多相反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析

固定床反應(yīng)器催化劑處于靜止?fàn)顟B(tài)滴流床反應(yīng)器催化劑處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)流化床反應(yīng)器移動(dòng)床反應(yīng)器漿態(tài)床反應(yīng)器6.1固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象

6.2固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型

6.3絕熱式固定床反應(yīng)器

6.4換熱式固定床反應(yīng)器

6.5流化床反應(yīng)器

6.1

固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象

除催化劑顆粒內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱過(guò)程外，床層整體還存在：床層內(nèi)的軸向、徑向的質(zhì)量擴(kuò)散和熱量擴(kuò)散等。1、固定床內(nèi)的流體流動(dòng)固定床中同一橫截面上的孔隙率不均勻，導(dǎo)致流動(dòng)不均勻?？紫堵视绊懸蛩兀侯w粒形狀、粒度分布、顆粒直徑與床層直徑之比、顆粒的裝填方法等。

鮑爾環(huán)球與器壁距離為1~2倍顆粒直徑處，孔隙率最大——壁效應(yīng)固定床孔隙率的徑向分布

固定床流體流速的徑向分布

固定床內(nèi)徑向速度分布不同于空管。從床層中心開(kāi)始，隨著徑向位置的增大，流速增加，在離器壁的距離等于1~2倍顆粒直徑處，流速最大，然后隨徑向位置增大而降低至壁面處為0.

流體流過(guò)固定床時(shí)所產(chǎn)生的壓力損失：

顆粒的粘滯曳力孔隙變化流體與顆粒的碰撞流體的再分布

層流時(shí)占主體高流速及薄床層中流動(dòng)時(shí)占主體空管內(nèi)流體壓降范寧公式修正后得固定床壓降其中床層高度按空床計(jì)算的平均流速

床層孔隙率等外比表面積的球體直徑摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)當(dāng)Re<10時(shí)，流體在床層中呈層流，f=150/Re

當(dāng)Re>1000時(shí)，流體在床層中呈湍流，f=1.75

減小床層壓降：（1）采用粒度較大的顆粒；（2）降低流速注意：計(jì)算壓降一般是對(duì)新催化劑的預(yù)期壓降，而使用過(guò)程中催化劑破損和粉化導(dǎo)致的阻力增加，故動(dòng)能消耗估算和壓縮機(jī)選型時(shí)應(yīng)留有足夠的余量。導(dǎo)致傳質(zhì)面積下降導(dǎo)致傳遞效果變差2、質(zhì)量和熱量的軸向擴(kuò)散（1）軸向擴(kuò)散模型軸向混合效應(yīng)引起軸向返混。均相流軸向擴(kuò)散對(duì)流傳遞速率擴(kuò)散傳遞速率固定床反應(yīng)器軸向質(zhì)擴(kuò)散的彼克列數(shù)軸向熱擴(kuò)散的彼克列數(shù)氣體液體固定床內(nèi)流體的軸向混合情況可用N個(gè)等體積的全混釜串聯(lián)描述N越大，越接近于活塞流

N>50，傳質(zhì)活塞流

N>150，傳熱活塞流（2）多釜串聯(lián)模型氣固反應(yīng)器：固定床高度顆粒直徑（實(shí)驗(yàn)室則難以滿(mǎn)足該條件）3、徑向傳質(zhì)和傳熱床層徑向溫度分布圖固定床內(nèi)進(jìn)行鄰二甲苯氧化反應(yīng)固定床徑向傳熱熱阻床層本身顆粒接觸面處的傳導(dǎo)相鄰顆粒周?chē)倪吔鐚拥膫鲗?dǎo)顆粒間的輻射顆粒內(nèi)的傳導(dǎo)流動(dòng)對(duì)傳熱的貢獻(xiàn)徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)

床層外沿與床層容器內(nèi)壁間的傳熱壁膜傳熱系數(shù)

徑向傳熱徑向傳質(zhì)徑向擴(kuò)散系數(shù)存在的原因：向上或向下運(yùn)動(dòng)的流體撞擊到固體顆粒時(shí)產(chǎn)生再分散和為了躲開(kāi)固體顆粒而改變流向所致

若用N個(gè)全混釜串聯(lián)模擬固定床反應(yīng)器徑向混合時(shí)

