内的流体流动2.床层空隙率空隙率是催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比，可用式(6-8)进行计算。(6-8)6.1.3固定床反应器内的流体流动图6-8固定床中的径向流速分布6.1.3.2固定床反应器内的流体流动特性固定床反应器内的流体流动直接影响床层的压力降和传递过程，并最终影响

7、反应结果。6.1.3固定床反应器内的流体流动6.1.3.3流体流过固定床层的压力降固定床的压力降可表示为(6-9)经实验测定，修正摩擦系数fM与修正雷诺数ReM的关系可表示为(6-10)而修正雷诺数(6-11)6.1.3固定床反应器内的流体流动当ReM<10时，流体处于滞流状态，式(6-10)中150/ReM>>1.75，即式(6-9)可简化为(6-12)当ReM>1000时，流体处于湍流状态，式(6-l0)中150/ReM<<1．75，即式(6-9)可简化为(6-13)6.1.3固定床反应器内的流体流动例6-1以一筛分为3．3

8、～4．7mm的不均匀颗粒作固定床压力降试验，床层高度为L=1m，空隙率ε=0．38，壁效应忽略不计，在测试条件下ReM>1000，测得的床层压力降△p1=2．3×102kPa。现在同一固定床中，改填与33～4．7mm不均匀颗粒材料相同的φ4mm球形颗粒，空隙率0