第七章：氣固相催化反應(yīng)固定床反應(yīng)器

1、第七章:氣固相催化反應(yīng)固定床反應(yīng)器7.1流體在固定床內(nèi)的傳遞特性1.床層空隙率與流體的流動(dòng) 空隙率:(利用 B B p p v v w =111PB B B PV V =-=-=-空 隙 體 積 顆 粒 體 積床 層 體 積 床 層 體 積PB, 分別是顆粒密度和顆粒的堆積密度。2.顆粒的 當(dāng)量直徑 a .體積當(dāng)量直徑(V d 3/1Sv V 6(d = d 61V (3v s =式中 S V 為顆粒的體積。 b. 面積當(dāng)量直徑(a d 2/1Sa S(d = d S (2a s =式中 S S 為顆粒的外表面積。 c. 比表面積當(dāng)量直徑(S d 即與顆粒具有相同比表面積的球體直徑 SSVS

2、SV 6S6d =d 6R3V S S (sss v =VS 為單位顆粒體積具有的外表面積。d. 對(duì)混合粒子的平均直徑 =d /x (1d iimix 是直徑為 id 的粒子的質(zhì)量分率。3.流體通過床層的壓降 a .床層的當(dāng)量直徑VBBeS1(44d -=浸潤(rùn)周邊截面積由于 SV d6S =SBBed 1(32d -= (可見朱炳陳 P 109b .床層壓降 由化工原理中的結(jié)果g2e2uddldp =- 7.1 7式中的 u 為實(shí)際流速、若 u m 為空塔流速,則:B m B m /u u u u =將 e d , u ,代入 7.1 7式中3BBS g 2m 1d u dldp -=- 7.

3、1 8 式中 =43為摩察系數(shù)與 e R 有關(guān)。 1(3u d 2u d R B g g m S gg e e -=令 1(u d R B g g m S em -=為修正雷諾數(shù)測(cè)得:75. 1R 150em+=則 3BB S g 2m em 1d u 75. 1R 150(dl dp -+=- (厄根公式 7.1 10 當(dāng)壓降較低時(shí),則3BB S g 2m em 1d u 75. 1R 150(L p -+=- 7.1 117.2固定床催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 1.絕熱式氣固催化反應(yīng)器 主要用于放熱反應(yīng) a .單段絕熱反應(yīng)器 如甲烷化爐,低變爐等, 適合反應(yīng)物濃度較低 和反應(yīng)熱較小的體系。 B .多

4、段絕熱催化反應(yīng)器 (a 多 段間壁換熱式催化反應(yīng)器換熱時(shí) X ,T 不變 換熱時(shí) X , T 不變 , X T ,但由于冷激氣中含有輔助反應(yīng)組合,如:CO 變換用水蒸氣或軟水冷激; SO 2氧化時(shí)用空氣冷激等。 采用不同的段間換熱方式,最終轉(zhuǎn)化率的高低順序?yàn)?對(duì) X ,非原料氣冷激 間接換熱 原料氣冷激2.連續(xù)換熱反應(yīng)器a .內(nèi)冷自熱式,如并流三套管氨合成塔 并流三套管氨合成塔及溫度變化示意圖 圖 7-8 雙套管并流式反應(yīng)器及床層溫度分布b .外冷列管式外冷指冷介質(zhì)在管外,列管指催化劑裝在一組管子中如:甲醇合成塔,萘氣化制鄰苯二甲酸酐等。1.模型a .非均相模型考慮催化劑顆粒內(nèi)外傳質(zhì)傳熱對(duì)反應(yīng)

5、的影響。b. 擬均相模型對(duì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制的催化反應(yīng), 可以忽略傳遞對(duì)反應(yīng)的影響, 即 認(rèn)為催化劑表面及內(nèi)部的溫度, 濃度同氣流主體完全相同, 反應(yīng)過程 的計(jì)算如同均相反應(yīng), 這種不考慮傳遞對(duì)反應(yīng)速率影響的模型就稱為 擬均相模型。c. 一維模型只考慮沿氣體流動(dòng)方向上的濃度差與溫度差, 垂直于流向的濃度 及溫度分布可忽略不計(jì)。d. 二維模型同時(shí)考慮軸向及徑向上的濃度及溫度分布。 注意:非均相與擬均相是對(duì)催化劑顆粒內(nèi)外氣體混合物的濃度及溫度 分布的處理方法, 而一維與二維模型是對(duì)反應(yīng)器內(nèi)氣流主體中的濃度 及溫度分布的處理方法。1. 一維擬均相理想流動(dòng)模型 基本假定:a. 均相 b. 平推流c. 徑向