固定床的直徑N大于1，故徑向濃度不可能達(dá)到均勻;N減小可接近全混流，濃度趨于均一，但容易發(fā)生流體的短路。避免徑向濃度分布不均很難做到。6.1固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象

6.2固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型

6.3絕熱式固定床反應(yīng)器

6.4換熱式固定床反應(yīng)器

6.5流化床反應(yīng)器

6.2固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象：相內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱；催化劑顆粒內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱；固定床內(nèi)軸向的傳遞現(xiàn)象；固定床內(nèi)徑向的傳遞現(xiàn)象非線(xiàn)性偏微分方程

合理簡(jiǎn)化

固定床的非均相數(shù)學(xué)模型：活塞流模型（一維）；有軸向返混的一維模型；有徑向濃度分布和溫度分布的二維模型。衡算方程：物料衡算：熱量衡算：邊界條件的形式一定程度上決定了求解的難易程度。動(dòng)量衡算：邊界條件：需具備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)（實(shí)驗(yàn)測(cè)定）；熱力學(xué)數(shù)據(jù)（手冊(cè)或文獻(xiàn)可獲得）：如反應(yīng)熱、比熱容、化學(xué)平衡常數(shù)等

傳遞速率數(shù)據(jù)：流體的傳遞性質(zhì)：粘度、擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等催化劑的宏觀(guān)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：如孔分布、顆粒密度、堆密度、比表面積等6.1固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象

6.2固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型

6.3絕熱式固定床反應(yīng)器

6.4換熱式固定床反應(yīng)器

6.5流化床反應(yīng)器

6.3絕熱式固定床反應(yīng)器反應(yīng)過(guò)程中催化劑床與外界沒(méi)有熱量交換的固定床反應(yīng)器，叫做絕熱式固定床反應(yīng)器。單段多段反應(yīng)物料在絕熱情況下只反應(yīng)一次。優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低；缺點(diǎn)：不適用于熱效應(yīng)大的反應(yīng)。多次在絕熱條件下進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)一次后經(jīng)過(guò)換熱以滿(mǎn)足所需的溫度條件，再進(jìn)行下一次絕熱反應(yīng)。原料產(chǎn)品催化劑床層換熱器間接換熱式多段固定床絕熱反應(yīng)器IIIIII原料催化劑床層原料氣冷激式（直接換熱式）多段固定床絕熱反應(yīng)器IIIIIIIV原料非原料氣冷激式多段固定床絕熱反應(yīng)器IIIIIIIV產(chǎn)品冷激劑相比較而言：（1）間接換熱式多了換熱器，流程相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備投資大；但有利于熱量回收；限制條件少；催化劑用量少。（2）冷激式流程簡(jiǎn)單，但催化劑用量多；非原料氣冷激受限于是否有合適的冷激劑；原料冷激式受限于原料溫度及反應(yīng)溫度范圍。6.1固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象

6.2固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型

6.3絕熱式固定床反應(yīng)器

6.4換熱式固定床反應(yīng)器

6.5流化床反應(yīng)器

6.4換熱式固定床反應(yīng)器特點(diǎn)：催化劑床層進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，床層還通過(guò)器壁與外界進(jìn)行熱交換。原料產(chǎn)品冷卻劑（1）合理選擇載熱體是關(guān)鍵；原料產(chǎn)品冷卻劑（2）反應(yīng)管直徑較小，多為20~30mm；（3）床層軸向溫度分布較均勻；適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)；便于放大；（4）催化劑磨損小，但裝卸不方便。說(shuō)明：溫度影響溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響極為敏感，反應(yīng)溫度的控制是反應(yīng)器操作中最重要的一環(huán)?？赡嫖鼰岱磻?yīng)和不可逆的吸熱和放熱反應(yīng)，高溫操作有利。（1）熱點(diǎn)床層內(nèi)存在溫度最高點(diǎn)，稱(chēng)為熱點(diǎn)溫度。冷點(diǎn)：進(jìn)行吸熱反應(yīng)時(shí)存在的最低溫度點(diǎn)。熱點(diǎn)的位置及其溫度的高低是反應(yīng)器操作的一個(gè)極為重要的依據(jù)，只要熱點(diǎn)溫度不超過(guò)允許溫度，床層其他部位也絕不會(huì)超溫。（2）飛溫現(xiàn)象反應(yīng)器內(nèi)操作參數(shù)有小擾動(dòng)，反應(yīng)器的局部或整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)溫度便會(huì)大幅度上升的現(xiàn)象。進(jìn)料溫度對(duì)床層軸向溫度分布的影響進(jìn)料溫度提高1K，床層操作會(huì)出現(xiàn)飛溫失控現(xiàn)象。因此參數(shù)敏感性問(wèn)題包括操作變量、反應(yīng)混合物的性質(zhì)以及反應(yīng)器的傳熱能力對(duì)熱點(diǎn)溫度的影響程度。6.1固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象

