6气固相催化反应固定床反应器.ppt

第1、6章，气固催化固定床反应器，第2章，基本问题温度、浓度分布、气相压降、转化率和催化剂量固定床反应器选择原理什么反应需要固定床反应器？首选气固催化反应氨、硫酸、合成甲醇、环氧乙烷乙二醇、苯酐和炼油厂铂重整等非常常见。3，在固定床反应器中流体的传递特性，气体在催化粒子之间的空隙中流动，比管内流动更容易到达湍流。气体自上而下地流过床层。4，床空隙率B:单位体积床内的空隙体积(催化剂不占的体积，催化剂颗粒内的体积除外)。不考虑墙效应，均匀粒子填充的床层的空隙率与粒子大小无关。5，壁效应：壁附近的空隙率大于其他部分。要减少壁效应的影响，床直径必须至少为粒子直径的8倍。6，粒子的定型大小-最能代表粒子特性的大小是粒子的等效直径。对于非球体粒子，可以折叠为球体上的粒子，用等效直径表示。方法有三种，体积、外观面积、比表面积。体积： (非球体粒子合成相同体积的球体粒子的直径)外部面积： (非球体粒子合成相同外观区域的球体粒子必须具有的直径)，7，比表面积： (非球体粒子合成相同比表面积的球体粒子必须具有的直径)混合粒子的平均直径： (不同粒子大小的每个粒子直径的加权平均值)，8压降计算通常可用于使用外根(Ergun)方程：9计算床压力分布。如果压降不大，则整个床层的物理特性几乎不变，可以认为是常数，压降大部分是线性分布的。10，例6.1内径为50mm的管内装有4米高的催化剂层，催化剂的粒度分布见表。催化剂是球体，空位率B=0.44。反应条件下气体的密度g=2.46kg.m-3，粘度g=2.310-5kg.m-1s-1，气体的质量流速G=6.2kg.m-2s-1。求床层的压降。11，解决方法：求出粒子的平均直径。计算修改后的雷诺数。12，计算床层合板。13，固定床催化反应器设计，绝热传热类型，14，15，16，工作方式：绝热，传热2种；不同的工作方式，反应器的结构也不同。工作方式由反应的热效应和工作范围的广度、反应的经济效益等决定。隔热材料在反应器的设计、制造和操作方面比较简单。设计上，基本方程式是相同的。17，固定床反应器设计要求：1生产强度最大2气通床电阻小3层温度分布合理4工作可靠性，维修方便计算包括3个方案。1新反应器设计工艺尺寸2现有反应器，工艺指标3现有反应器检查，改进工艺指标，达到最大生产强度。18，建模，合理简化过程，使用数学公式进行说明，预测特定输入条件下系统输出的变化。可以根据不同的简化和假设为同一系统配置不同的模型。如果简化和假设不同，模型必须包含参数以修正模型和实际系统之间的差异。根据简化和假设，分为不同级别的模型。19，对于固定床反应器，通常有以下模型：一维拟统一流模型一维拟统一具有轴向反混合的模型二维非均质模型二维非均质模型粒子内部梯度的模型.20，1维：参数随轴位置的变化而变化。2d:参数会根据轴线和半径位置变更。准均匀相：被视为相同阶段的流体相和固体相结合。异质性：流体和固体考量。平分流：不考虑轴向掉头。具有轴向再婚的模型：基于平分流模型的轴向再婚重叠。，21，1维准均匀均衡流动模型，质量平衡从管反应器中垂直于流动方向获取微元素，用此微元素计算组a的料号尺度：dv，输入-输出=反应累积FAFA dFA(-RA)() Cp恒压热容量输出：Gcp(T dT)反应热效应：(-ra) (1- b) (- h) aidl热交换：U(T-Tr)didldi反应器直径积累： 3U不是物理参数，必须通过实验来确定。注意4 u0，u，um的关系。5如果多个管道并行进行，系统将自动控制每个管道的流量，以确保压降相同。此时，由于各管的加工能力不同，转化率不同，生产能力和产品质量下降。27，典型仿真结果，28，两个特殊情况：1等温：热效应不大，管道直径小，传热好，可以根据等温线粗略计算。等温、29，2绝热：对于隔热层，T=Tr或U=0。此时，物质平衡方程和热平衡方程相结合，就可以：:绝热温升，一定范围的物质性为常数时不随x和t变化。T-t0= (x-x0)温度与转化率形成一对一对应关系，其中温度可以替换为t=t0 (x-x0)。30，31，可逆放热反应绝热反应器优化(SO2 1/2 O2=SO3例)，32，二氧化硫氧化-硫酸生产，可逆，强放热，采用多段绝热作业的气固催化反应。优化目的：在完成特定生产工作的条件下，使用最低限度的催化剂。