反应工程课件第七章课件

1、第七章第七章 多相催化反应器的设计与分析多相催化反应器的设计与分析本章内容：本章内容： 固定床反应器的分类固定床反应器的分类 固定床内的传递现象固定床内的传递现象 固定床反应器的数学模型固定床反应器的数学模型 绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器 换热式固定床反应器换热式固定床反应器 自热式固定床反应器自热式固定床反应器 参数敏感性参数敏感性3固定床反应器的分类固定床反应器的分类绝热反应器绝热反应器换热反应器换热反应器自热式自热式径向反应塔径向反应塔列管式固定床反应器列管式固定床反应器单段绝热反应器单段绝热反应器多段绝热反应器多段绝热反应器段内绝热，段间换热段内绝热，段间换热换热式固定床反应器

2、换热式固定床反应器生产能力反应器 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8 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

3、温差应力等 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固定床内的传递现象固定床内的传递现象 =颗粒间空隙体积颗粒间空隙体积床层体积床层体积1. 固定床内的流体流动固定床内的流体流动影响影响因素因素颗粒形状 粒度分布 颗粒与床层直径比 颗粒的装填方式固定床内的传递现象固定床内的传递现象1. 固定床内的流体流动固定床内的流体流动小结：小结： 真实床层径向空隙率分布真实床层径向空隙率分布是不均匀的，在距壁面约是不均匀的，在距壁面约12倍粒径处，空隙率最大。倍粒径处，空隙率最大。壁效应壁效应 床层直

4、径与颗粒直径之比床层直径与颗粒直径之比越大，空隙率分布越均匀。越大，空隙率分布越均匀。 由于空隙率分布不均匀。由于空隙率分布不均匀。造成径向流速分布不同于空造成径向流速分布不同于空管。管。 为了消除壁效应，一般，为了消除壁效应，一般，管径与粒径之比应大于管径与粒径之比应大于8。固定床内的传递现象固定床内的传递现象1. 固定床内的流体流动固定床内的流体流动压力降计算公式压力降计算公式2031rsL upfd 75. 1150eRf110udRseu0、ppsaVd6流动阻力流动阻力颗粒的粘滞曳力颗粒的粘滞曳力局部阻力局部阻力回顾：空管中流动阻力回顾：空管中流动阻力13在内径为50mm的管内装有4

5、m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。1901)44. 01 (103 . 22 . 61096. 3)1 ( 2 96. 390. 615. 060. 425. 040. 360. 0 15311BgsemiisGdRmmdxd）计算修正雷诺准数（）求颗粒的平均直径解：（14PaLdGRLduRpgsBBemsmgBBem5323232310898. 1 446. 2)1096. 3(2 . 644. 044. 017

6、5. 11901150 175. 1150 175. 1150- 3 ）计算床层压降（固定床内的传递现象固定床内的传递现象2. 质量和热量的轴向扩散质量和热量的轴向扩散apmeaDudPeappheacudP2 气体气体0.31 液体液体0.6 areDuLP 回顾回顾10udRpe固定床内的传递现象固定床内的传递现象2. 质量和热量的径向扩散质量和热量的径向扩散固定床反应器的径向温度分布固定床反应器的径向温度分布粒粒内内传传热热粒粒子子与与流流体体间间的的传传热热床床层层与与器器壁壁的的传传热热固定床的径向传热固定床的径向传热热阻大热阻大床层本身的导热床层本身的导热 + 床层与器壁的对流传热

7、床层与器壁的对流传热床层本身的导热热阻床层本身的导热热阻靠近内壁的层流边界层靠近内壁的层流边界层径向有效导热系数径向有效导热系数 er关联式很多关联式很多壁膜传热系数壁膜传热系数hw无满意关联式无满意关联式床层传热系数床层传热系数ht固定床内的传递现象固定床内的传递现象2. 质量和热量的径向扩散质量和热量的径向扩散径向传热包括径向传热包括 ht的关联式的关联式tpefttddRdh6exp26. 195. 0tpefttddRdh6exp03. 28 . 0球形颗粒球形颗粒圆柱形颗粒圆柱形颗粒2. 质量和热量的径向扩散质量和热量的径向扩散固定床内的传递现象固定床内的传递现象 径向传质径向传质r

8、prerDudP513多数多数10固定床内的传递现象固定床内的传递现象 轴向：轴向： 等温时，若用等温时，若用N N个等体积的全混釜来描述固定床内气个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动状况，则体的流动状况，则N N等于等于5050或更大。或更大。 对工业固定床反应器，大多数对工业固定床反应器，大多数L Lr r/d/dp p值远大于值远大于5050，故可，故可采用活塞流模型表示等温固定床内气体的流动状况。采用活塞流模型表示等温固定床内气体的流动状况。 非等温时，以非等温时，以L Lr r/d/dp p值大于值大于150150作为准则较稳妥。作为准则较稳妥。prdLN 轴向扩散：ptddN5

