气固相催化反应固定床反应器PPT演示课件

1,气固相催化反应固定床反应器,工业反应过程涉及的基本问题反应器内存在物质：反应介质、催化剂、以及内部构件等传递过程：总体流动、粒内传递和化学反应温度、浓度分布，气相压降，转化率及催化剂用量反应器性能（能力、效率、参数敏感性等）上述因素的综合，是无数个催化剂个体与反应器内物料流动和传递过程的综合，详细描述需要建立相关的数学模型,2,6.1气固相催化反应器的基本类型,按催化剂流动状态分：固定床、流化床按移热（供热）方式分：绝热式、连续换热式和多段换热式（原料气冷激和非原料气冷激）按反应器结构分：单段绝热式、多段绝热式、列管式和自热式,6.2催化反应器的数学模型,（一）反应器设计基本类型设计型新反应器设计校核型给定反应器，校核是否满足生产质量或生产能力的要求,3,反应器设计内容化工设计：1）工艺操作条件；2）设备选型；3）催化床及换热器的工艺尺寸机械设计：1）机械结构设计；2）强度校核,反应器设计基本条件基础数据：1）热力学数据（如平衡常数、热效应等）；2）基本物性数据（Cp、DAB等）动力学数据：1）本征动力学；2）宏观动力学；3）颗粒参数；4）传递参数,（二）反应器设计基本原则,4,反应器设计基本原则1、设计基础点：根据工艺条件和工程实际，用反应工程观点确定最佳工艺操作条件2、催化床类型和结构要适宜：涉及制造、检修和催化剂装卸等3、反应器内件设置要合理：床层结构、内管布置、流体分布、测温测压元件布置等4、机械结构要可靠：如高温高压下的机械强度和温差应力等,5,（三）反应器设计数学模型,均相反应器设计：PFR和CSTR（一维）,非均相反应器数学模型分类根据动力学分：拟均相、非均相根据考虑的空间维数分：一维模型和二维模型,拟均相：反应属于化学动力学控制，催化剂颗粒表面、内部、外部浓度均一，传递阻力可忽略，计算过程与均相一样，称为“拟均相”模型不单独考虑催化剂的存在，仅计及一个反应源项即可。,6,非均相：反应属于扩散和化学动力学共同控制时，则催化剂颗粒表面、内部、外部浓度不均一，传递阻力或传递与动力学阻力不可忽略，应计及催化剂的存在和计算宏观反应速率，称为“非均相”模型。一般工业上的外扩散阻力可略而不计。,一维模型：只考虑反应器中沿气流方向上的浓度梯度和温度梯度（即传递和反应效应）。,二维模型：除考虑反应器中沿气流方向上的浓度差和温度差外，还考虑垂直于气流方向上的浓度梯度和温度梯度的反应器数学模型。,7,总之，气-固催化反应器设计应考虑：动力学、流动过程、传递过程和动量过程,8,6.3流体在固定床内的流动特性,气体自上而下流过床层催化剂床层内的流动是通过颗粒之间的空隙进行的，易达到湍流，但与圆管内的流动状况不完全相同基本单元：装有固体颗粒的均匀直圆管,9,（一）床层空隙率B,定义：单位体积催化剂床层内的空隙体积（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,10,边壁效应（沿壁效应）：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,11,（二）颗粒定型尺寸,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。方法有三，体积、外表面积、比表面积等体积当量直径：(非球形颗粒折合成同体积的球形颗粒应当具有的直径）,12,等外表面积当量直径：(非球形颗粒折合成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）,等比表面积当量直径：(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）,混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子直径的加权平均）,13,（三）流体通过床层的压力降,气体流动通过催化剂床层的压力降通常采用厄根(Ergun)方程计算：,14,可用来计算床层压力分布；如果压降不大，在床层各处物性变化不大，可视为常数，压降将呈线性分布（大多数情况）推导过程,15,16,17,床层压降计算实例，例61：在内径为50mm的管内装有4m高的催化剂层，催化剂的粒度分布如下表所示。催化剂为球体，空隙率B0.44。在反应条件下的气体密度g=2.46kg/m3，粘度g=2.310-5kg/(ms)，气体的质量流速G=6.2kg/(m2s)。求床层压降。,18,19,（四）固定床内径向传递,（A）径向传热过程：包含两个串联传热过程（近似）：床层内传热和器壁与层流边界层之间的传热型式：流体之间的对流、导热和辐射；颗粒之间的热传导、辐射和颗粒内以及颗粒接触面处的热传导等简化：床层视为均一，传热情况以傅立叶定律描述（er）；床层外沿与器壁间的传热以牛顿冷却定律描述（hw）（A）径向传质与修正彼克列准数Per=dPum/Er有关,20,6.4固定床催化反应器的设计,绝热型换热型,21,22,23,重点：一维模型（拟均相）,（一）一维拟均相理想模型（PFR）过程：基本假定：流体在反应器内径向温度、浓度均一，但沿轴向变化同一横截面上的浓度、温度相同流体在催化剂床层中的轴向流动呈平推流模型需要方程：物料衡算；热量衡算；动量衡算,24,（A）动量衡算方程（Ergun方程）,（B）物料衡算方程,右图：对关键组分A进行物料衡算,Fin-Fout=Fr+FbFin=FAFout=FA+dFAFr=(-RA)(1-B)dVR=(-RA)(1-B)AtdlFb=0（定常态下）,25,代入衡算式得：dFA=(-RA)(1-B)Atdl而FAFA0(1-xA)；dFA=FA0dxAAtum0cA0um0cA0dxA=(-RA)(1-B)dl微分式：Note:0-表示反应器入口。