已知条件：第一段入口和最后一段出口转化率；入口反应物浓度，第一段各物理参数；段和段之间使用间接冷却。可变更的参数：每个区段的入口温度；段落和段落之间的转换率。33，4段如下所示：催化剂用量如下：(基于准均匀均衡流模型)基于动态方程，适当选择各段入口温度；段和段之间的转换率，使w最小，共7个(n段2n-1个)参数。34，x1in，t1in，x1out，t2in，x2out，t3in，x3out，t410，t410水平线表示段之间的间接冷却，仅温度降低，开关率保持不变。36，调用优化程序能得到w最小值吗？是的，但是很难。额外的数学处理：在任何一段中确定Xin和xout时，必须选择适当的进口温度Tin，以最小化催化剂量。37，在任意两个相邻段之间：38，summary:39，7方程，7个未知数，可能是唯一的解决方案。讨论：40，6-3(1)艺瑟在管反应器中进行的o-二甲苯催化氧化苯酐是一个强放热反应过程，催化剂为V2O5，以催化作用硅胶为载体。活动温度范围：610700K粒子大小：dP=3毫米累计密度：B=1300kg.m-3催化剂有效因子：=0.67催化剂比活动：LR=0.92反应器管长度：L=3m，44碳氢化合物在进入反应器前蒸发，与空气混合。为了保持在爆炸极限以上，调节o-二甲苯的摩尔分数低于1%。工作压力接近大气压：p=1267kPa。，42，原料气中o-二甲苯的初始摩尔分数：yA0=0.9空气的初始摩尔分数：yB0=99.1混合物的平均相对分子质量：M=30.14kg.kmol-1混合物的平均热容量：cP=1.071kJ.kg管热载体熔盐温度范围630650K。床对流换热系数hW=561kJ.m-2h-1K-1粒子的有效导热系数S=2.80kJ.m-1h-1K-1，45，从总传热系数方面优化反应器设计(多方案比较)；相反，reactor参数的灵敏度分析是可行的。也就是说，更改以下参数以考虑计算结果的变化：46，47，(3)计算方法设置入口温度等于管道壁温度，调用数值积分程序对以下两者进行数值积分：48，(4)计算结果根据计算结果绘制xA-l，T-l曲线，如图所示。根据设计要求更改各种参数以查看影响。49，固定床反应器模型探讨，1，具有轴向反向混合的一维模型非理想模型，在平分流模型说明不足时使用。修正轴向列、质量反向混合引起的与平分流模型的偏差。物理模型：与“非定常流动”中所述的反向混合模型相同，但在增加热扩散注意事项的准均匀二流模型中嵌套轴向反向混合。50，正常状态，dVR卷中a组的物料平衡计算：输入输出反应输入-输出=反应，l，dl，ca0，Fa0，xa0=0，因此，dVR的热平衡计算：52，反应：热：输入热=输出热清理：Z为轴有效导热，53，边值条件：二阶常微分方程组，两点边值问题。可调用解决方案，54，讨论：引入单轴扩散可以使温度，浓度分布平坦。2许多不确定性可以概括为轴向扩散。三轴扩散可能导致多种状态。4轴扩散系数与轴向导热系数具有一定的函数关系。经验证明，如果针状厚度超过粒子直径的50倍，轴向质量扩散(轴向反向混合)对出口转化率的影响可以忽略不计。55，6轴扩散系数和轴向导热系数都不是物理参数。还包括流体和固体粒子的双重贡献。7轴向扩散系数和轴向导热系数必须通过实验或参考文献值和经验公式得到。56，2，2维拟均匀模型，二维：轴和半径上存在较大的温度差，如果有浓度低的反应器，则一维模型有时不符合要求，需要考虑半径上的温度浓度分布。考虑的因素比一维模型多，结果更复杂，各有优缺点。57，模型假设：1反应在管反应器中进行。2流体是催化剂管内不理想的流动，存在轴向、径向质量和热扩散。3流固相之间没有温度、浓度差异。4扩散遵循Fick扩散规律。58，管反应器中微元素：59，正常条件下环微元素a的料号平衡计算：60，输入-输出=反应清理：61，热平衡计算：62，输入-输出=类似反应质量平衡计算，动量平衡计算方程与一维模型相同。63，边界条件：l=0，l=L，64，任意剖面中流体的平均温度浓度，65，与模型参数相关，模型参数是与模型紧密结合的模型的重要部分。模型参数包括轴的径向有效热系数和扩散系数，以及流体和管壁之间的传热系数。模型参数的获取与实验条件相关，具体应用时，选择最接近应用条件的文献值。，66，径向温度分布，67，异质模型，考虑流体和催化剂颗粒之间的大温差和浓度差，流体-固体相不能处理为一个虚拟均质，导出异种模型。考虑粒子