固定床反應(yīng)器設(shè)計計算

1、.1固定床反應(yīng)器及其設(shè)計計算固定床反應(yīng)器及其設(shè)計計算劉 恩 周 , 講 師西北大學(xué)化工學(xué)院2 0 1 5 年 4 月 2 4 日.2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)計實例設(shè)計實例Enzhou Liu, Northwest University, Xian.3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)物用以實現(xiàn)多相反應(yīng)過程的一種反應(yīng)器。固體物通常呈顆粒狀，粒徑215mm

2、左右,堆積成一定高度（或厚度）的床層。床層靜止不動，流體通過床層進行反應(yīng)。實驗室：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，用更細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)。.4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)器及移動床反應(yīng)器的區(qū)別在于固體顆粒處于靜止狀態(tài)。固定床反應(yīng)器主要用于實現(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。 用于氣固相或液固相非催化反應(yīng)時，床層則填裝固體反

3、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。 .52.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)器對外換熱式反應(yīng)器多段絕熱床反應(yīng)器.62.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，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，空管的長徑比大于50; 填充段長與粒徑之比大于100(氣體)或200(液體).73.固定床反應(yīng)器傳遞過程固定床反應(yīng)

4、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.83.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)(P170) 顆粒與流體間的傳質(zhì) 流體的混合擴散（Ez和Er）.94.

5、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 只考慮沿氣體流動方向的溫度和濃度變化。 根據(jù)流動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 同時考慮軸向和徑向的溫度和濃度分布。 .10Enzhou Liu, Northwest University, Xian4.1 等溫反應(yīng)器的計算(P173) 床層溫度均勻一致，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)計方法與PFR相

6、似。對右圖固定床反應(yīng)器取一微元段進行物料衡算AAAdxFdWr0)(AfAxxAAWAArdxFWFdW0)(000BW為 床 層 密 度 或 堆 積 密 度為 催 化 劑 質(zhì) 量.11Enzhou Liu, Northwest University, XianAAAdxFdWr0)(AfAxxAAWAArdxFWFdW0)(000設(shè)計方程床層高度BSWL 一般，固定床反應(yīng)器換熱比較困難，很難做到等溫操作，此法僅用于對反應(yīng)器進行估算?；虻葴胤磻?yīng)器或等溫反應(yīng)器()ABAdCurdl000ALCACAdCuLdlr.12Enzhou Liu, Northwest University, Xian4

7、.2單層絕熱式固定床反應(yīng)器 定常態(tài)操作時，與流動方向垂直的截面上溫度、濃度均勻一致，且不隨時間變化。體系的溫度和濃度僅隨流動方向的空間位置變化。 取反應(yīng)器內(nèi)一微元段進行物料衡算和熱量衡算得：AABtAAdxFdldrdWr024)()()()(0AAAAAPpiiHdxFdWrHdTcFdTcF（6-55）（6-59）.13Enzhou Liu, Northwest University, Xian式（6-55）和（6-59）分別積分并整理得：)()()(0000AAAAPAAxxxxcHyTT（6-60）AfAxxAAArdxFW0)(0設(shè)計方程操作方程 設(shè)計方程和操作方程聯(lián)立求解，可求W。

8、當(dāng)動力學(xué)方程比較復(fù)雜時，難以得到解析解。一般采用數(shù)值積分或圖解法計算。.14Enzhou 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BSWLAr1.15Enzhou Liu, Northwest University, Xian4.3 列管式固定床反應(yīng)器設(shè)計 結(jié)構(gòu)與列管式換熱器相似，反應(yīng)氣體從裝填催化劑

9、的管內(nèi)流過，管間通入換熱介質(zhì)進行換熱。反應(yīng)管并聯(lián)連接，只需計算其中一根管的長度和催化劑裝填量。.16Enzhou 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公式計算：)(TWMT)(TWMT使用經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式時要注意條件和式中各參數(shù)的單位。.17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)微元長度對組分A進行衡算得：.18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，對一定的生產(chǎn)任務(wù)，可計算出床層中軸向濃度和溫度分布。.

10、19四階龍格-庫塔法求解步驟（1）將微分方程組化成差分方程組.20（2）給定邊界條件， 00 , , 0TTxxlAA ，步長 ，計算l（3）將xA1、T1、l1作為初值，重復(fù)（2）的計算，直至xAxAf。.215.設(shè)計實例設(shè)計實例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)器計算草酸二甲酯加氫制備乙二醇列管式固定床反應(yīng)器計算（一維擬均相等溫反應(yīng)器）（一維擬均相等溫反應(yīng)器）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)42.225.設(shè)計實例設(shè)計實例Enzhou Liu, Northwest University, Xia

11、n反應(yīng)機理反應(yīng)機理速速率率控控制制步步驟驟.235.設(shè)計實例設(shè)計實例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.24范德霍夫方程范德霍夫方程.255.設(shè)計實例設(shè)計實例Enzhou Liu, Northwest University, Xian.265.設(shè)計實例設(shè)計實例Enzhou Liu, Northwest University, Xian物料衡算物料衡算.275.設(shè)計實例設(shè)計實例Enzhou Liu, Northwest University, Xian動力學(xué)方程動力學(xué)方程.285.設(shè)計實例設(shè)計實例En

12、zhou Liu, Northwest University, Xian.295.設(shè)計實例設(shè)計實例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.305.設(shè)計實例設(shè)計實例Enzhou Liu, Northwest University, Xian熱量傳遞熱量傳遞第一個反應(yīng)對反應(yīng)器中第一個反應(yīng)對反應(yīng)器中溫度升高的貢獻溫度升高的貢獻第二個反應(yīng)對反應(yīng)器中第二個反應(yīng)對反應(yīng)器中溫度升高的貢獻溫度升高的貢獻向外界傳熱對反應(yīng)器中向外界傳熱對反應(yīng)器中溫度降低的貢獻溫度降低的貢獻.315.設(shè)計實例設(shè)計實例Enzhou Liu, Northwest University, Xian管程中催化劑與殼程沸騰水總傳熱系數(shù)計算管程中催化劑與殼程沸騰水總傳熱系數(shù)計算.325.設(shè)計實例設(shè)計實例Enzhou Liu, Northwest University, Xian床層與管外傳熱介質(zhì)之間的總傳熱系數(shù).335.設(shè)計實例設(shè)計實例Enzhou Liu, Northwest University, Xian動量傳遞動量傳遞.345.設(shè)計實例設(shè)計實例Enzhou Liu, Northwest University, Xian反應(yīng)工藝條件反應(yīng)工藝條件.355.設(shè)計實例設(shè)計實例En