固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算

1、精選ppt1固定床反應(yīng)器及其設(shè)計(jì)計(jì)算固定床反應(yīng)器及其設(shè)計(jì)計(jì)算劉 恩 周 , 講 師西北大學(xué)化工學(xué)院2 0 1 5 年 4 月 2 4 日精選ppt2主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.1. 概念概念2.2. 分析（換熱）分析（換熱）3.3. 傳遞過程傳遞過程4. 4. 擬均相一維模型擬均相一維模型5. 5. 設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例Enzhou Liu, Northwest University, Xian精選ppt3固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器-概念概念Enzhou Liu, Northwest University, Xian 又稱填充床反應(yīng)器，裝填有固體催化劑或固體反應(yīng)物用以實(shí)現(xiàn)多相反應(yīng)過程的一種反應(yīng)器。固體物通常

2、呈顆粒狀，粒徑215mm左右,堆積成一定高度（或厚度）的床層。床層靜止不動(dòng)，流體通過床層進(jìn)行反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室：石英管、不銹鋼管催化劑顆粒放在等溫區(qū)，其余填充石英砂，兩端用玻璃棉封口防止石英砂被吹出。用D6或D8的不銹鋼管做反應(yīng)管較寬、催化劑較少時(shí)，用更細(xì)的不銹鋼管作支撐管，上墊不銹鋼網(wǎng)，可作800度以下的反應(yīng)。精選ppt4固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器-概念概念Enzhou Liu, Northwest University, Xian 與流化床反應(yīng)器及移動(dòng)床反應(yīng)器的區(qū)別在于固體顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)。固定床反應(yīng)器主要用于實(shí)現(xiàn)氣固相催化反應(yīng)，如氨合成塔、二氧化硫接觸氧化器、烴類蒸汽轉(zhuǎn)化爐等。 用于氣固相或液固

3、相非催化反應(yīng)時(shí)，床層則填裝固體反應(yīng)物。涓流床反應(yīng)器也可歸屬于固定床反應(yīng)器，氣、液相并流向下通過床層，呈氣液固相接觸。 精選ppt52.固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器-分類（換熱）分類（換熱）Enzhou Liu, Northwest University, Xian絕熱床反應(yīng)器對(duì)外換熱式反應(yīng)器多段絕熱床反應(yīng)器精選ppt62.固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器-分類（換熱）分類（換熱）Enzhou Liu, Northwest University, Xian自熱式反應(yīng)器傳熱和溫度控制是難點(diǎn)，固定列管式固定床反應(yīng)器性能較好反應(yīng)物流處于湍流狀態(tài)時(shí)，空管的長(zhǎng)徑比大于50; 填充段長(zhǎng)與粒徑之比大于100(氣體)或20

4、0(液體)精選ppt73.固定床反應(yīng)器傳遞過程固定床反應(yīng)器傳遞過程基本概念基本概念Enzhou Liu, Northwest University, Xian1.粒子直徑(3種，da ds dv P162)2.形狀系數(shù) s3.床層空隙率 B4.床層當(dāng)量直徑 de5.床層壓降 P精選ppt83.固定床反應(yīng)器傳遞過程固定床反應(yīng)器傳遞過程基本概念基本概念Enzhou Liu, Northwest University, Xian6.傳熱系數(shù)(3種v P166) 顆粒與流體間傳熱系數(shù)(hp) 固定床中的有效熱傳導(dǎo)(e) 床層與器壁間的給熱系數(shù) h0(一維模型)和 hw (二維模型) 7.傳質(zhì)系數(shù)(P1

5、70) 顆粒與流體間的傳質(zhì) 流體的混合擴(kuò)散（Ez和Er）精選ppt94.擬均相一維模型擬均相一維模型Enzhou Liu, Northwest University, Xian一、擬均相模型 忽略床層中催化劑顆粒與流體之間溫度與濃度差別，將氣相反應(yīng)物與催化劑看成均勻連續(xù)的均相物系。 （1）一維擬均相模型 只考慮沿氣體流動(dòng)方向的溫度和濃度變化。 根據(jù)流動(dòng)形式分為平推流一維模型和軸向分散一維模型。（2）二維擬均相模型 同時(shí)考慮軸向和徑向的溫度和濃度分布。 精選ppt10Enzhou Liu, Northwest University, Xian4.1 等溫反應(yīng)器的計(jì)算(P173) 床層溫度均勻一致

6、，反應(yīng)速率常數(shù)為常數(shù)，反應(yīng)速度僅與濃度有關(guān)。按一維擬均相處理，設(shè)計(jì)方法與PFR相似。對(duì)右圖固定床反應(yīng)器取一微元段進(jìn)行物料衡算AAAdxFdWr0)(AfAxxAAWAArdxFWFdW0)(000BW為 床 層 密 度 或 堆 積 密 度為 催 化 劑 質(zhì) 量精選ppt11Enzhou Liu, Northwest University, XianAAAdxFdWr0)(AfAxxAAWAArdxFWFdW0)(000設(shè)計(jì)方程床層高度BSWL 一般，固定床反應(yīng)器換熱比較困難，很難做到等溫操作，此法僅用于對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行估算。或等溫反應(yīng)器或等溫反應(yīng)器()ABAdCurdl000ALCACAdCuLd