（RA）以催化剂体积记若（RA）以催化剂质量记，则微分式为,对照平推流反应器模型两者相同,26,（C）热量衡算方程,输入热量输出热量+反应热效应=与外界的热交换+积累输入：GCpTG质量流量,Cp恒压热容输出：GCp(T+dT)反应热效应：(-RA)(1-B)(-H)Atdl热交换：h0(T-Tr)dtdldt反应器直径积累：0h0:气流与冷却介质之间的换热系数，Tr：环境温度,将各式代入得:,边界条件：p=p0,xA=0,T=T0atL=0,27,（D）一维拟均相理想流动固定床反应器模型,质量方程：,热量方程：,动量方程：,边界条件：p=p0,xA=0,T=T0atL=0,28,（二）等温反应器设计,场合：热效应不大、细管、控温良好。也可作为非等温反应器近似估算特点：温度恒定dT/dl=0&k=const.,则动量方程化为：,由质量方程,得床层高度,29,热量方程的应用（冷却/加热介质温度控制Tw）等温操作时dT/dl=0，则由热量微分方程,得,含义：为实现等温操作，必须连续不断地沿床层调整冷却/加热介质的温度。等温操作难以实现。,30,（三）单段绝热床的计算,在前述基础设计方程中，令Qu=Qb=0，得,质量方程：,热量方程：,动量方程：,边界条件：p=p0,xA=0,T=T0atL=0,31,解为：,已知(-RA)kf(cA0,xA)。联立可求得床层内温度、浓度和压力分布，以及床层高度,32,（四）多段绝热床的计算,吸热反应,简单放热反应,可逆放热反应：Tm线，优化达催化剂装量最少,33,可逆放热反应：Tm线，优化达催化剂装量最少,34,三段变换工艺流程,35,SO2催化氧化反应器优化设计(SO21/2O2=SO3),36,优化设计宗旨：在完成一定生产任务的条件下，使用的催化剂最少二氧化硫氧化反应特点：气固相催化反应，用于硫酸生产，可逆，强放热，绝大多数生产过程采用多段绝热操作已知条件：第一段入口和最后一段出口转化率；第一段入口反应物浓度，各物性参数；段与段间采用间接冷却可以改变的参数：各段的入口温度；段与段之间的转化率以四段为例间壁换热为例,37,常见操作类型,催化剂用量为：基于拟均相平推流模型,基于某一动力学方程，适当选取各段的入口温度；段与段之间的转化率共7个（N段为2N1个）参数，使W最小,38,X1in,T1in,X1out,T2in,X2out,T3in,X3out,T4in,X4out,第一段,第二段,第三段,第四段,39,斜线为段内操作线，斜率为1/。水平线表示段间为间接冷却，只是温度降低，转化率不变。,在TX图上看：,40,调用最优化程序，就可以求得W最小值？可以，但很困难。进一步数学处理：在任意一段内，当Xin及Xout确定之后，应选取适当的进口温度Tin，使催化剂量最小。,41,在任意相邻两段间：,42,汇总：,43,七个方程，七个未知数，可能是唯一解。讨论：从TX图上看：,44,6.5固定床反应器模型评述,6.5.1拟均相模型（一）一维理想模型（二）带有轴向返混的一维模型在拟均相平推流模型上迭加一个轴向返混，与“非理想流动”中介绍的返混模型相同，但增加热扩散的考虑,45,讨论1轴向扩散的引入，可以导致温度、浓度分布趋于平缓。2许多不确定因素可以归结到轴向扩散中3轴向扩散可能会造成多重态4轴向扩散系数与轴向导热系数有一定的函数关系5经验证明，当床层厚度大于50倍颗粒直径时，轴向热质扩散（轴向返混）对出口转化率所造成的影响可以忽略不计6轴向扩散系数和轴向导热系数都不是物性参数。其中都包含了流体和固体颗粒双重的贡献7轴向扩散系数和轴向导热系数需通过实验求取或参考文献值及通过经验公式求取,46,（三）二维拟均相模型,二维：轴向和径向对径向存在较大温差和浓度差的反应器，一维模型有时不能满足要求，需考虑径向的温度浓度分布。与一维模型相比，考虑的因素更多，得到的结果更复杂，各有优缺点。,模型假定：1反应在圆管式反应器中进行。2流体在催化剂管内为非理想流动，存在着轴、径向的质量和热量扩散。3流固相之间没有温度、浓度差。4扩散遵循Fick扩散定律。,47,6.5.2非均相模型,考虑到流体与催化剂颗粒之间有较大的温度差和浓度差，流固相不能当成一个虚拟的均相处理，派生出了非均相模型。如果再考虑到颗粒内部的温度与浓度梯度，又会产生考虑到粒内温度浓度梯度的模型。,48,49,50,51,6.5.3模型评述,考虑的因素越多，模型越复杂，模型参数就越多，模型参数的可靠性就越重要。并非模型越复杂越好。模型复杂增加了实验、计算工作量，增加了出