9、 径向扩散： 径向：径向： 若用若用N N个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动状况，则状况，则N N不可能为不可能为1 1，即径向浓度梯度总是存在。，即径向浓度梯度总是存在。 减小减小dt/dpdt/dp，则径向浓度梯度降低，但当，则径向浓度梯度降低，但当dt/dp dt/dp 5 5，则床内流动极不均匀。（壁效应严重，且流体易短路）则床内流动极不均匀。（壁效应严重，且流体易短路）小结小结固定床反应器的数学模型固定床反应器的数学模型平推流的一维模型平推流的一维模型有轴向返混的一维模型有轴向返混的一维模型有径向混合和径向温差的二维模型有径向混合和径向温

10、差的二维模型拟均相模型拟均相模型1.1.概述概述非均相模型非均相模型一维模型一维模型二维模型二维模型非均相：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。)(4)(0ctrAbptTTdUHdZdTGC)(00AbAAAdZdXMGw2. 活塞流模

11、型活塞流模型32)1 (pdfGdZdp00 , , 0 , 0PPTTXZA物料衡算物料衡算热量衡算热量衡算动量衡算动量衡算初始条件初始条件固定床反应器的数学模型固定床反应器的数学模型与一维拟均相不同3. 轴向扩散模型轴向扩散模型0)(0022AbAAadZdcudZcdD0)(4)(0022ctrAbptfeaTTdUHdZdTCudZTddZdTTTCueaptf)(00dZdcDCCuZAaAA)( , 0000 ,dZdTdZdcLZA固定床反应器的数学模型固定床反应器的数学模型需要的基础数据：反应动力学；热力学；传递TrAbptHdZdTGC)(0绝热式固定床反应器绝热式固定床反应

12、器)(00AbAAAdZdXMGwptATrAACMHwdXdT)(0ALAXXAAAAbArTXTXdXFV0),(),(00ptATrAACMHwXTT0)(00ALAXXAAAAbAArTXTXdXMGwL0),(),(001.1.单段单段产品原料TXA平衡曲线最佳温度线T=XA绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器2.2.多段多段NirirVVV1min,0)()()(2211ANANAAAAXXAAAXXAAAXXAAAbArTXdXTXdXTXdXFV目标函数目标函数催化剂用量最少催化剂用量最少* * *产品成本最低产品成本最低产量最大产量最大绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器2.

13、2.多段多段变量数：4N-2，减（N-1)，转化率和温度关系，减N=2N-1；进口温度及除第一段X，总数得，令： 0 ArXVNiTXTXiAiAiAiA, 3 , 2),() (,1,1,2 , 1, 0)(,AiAiXXAAAiNiTXdXT得，令： 0 irTV两式含义：两式含义：1. 为保证催化剂总用量最少，任何一段的出口转化速率应等于下一为保证催化剂总用量最少，任何一段的出口转化速率应等于下一段进口的转化速率段进口的转化速率2. 在规定的进、出口转化率下，存在一最佳的进口温度，使催化剂在规定的进、出口转化率下，存在一最佳的进口温度，使催化剂总用量最少总用量最少绝热式固定床反应器绝热式

14、固定床反应器2.2.多段多段换热式固定床反应器换热式固定床反应器换热式固定床反应器换热式固定床反应器)(00AbAAAdZdXMGw)()(4)(000AbptAtCAptArAACMdTTUwCMHwdXdT ALAXXAAAAbArTXTXdXFV0),(),(001. 催化剂用量催化剂用量)(4)(0ctrAbptTTdUHdZdTGCdZdXdXdTdZdTAA)(0rAbH)(4CtTTdU0dZdT热点热点XA最佳温最佳温度曲线度曲线平衡曲线平衡曲线绝热线绝热线2. 热点概念热点概念换热式固定床反应器换热式固定床反应器换热式固定床反应器换热式固定床反应器2. 热点概念热点概念自热式固定床反应器自热式固定床反应器流向流向单管逆流式单管逆流式单管并流式单管并流式双管及三管逆流双管及三管逆流式U管式管式1. 分类分类逆流并流单管逆流式单管逆流式单管并流式单管并流式逆流并流2. 设计方程设计方程自热式固定床反应器自热式固定床反应器)()()(000CCpcCptArAATTCGTTCGXHMGw反应放热 反应气升温的热量 原料气升温的热量)()(000TTXCMHwCGCGTTAptArApcCptCC)(00TTXTTACCATTCGATTCGHXFCCpcCptr