7、lr精選ppt12Enzhou Liu, Northwest University, Xian4.2單層絕熱式固定床反應(yīng)器 定常態(tài)操作時(shí)，與流動(dòng)方向垂直的截面上溫度、濃度均勻一致，且不隨時(shí)間變化。體系的溫度和濃度僅隨流動(dòng)方向的空間位置變化。 取反應(yīng)器內(nèi)一微元段進(jìn)行物料衡算和熱量衡算得：AABtAAdxFdldrdWr024)()()()(0AAAAAPpiiHdxFdWrHdTcFdTcF（6-55）（6-59）精選ppt13Enzhou Liu, Northwest University, Xian式（6-55）和（6-59）分別積分并整理得：)()()(0000AAAAPAAxxxxcHy

8、TT（6-60）AfAxxAAArdxFW0)(0設(shè)計(jì)方程操作方程 設(shè)計(jì)方程和操作方程聯(lián)立求解，可求W。當(dāng)動(dòng)力學(xué)方程比較復(fù)雜時(shí)，難以得到解析解。一般采用數(shù)值積分或圖解法計(jì)算。精選ppt14Enzhou Liu, Northwest University, Xian圖解法步驟1）由式（6-60）在 xAT 圖中作絕熱操作線；2）在絕熱操作線上讀出若干組（ xAi，Ti ）數(shù)據(jù)；3）由（ xAi，Ti ）數(shù)據(jù)計(jì)算（-rAi）和1/（-rAi）；4）作1/（-rA） xA曲線。該曲線下方介于0 xAf之間的面積大小即W/FA0。5）床層高度BSWLAr1精選ppt15Enzhou Liu, Nort

9、hwest University, Xian4.3 列管式固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)與列管式換熱器相似，反應(yīng)氣體從裝填催化劑的管內(nèi)流過，管間通入換熱介質(zhì)進(jìn)行換熱。反應(yīng)管并聯(lián)連接，只需計(jì)算其中一根管的長(zhǎng)度和催化劑裝填量。精選ppt16Enzhou Liu, Northwest University, Xian一維擬均相模型法 由于反應(yīng)器內(nèi)存在換熱，計(jì)算中要考慮熱量傳遞的影響。 床層與管壁間的傳熱量式中，總括傳熱系數(shù)h0可由Leva公式計(jì)算：)(TWMT)(TWMT使用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式時(shí)要注意條件和式中各參數(shù)的單位。精選ppt床層與管外傳熱介質(zhì)之間的總傳熱系數(shù)管內(nèi)物料和熱量衡算 如圖，取管內(nèi)微元長(zhǎng)度對(duì)組分A

10、進(jìn)行衡算得：精選ppt整理得 該方程組就是列管式固定床反應(yīng)器的一維擬均相數(shù)學(xué)模型，對(duì)一定的生產(chǎn)任務(wù)，可計(jì)算出床層中軸向濃度和溫度分布。精選ppt四階龍格-庫塔法求解步驟（1）將微分方程組化成差分方程組精選ppt（2）給定邊界條件， 00 , , 0TTxxlAA ，步長(zhǎng) ，計(jì)算l（3）將xA1、T1、l1作為初值，重復(fù)（2）的計(jì)算，直至xAxAf。精選ppt215.設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例Enzhou Liu, Northwest University, Xian草酸二甲酯加氫制備乙二醇列管式固定床反應(yīng)器計(jì)算草酸二甲酯加氫制備乙二醇列管式固定床反應(yīng)器計(jì)算（一維擬均相等溫反應(yīng)器）（一維擬均相等溫反應(yīng)器）

11、方程式方程式主反應(yīng)主反應(yīng)付反應(yīng)付反應(yīng)總反應(yīng)總反應(yīng)42精選ppt225.設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例Enzhou Liu, Northwest University, Xian反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)機(jī)理速速率率控控制制步步驟驟精選ppt235.設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例Enzhou Liu, Northwest University, Xian反應(yīng)熱公式反應(yīng)熱公式平衡常數(shù)公式平衡常數(shù)公式4次方次方精選ppt范德霍夫方程范德霍夫方程精選ppt255.設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例Enzhou Liu, Northwest University, Xian精選ppt265.設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例Enzhou Liu, Northwest Univer

12、sity, Xian物料衡算物料衡算精選ppt275.設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例Enzhou Liu, Northwest University, Xian動(dòng)力學(xué)方程動(dòng)力學(xué)方程精選ppt285.設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例Enzhou Liu, Northwest University, Xian精選ppt295.設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例Enzhou Liu, Northwest University, Xian質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞建立數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型精選ppt305.設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例Enzhou Liu, Northwest University, Xian熱量傳遞熱量傳遞第一個(gè)反應(yīng)對(duì)反應(yīng)器中第一個(gè)反應(yīng)對(duì)反應(yīng)器中溫度升高

13、的貢獻(xiàn)溫度升高的貢獻(xiàn)第二個(gè)反應(yīng)對(duì)反應(yīng)器中第二個(gè)反應(yīng)對(duì)反應(yīng)器中溫度升高的貢獻(xiàn)溫度升高的貢獻(xiàn)向外界傳熱對(duì)反應(yīng)器中向外界傳熱對(duì)反應(yīng)器中溫度降低的貢獻(xiàn)溫度降低的貢獻(xiàn)精選ppt315.設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例Enzhou Liu, Northwest University, Xian管程中催化劑與殼程沸騰水總傳熱系數(shù)計(jì)算管程中催化劑與殼程沸騰水總傳熱系數(shù)計(jì)算精選ppt325.設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例Enzhou Liu, Northwest University, Xian床層與管外傳熱介質(zhì)之間的總傳熱系數(shù)精選ppt335.設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例Enzhou Liu, Northwest University, Xian動(dòng)量傳遞動(dòng)量傳遞精選ppt345.設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例Enzhou Liu, Northwest University, Xian反應(yīng)工藝條件反應(yīng)工藝條件精選ppt355.設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例Enzho