6.2固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型

6.3絕熱式固定床反應(yīng)器

6.4換熱式固定床反應(yīng)器

6.5流化床反應(yīng)器

6.5流化床反應(yīng)器流體流過(guò)顆粒物料層時(shí)流速與壓力降的關(guān)系

固定床流化床臨界流化點(diǎn)最小流化速度一、流化床反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)（相比固定床）：優(yōu)點(diǎn)：1、流體和顆粒的運(yùn)動(dòng)使床層具有良好的傳熱性能；傳熱系數(shù)可達(dá)400-1600W/m2.K，徑向、軸向溫度分布都十分均勻，可實(shí)現(xiàn)等溫操作。

2、比較容易實(shí)現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；物料具有流動(dòng)性流化床中固體顆粒具有像流體一樣的流動(dòng)性質(zhì)，故稱(chēng)為流態(tài)化，或擬流體。缺點(diǎn)：1、磨損和氣體帶走造成催化劑損失，需不斷向反應(yīng)器中補(bǔ)充催化劑；2、返混嚴(yán)重；3、氣體以氣泡形式通過(guò)床層造成氣固接觸不良；3、可以使用粒度很小的固體物料或催化劑；消除內(nèi)擴(kuò)散阻力，充分發(fā)揮催化劑效能，抑制串聯(lián)副反應(yīng)。4、壓降不隨氣速變化。1、最小流化速度層流時(shí)

二、氣固流態(tài)化特性床層顆粒開(kāi)始流化時(shí)的床層高度；

床層顆粒開(kāi)始流化時(shí)的孔隙率；

固體的密度流體的密度；

已知?dú)怏w和固體的物理性質(zhì)即可求出最小流化速度2、流化床的壓力降湍流時(shí)，忽略慣性力

弗魯特?cái)?shù)<1，均勻流化>1，不均勻流化或聚式流化3、固體顆粒分散的均勻程度理想流化床（1）有明顯的臨界流化態(tài)點(diǎn)和臨界流化態(tài)速度；三、理想流化床與實(shí)際流化床（3）有平穩(wěn)的流態(tài)化界面；（4）流化態(tài)床層的空隙率在任何流速下都有一個(gè)具代表性的平均值，且不隨床層位置而變化。（2）流化床層的壓降恒定；實(shí)際流化床：氣速超過(guò)臨界流化速度，床層中就會(huì)出現(xiàn)氣泡，在床層中形成兩個(gè)空隙率不同的相，含顆粒較少的氣泡相和含顆粒較多的乳化相。

四、流化床中的氣泡1、氣泡特點(diǎn)：氣泡相和乳化相之間沒(méi)有連續(xù)的分界面，與氣液系統(tǒng)中的氣泡不同。2、氣泡的作用：（1）是床層運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，加劇氣-固兩相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；（2）造成床層內(nèi)顆粒的劇烈攪拌，使流化床具有較高的傳熱速率，床層內(nèi)溫度較均一；（3）參與傳質(zhì)，使反應(yīng)物從氣泡相進(jìn)入乳化相，產(chǎn)物從乳化相進(jìn)入氣泡相；（4）降低流化床氣固接觸效率；（5）上升到床層表面破碎時(shí)，將大量固體顆粒拋向床層上方，造成顆粒損失。3、溝流和騰涌（1）溝流：顆粒床層中出現(xiàn)通道，大量氣體短路通過(guò)床層，使得床層其余部分仍處于固定床狀態(tài)（死床）。原因：分布板設(shè)計(jì)不當(dāng)、顆粒細(xì)而密度大且形狀不規(guī)則；顆粒有黏附性；顆粒濕度大。（2）氣泡直徑增大至接近床層直徑時(shí)，氣泡將其上部的固體顆粒托舉上升，當(dāng)氣泡破裂時(shí)，顆粒突然下落，造成床體劇烈振動(dòng)，影響氣固接觸，增大顆粒和設(shè)備的磨損。原因：