第七章多相催化反应器的设计与分析

第七章多相催化反应器的设计与分析第一页，共四十三页，2022年，8月28日本章内容固定床反应器的分类固定床内的传递现象固定床反应器的数学模型绝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参数敏感性第二页，共四十三页，2022年，8月28日7.1固定床反应器的分类列管式固定床反应器单段绝热反应器多段绝热反应器绝热反应器换热反应器第三页，共四十三页，2022年，8月28日列管式固定床反应器7.1固定床反应器的分类（续1）第四页，共四十三页，2022年，8月28日段内绝热，段间换热7.1固定床反应器的分类（续2）第五页，共四十三页，2022年，8月28日换热式固定床反应器7.1固定床反应器的分类（续3）第六页，共四十三页，2022年，8月28日=颗粒间空隙体积床层体积影响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7.2固定床内的传递现象

固定床内的流体流动第七页，共四十三页，2022年，8月28日小结：真实床层径向空隙率分布是不均匀的，在距壁面约1～2倍粒径处，空隙率最大。－壁效应床层直径与颗粒直径之比越大，空隙率分布越均匀。由于空隙率分布不均匀。造成径向流速分布不同于空管。为了消除壁效应，一般管径与粒径之比应大于8。固定床内的流体流动（续1）第八页，共四十三页，2022年，8月28日压力降计算公式u0、流动阻力颗粒的粘滞曳力局部阻力回顾：空管中流动阻力固定床内的流体流动（续2）第九页，共四十三页，2022年，8月28日2气体0.3～1液体0.6回顾质量和热量的轴向扩散第十页，共四十三页，2022年，8月28日固定床反应器的径向温度分布粒内传热粒子与流体间的传热床层与器壁的传热固定床的径向传热热阻大质量和热量的轴向扩散（续）第十一页，共四十三页，2022年，8月28日床层本身的导热+床层与器壁的对流传热床层本身的导热热阻靠近内壁的层流边界层径向有效导热系数er关联式很多壁膜传热系数hw无满意关联式床层传热系数ht径向传热包括质量和热量的径向扩散第十二页，共四十三页，2022年，8月28日ht的关联式球形颗粒圆柱形颗粒

径向传质5～13多数≈10质量和热量的径向扩散（续）第十三页，共四十三页，2022年，8月28日轴向：等温时，若用N个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动状况，则N等于50或更大。对工业固定床反应器，大多数Lr/dp值远大于50，故可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Lr/dp值大于150作为准则较稳妥。小结第十四页，共四十三页，2022年，8月28日径向：若用N个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动状况，则N不可能为1，即径向浓度梯度总是存在。减小dt/dp，则径向浓度梯度降低，但当dt/dp＜5，则床内流动极不均匀。（壁效应严重，且流体易短路）小结（续）第十五页，共四十三页，2022年，8月28日平推流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拟均相模型非均相模型一维模型二维模型7.3固定床反应器的数学模型

概述第十六页，共四十三页，2022年，8月28日物料衡算热量衡算动量衡算初始条件活塞流模型第十七页，共四十三页，2022年，8月28日轴向扩散模型第十八页，共四十三页，2022年，8月28日7.4绝热式固定床反应器

单段第十九页，共四十三页，2022年，8月28日产品原料ⅠⅡⅢTXA平衡曲线最佳温度线T=XA多段第二十页，共四十三页，2022年，8月28日多段（续1）目标函数催化剂用量最少**产品成本最低产量最大第二十一页，共四十三页，2022年，8月28日两式含义：1.为保证催化剂总用量最少，任何一段的出口转化率应等于下一段进口的转化率2.在规定的进、出口转化率下，存在一最佳的进口温度，使催化剂总用量最少多段（续2）第二十二页，共四十三页，2022年，8月28日7.5换热式固定床反应器

催化剂用量第二十三页，共四十三页，2022年，8月28日热点XA最佳温度曲线平衡曲线绝热线热点概念第二十四页，共四十三页，2022年，8月28日热点概念（续1）第二十五页，共四十三页，2022年，8月28日可逆放热反应绝热反应器的最优化（以SO2＋1/2O2=SO3为例）XT平衡线等速率线0二氧化硫氧化反应T－X图示意热点概念（续2）第二十六页，共四十三页，2022年，8月28日二氧化硫氧化反应－－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。最优化目的：在完成一定生产任务的条件下，使用的催化剂最少。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。热点概念（续3）第二十七页，共四十三页，2022年，8月28日以四段为例：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2N－1个）参数，使W最小。热点概念（续4）第二十八页，共四十三页，2022年，8月28日X1in,T1inX1out,T2inX2outT3inX3outT4inX4out第一段第二段第三段第四段热点概念（续5）第二十九页，共四十三页，2022年，8月28日XT0二氧化硫氧化反应T－X图示意斜线为段内操作线，斜率为1/λ。水平线表示段间为间接冷却，只是温度降低，转化率不变。在T－X图上看：热点概念（续6）第三十页，共四十三页，2022年，8月28日调用最优化程序，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。热点概念（续7）第三十一页，共四十三页，2022年，8月28日在任意相邻两段间：热点概念（续8）第三十二页，共四十三页，2022年，8月28日

汇总：()()()()01,,01,,01332333322222222221111121332211=¶¶==¶¶==¶¶òòòdxTrrTXrTXrdxTrrTXrTXrdxTrrinXXininoutoutinXXininoutoutinXXoutinoutinoutin第三段：第二、三段之间：第二段：第一、二段之间：第一段：热点概念（续9）第三十三页，共四十三页，2022年，8月28日热点概念（续10）()()01,,442444433344=¶¶=òdxTrrTXrTXrinXXininoutoutoutin第四段：第三、四段之间：七个方程，七个未知数，可能是唯一解。讨论：从T－X图上看：第三十四页，共四十三页，2022年，8月28日XT0二氧化硫氧化反应T－X图示意热点概念（续11）第三十五页，共四十三页，2022年，8月28日热点概念（续12）第三十六页，共四十三页，2022年，8月28日热点概念（续13）第三十七页，共四十三页，2022年，8月28日热点概念（续14）第三十八页，共四十三页，2022年，8月28日热点概念（续15）第三十九页，共四十三页，2022年，8月28日7.6自热式固定床反应器

分类流向单管逆流式单管并流式