6、位置溫度、濃度一致(不隨 r 變 基本方程(1 動(dòng) 量衡算方程(即厄根方程3BB S g 2m em 1d u 75. 1R 150(dl dp -+=- (2物料衡算方程 入-出=反+積 0dV 1(R ( dF F (F R B A A A A +-=+- dl A dV t R = A 0A 0m t A0A A dX C u A dXF dF -=-=dl 1(R (A dF B A t A -=- dl 1(R (A dXC u A B A t A0A 0m t -=A 0m B A AC u 1(R (dldX -=(2 熱 量衡算方程流入-流出+反=導(dǎo)出+積累 流入=GC P T

7、 流出=GC P (T+dT反=dl 1(R (A H (B A t - 導(dǎo)出 dl d T T (h t w 0-=h 0床層對(duì)器壁的給熱系數(shù) s m /J 2dl d T T (h dl A 1(R (H ( dT T (GC T GC t W 0t B A P P +-=-+-注意:g t m A u G =dl T T (d h 41(R (H (C u 1dldT w t0B A Pg m -=邊界條件 0A 0T T ,0X ,P P ,0L =2.等溫反應(yīng)器的計(jì)算0dldT =(反應(yīng)速率常數(shù) k 為定值出口壓力 3BB S g 2m em 01d u 75. 1R 150(L P

8、 P -+-= 床層高度(由0A 0m B A C u 1(R (dldx -=-=Ax 0A AB0A 0m L0R (dx1C u dl L式中 C (kf R (AS A =-工業(yè)上等溫操作很難實(shí)現(xiàn)原因如下:0dldT =則dlh 4dx(d C u T h 4R (d 1(T T 0At 0A 0m 0A t B W H-=-H-=由于 X 隨 l 不是線性變化, 因此床壁溫度沿床高亦非線性變化, 而需 按一定的規(guī)律加以改變,因此實(shí)際上很難做到。 3.單層絕熱床的計(jì)算 絕熱操作時(shí)的數(shù)學(xué)模型3BBS g 2m em1d u 75. 1R 150(dldp -+=- 0A 0m B A A

9、C u 1(R (dl dX -=7.2 5Pg m B A C u 1(R (H (dldT -=7.2 6邊界條件 00A P P ,T T ,0x ,0L =其解為:L 1d u 75. 1R 150(P P 3BB S g 2m em0-+-= 7.2 7 =H-H-=Pg 0A mP g 0m 0A AC C (u C u (C dxdT 52. 762. 7 7.2 8稱為絕熱溫升在一定工況下近似為常數(shù)。x x (T T 0A A 0-+=由(7.2 5-=Ax 0A AR 0A 0m R (dx1(C u Lx , C (f ek R A 0A RT/E 0-= 的物理意義:(由

10、 x x (T T 0A A 0-+=知 , 當(dāng) 1x ,0x A 0A =時(shí)=-=0max T T T 4.多段絕熱反應(yīng)器的計(jì)算 最優(yōu)的進(jìn)出口 T , x目標(biāo)函數(shù)為催化劑裝填量最小。對(duì)第 I 段反應(yīng)床-=-=-=AifAi AifAi AifAi x xB 0A 0Ri R x xA AB 0A 0x xB 0A 0m t i t Ri 1(C V V V R (dx1(C V 1(C u A L A V 令0x V ,0T V iR iR =求得:i i T , x 使 R V 最小R (dxR (dxR (dxR (dx R (dxx 1F x V AnfAn f1i (A 01i (A

11、 AifAi f2A 20A f1A 10A x xA Ax xA Ax xA Ax xA Ax x A AifB0A ifR =-+-+-+-+-=+由于間接換熱0 1i (A Aif x x +=所以0 R (1 R (11F x V 01i (A ifA B 0A ifR =-=+即 0 1i (A if A R ( R (+-=- (條件式 I 用于確定后一段的入口溫度 (即各段入口的最優(yōu)溫度 對(duì) T if 求導(dǎo)=-=-=+-+-=Aif 0Ai Aif 0Ai Aif 0Ai f 1A 10A x x AifA B0A x x A AifB 0A x x A Ax x A Aif B

