化学反应工程教案15(化工13)-胡江良

1、化学反应工程 课程教案课次15课时2课 型（请打）理论课 讨论课 实验课 习题课 其他授课题目（教学章、节或主题）：第6章 气固相催化反应固定床反应器6.1流体在固定床内的传递特性6.2固定床反应器的设计教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：1. 掌握流体在固定床内的流动特性； 2. 掌握固定床催化反应器的特点、类型和设计要求；教学重点及难点：重点：固定床催化反应器的特点、类型和设计要求。难点：一维拟均相理想流动模型对反应器进行设计计算。教 学 基 本 内 容方法及手段6.1流体在固定床内的传递特性固定床反应器型式很多，但大体上都可以看成是一些基本单元组合。所谓基本单元是指装填一定量的

2、固定颗粒的均匀直圆管。气体在催化剂颗粒之间的孔隙中流动，较在管内流动更容易达到湍流气体自上而下流过床层6.1.1流体在固定床内的流动特性床层空隙率B：单位床层体积内的空隙体积（没有被催化剂占据的体积，不含催化剂颗粒内的体积）P159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。壁效应： B不仅与颗粒尺寸及形状有关，还与床层直径有关。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倍以上颗粒的定型尺寸颗粒的定型尺寸是颗粒体系的重要参数，常用粒径来表示。对于球形颗粒，粒径自然是球的直径。对于其他形状颗粒，最能代表颗粒性质的尺寸为颗粒的当量直径。

3、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：体积当量直径(dv)、外表面积当量直径(da) 、比表面积当量直径(ds) 体积当量直径(dv) ：(非球形颗粒折合成同体积的球形颗粒应当具有的直径）Vs:颗粒体积外表面积当量直径(da) ： (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）比表面积当量直径(ds) ： (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）Wi是直径为di的粒子所占的质量分数 气体流动通过催化剂床层，将产生压降。 压降计算通常利用厄根（Ergun）方程：空塔气速: 指不考虑塔内装入的

4、物件，按空塔计算流体通过塔的平均流速，以流体的流量除以塔的总截面积而得到的数值。 可用来计算床层压力分布。如果流体流过床层时温度变化不大，压降相对较小，床层填充均匀，则方程解为：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）。例6.1 在内径为50mm的管内装有4m高的催化剂层，催化剂的粒径分布如表所示。催化剂为球体，空隙率B=0.44。在反应条件下气体的密度g=2.46kg.m-3，粘度g=2.3×10-5kg.m-1s-1，气体的质量流速G=6.2kg.m-2s-1。求床层的压降。解：求颗粒的平均直径。计算修正雷诺数。计算床层压降。6.2固定床催

5、化反应器的设计固定床催化反应器的特点及类型冷激(quench)：又称骤冷。在多层固定床绝热反应器中进行放热反应时，在催化剂层间注入冷的原料，与高温的反应物混合，以直接换热的方式降低反应物的温度，称为冷激。反应物通过一层催化剂产生一定的绝热温升后进入下一层前，冷的原料与该反应物充分混合(冷激)后再进入下一层催化剂进行反应，以降低进入下一层催化剂的入口温度。 操作方式：绝热、换热两种；操作方式的不同，反应器的结构就不同。操作方式由反应的热效应和操作范围的宽窄及反应的经济效益等决定。从反应器的设计、制造及操作考虑，绝热型比较简单。从设计上讲，基本方程是一样的。设计固定床反应器的要求1生产强度尽量大2

6、气体通过床层阻力小3床层温度分布合理4运行可靠，检修方便计算包括三种情况：1设计新反应器的工艺尺寸（设计）2对现有反应器，校核工艺指标（核算）3对现有反应器，改进工艺指标，达到最大生产强度（核算）。模型化1.对于一个过程，进行合理的简化，利用数学公式进行描述，在一定的输入条件下，预测体系输出的变化。2.对同一个体系，根据不同的简化和假定，可以构造不同的模型。3.不同的简化和假定，也决定了模型必然含有一些参数，以修正模型与实际体系的差异。根据不同的简化和假定，分为几种不同层次的模型。对于固定床反应器，一般有以下模型：1）、一维拟均相平推流模型2）、一维拟均相带有轴向返混的模型3）、二维拟均相模型

7、4）、二维非均相模型5）、二维非均相带有颗粒内梯度的模型1）、一维：参数只随轴向位置而变。2）、二维：参数随轴向和径向位置而变。3）拟均相：流动相和固定相结合，视为同一相。4）非均相：流动相和固定相分别考虑。5）平推流：不考虑轴向返混。6）带有轴向返混的模型：在平推流模型的基础上叠加了轴向返混。6.2.2一维拟均相平推流模型基本假定:P167流体在反应器中径向温度、浓度是均一的，仅沿轴向变化；流体与催化剂在任一与流动方向垂直的横截面处的温度、反应物浓度是相同的；流体在床层中的流动属平推流。这个模型对于管径较小、反应热效应不大，而且流体在床层中流速较快的系统是合适的。基本方程：物料衡算方程、热量

8、衡算方程、动量衡算方程质量衡算在管式反应器中垂直于流动方向取一个微元，以这个微元对A组份做物料衡算输入 输出 = 反应 积累FA FA+dFA (-RA)(1-B)Stdl 0dFA=-FA0dxA=-Stum0CA0dxA整理得： 热量衡算：（仍然是那块体积）输入热量输出热量+反应热效应=与外界的热交换+积累输入：G cp T G质量流量, cp恒压热容输出：G cp(T+dT)反应热效应：(-RA)(1-B)(-H) Stdl热交换：h0(T-Tw)dtdl dt反应器直径积累：0(连续、稳定过程）h0:床层对器壁的传热系数, J·m-2·S-1·K-1T、T

9、w：分别为床层温度和器壁温度将各式代入，得动量衡算：仍然是Ergun方程将三个方程联立：Um0:进口处空床线速度，m·S-1边界条件：L=0, p=p0, xA=0, T=T0需要注意的问题1 从解题的角度看，一般壁温恒定，实际情况并非如此。2 对于低压系统，压降十分重要。3 h0不是物性参数，需实验确定。4 注意um0, u, um 的关系。5 如果多根管子并联，体系将自动调节各管的流量，使压降相同，此时各管的处理量不同，转化率不同，造成生产能力和产品质量下降。讲解作业、讨论题、思考题：1、名词解释床层孔隙率、比表面积当量直径、体积当量直径、面积当量直径2、简答(1)简述固定床催化反应器的特