12、 0A if R 0dxT R (11F R (dxT 1F R (dxR (dxT 1F T V 按積分中值定理有=-=-=AifAi AmAx x x xif A 0Ai Aif AifA 0T R (1x x (dxT R (1即在 0Ai x 和 Aif x 之間必有一點(diǎn)使0T R (1ifA =-或者說(shuō)各段入口操作點(diǎn)位于最佳溫度曲線的低溫一側(cè), 而出口位于高溫一側(cè), 并滿足此 式,將上式進(jìn)一步寫成=-+-=-AifAi Aif AimAi x x x x AifA ximx AifA Aif A 0dxT R (1dx T R (1dx T R (1即 -=-Aim 0Ai AifA

13、imx x x x A ifA AifA dxT R (1dxT R (1上式稱為條件式 II用于確定各段最優(yōu)出口濃度 Ai x 各段 T , x 的確定a .根據(jù)初始?xì)怏w組成,動(dòng)力學(xué)參數(shù)(E 1, E 2及熱力學(xué)參數(shù) (K P =f(T作出整個(gè)反應(yīng)過程的平衡線及最佳溫度曲線 b .根據(jù)起始活性溫度確定 T 10 c .由 f 11010x T ,x 確定第一出口轉(zhuǎn)化率 和條件(d .由 f 1x 及條件(I 確定第二段入口溫度 20T本章重點(diǎn)1.擬均相一維模型2.三段間壁段間換熱絕熱式反應(yīng)器的 T x 圖 3.絕熱溫升4.最優(yōu)化 i i T , x 使 R V 最小。7.3固定床反應(yīng)器模型評(píng)

14、述物理模型基本假定:在一維擬均相模型上加了一個(gè)軸(逆向向渦流擴(kuò)散 數(shù)學(xué)模型1. 動(dòng)量衡算方程:即厄根方程3BBS g 2m em1d u 75. 1R 150(dl dp -+=- 2.物料衡算方程對(duì) R dV 微元衡算 : 入 -出 =反 +積dlA 1(R (dldC E A dF F dl lC C dld E A F t B A Azt A A A A zt A -=+-+由 A t A dC uA dF =代入上式 , 得 :R (1(dldC udlC d E A B A2A 2z-=-3.熱量衡算 入 -出 +反 =積dl A H (1(R (dl T T (h d dldT A

15、 dl lT T (GC dl lT T dld A T GC t B A W 0t zt P z t P =-+-+-+整理得 :( g t uA G =T T (d h 4 H (1(R (dldT C u dlz d w t0B A Pg 22z-+-=-z 為軸向有效導(dǎo)熱系數(shù)邊界條件dldT T T (C u dl dC E C C (u ,0l z0P g 0Az A 0A 0=-=-=L l =時(shí),0dldT ,0dldC A=物理模型a 均相b 軸向流動(dòng)+軸向擴(kuò)散+徑向擴(kuò)散 數(shù)學(xué)模型 對(duì)微元:dV=2 r(dr(dl衡算得: 1.物料衡算 入-出=反+積rC E (rdl 2 l

16、C E (rdr 2rdruC2A rA zA-+-+ l 面流動(dòng)帶入 l 面擴(kuò)散代入 r 面擴(kuò)散帶入dl lC C (lE rdr 2 dl lC C (rdru 2A A zA A +-+- l+dl面流出量 l+dl擴(kuò)散出的量dr rC C (rE dl dr r (r 2A A r+-+-r+dr面擴(kuò)散出的量0 R (1(rdrdl 2A B +-=反應(yīng)量 積累量 或?qū)懗晌⒎值男问絉 (1( uC (llC E (lrC rE (rr 1A B A A zA r-=-+如果 u , E , E z r 為常數(shù)R (1(lC ulC E rC r 1rC E A B A 2A 2zA 2

17、A 2r -=-+2. 熱量衡算 (流入 -流出 +導(dǎo)入 +反應(yīng) =積累輸入微元的熱量rT (rdl 2 lT (rdr 2T c rdru 2rzp g -+-+l 面軸向流動(dòng)帶入 l 面軸向熱傳導(dǎo) r 面徑向熱傳導(dǎo) 由微元輸出的的熱量dl lT T (lrdr 2 dl l T T (c rdru 2zp g +-+ l+dl面流動(dòng)帶出 l+dl面軸向熱傳導(dǎo)帶出dr rT T (rdl dr r (2r+-+r+dr面徑向熱傳導(dǎo)導(dǎo)出 微元內(nèi)的反應(yīng)熱rdrdl 2(H (1(R (B A -穩(wěn)定操作,熱積累為零 或?qū)懗晌⒎值男问紿 (R (1( T u C (llT (lrT r (rr 1A B g