化學(xué)反應(yīng)工程第6章

1、1第六章第六章氣固相催化固定床反應(yīng)器氣固相催化固定床反應(yīng)器2第一節(jié)：概述第一節(jié)：概述 一、固定床反應(yīng)器一、固定床反應(yīng)器 固定床反應(yīng)器：凡是流體通過不動的固體物料固定床反應(yīng)器：凡是流體通過不動的固體物料所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置。所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置。相催化固定床反應(yīng)器，故本章重點(diǎn)介紹氣固反應(yīng)約占催化反應(yīng)器。其中，氣固相上述反應(yīng)都采用固定床礦物的焙燒灰氮氮?dú)馀c電石反應(yīng)生成石水煤氣的生產(chǎn)氣固相非催化反應(yīng)烯乙烷、乙苯脫氫制苯乙石油化工：乙烯制環(huán)氧、天然氣轉(zhuǎn)化基本化學(xué)工業(yè)：合成氨異構(gòu)化煉油工業(yè)：催化重整、氣固相催化反應(yīng)80% 3二、催化固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)二、催化固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)1.優(yōu)點(diǎn)

2、：優(yōu)點(diǎn)：（1）催化劑不依磨損，可以長期使用（除）催化劑不依磨損，可以長期使用（除非失活）；非失活）；（2）高徑比較大時(shí)，床層中流體流動接近）高徑比較大時(shí)，床層中流體流動接近平推流；平推流；（3）停留時(shí)間可以嚴(yán)格控制，溫度分布可）停留時(shí)間可以嚴(yán)格控制，溫度分布可以調(diào)節(jié)，有利于達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率和選以調(diào)節(jié)，有利于達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率和選擇性。擇性。42.缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：（1）傳熱較差；）傳熱較差；（2）催化劑的更換必須停車，浪費(fèi)人力、）催化劑的更換必須停車，浪費(fèi)人力、物力，要求催化劑有足夠的壽命；物力，要求催化劑有足夠的壽命；（3）催化劑的有效系數(shù)低。）催化劑的有效系數(shù)低。三、催化固定床反應(yīng)器的類型三、催化

3、固定床反應(yīng)器的類型內(nèi)冷管式列管式換熱式冷激式中間換熱式多段單段絕熱式按傳熱方式 5固定床催化反應(yīng)器的類型固定床催化反應(yīng)器的類型 絕熱型 換熱型678 操作方式：操作方式： 絕熱、換熱兩種；操作方式的不同，反絕熱、換熱兩種；操作方式的不同，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)就不同。應(yīng)器的結(jié)構(gòu)就不同。 操作方式由反應(yīng)的熱效應(yīng)和操作范圍的操作方式由反應(yīng)的熱效應(yīng)和操作范圍的寬窄及反應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益等決定。寬窄及反應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益等決定。 從反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、制造及操作考慮，絕從反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、制造及操作考慮，絕熱型比較簡單。熱型比較簡單。 從設(shè)計(jì)上講，基本方程是一樣的。從設(shè)計(jì)上講，基本方程是一樣的。還有徑向反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器、移動床還

4、有徑向反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器、移動床反應(yīng)器等都是固定床反應(yīng)器。反應(yīng)器等都是固定床反應(yīng)器。9 徑向反應(yīng)器特點(diǎn)：徑向反應(yīng)器特點(diǎn)：氣體留道短，流速氣體留道短，流速低，可大為降低催低，可大為降低催化床層壓降，為使化床層壓降，為使用小顆粒催化劑提用小顆粒催化劑提供了條件。供了條件。 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵：設(shè)計(jì)的關(guān)鍵：合理合理設(shè)計(jì)流道使各橫截設(shè)計(jì)流道使各橫截面上的氣體流量均面上的氣體流量均等。等。101112四、基本設(shè)計(jì)原則四、基本設(shè)計(jì)原則 1.設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)條件 （1）掌握反應(yīng)過程的熱力學(xué)數(shù)據(jù)和熱容、）掌握反應(yīng)過程的熱力學(xué)數(shù)據(jù)和熱容、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)及擴(kuò)散系數(shù)等物性數(shù)據(jù)。粘度、導(dǎo)熱系數(shù)及擴(kuò)散系數(shù)等物性數(shù)據(jù)。 （2）盡可

5、能獲得反應(yīng)動力學(xué)及傳遞過程）盡可能獲得反應(yīng)動力學(xué)及傳遞過程的數(shù)據(jù)。的數(shù)據(jù)。 A.本征動力學(xué)本征動力學(xué) B.工業(yè)催化劑工業(yè)催化劑13 2.基本設(shè)計(jì)原則基本設(shè)計(jì)原則 （1）確定催化劑用量，）確定催化劑用量，W Wmin ； （2）確定傳熱方式，算出床層溫度分布，）確定傳熱方式，算出床層溫度分布，使之趨于最佳溫度曲線上分布；使之趨于最佳溫度曲線上分布； （3）確定最佳工藝操作參數(shù)及固定床的）確定最佳工藝操作參數(shù)及固定床的類型和結(jié)構(gòu)。類型和結(jié)構(gòu)。14五、固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型五、固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型 同時(shí)關(guān)聯(lián)物料衡算、熱量衡算、動力學(xué)同時(shí)關(guān)聯(lián)物料衡算、熱量衡算、動力學(xué)方程。方程。 3.2. . 1非

6、理想流動模型理想流動模型按流體流動）二維模型（軸向和徑向和軸向擴(kuò)散模型）一維模型（平推流模型床層溫度渾然一體的均相）流體與粒子為的溫度和濃度差，假設(shè)和粒子表面間擬均相模型（忽略流體的溫度和濃度差）和粒子表面間非均相模型（考慮流體按動力學(xué)15 六、基本問題六、基本問題 溫度、濃度分布，氣相壓降，轉(zhuǎn)化率及溫度、濃度分布，氣相壓降，轉(zhuǎn)化率及催化劑用量催化劑用量 選擇固定床反應(yīng)器的原則什么反應(yīng)選擇固定床反應(yīng)器的原則什么反應(yīng)需要用固定床反應(yīng)器？需要用固定床反應(yīng)器？ 氣固相催化反應(yīng)首選非常普遍氣固相催化反應(yīng)首選非常普遍 如，合成氨、硫酸、合成甲醇、環(huán)氧乙如，合成氨、硫酸、合成甲醇、環(huán)氧乙烷乙二醇、苯酐及煉

7、油廠中的鉑重整等。烷乙二醇、苯酐及煉油廠中的鉑重整等。16第二節(jié)：固定床反應(yīng)器內(nèi)的傳遞特性第二節(jié)：固定床反應(yīng)器內(nèi)的傳遞特性 氣體在催化劑氣體在催化劑顆粒之間的孔顆粒之間的孔隙中流動，較隙中流動，較在管內(nèi)流動更在管內(nèi)流動更容易達(dá)到湍流。容易達(dá)到湍流。 氣體自上而下氣體自上而下流過床層。流過床層。17一、顆粒層的若干物理特性參數(shù)一、顆粒層的若干物理特性參數(shù) 1.床層密度和空隙率床層密度和空隙率 （1）粒子密度）粒子密度p 包括粒內(nèi)微孔在內(nèi)包括粒內(nèi)微孔在內(nèi)的全顆粒的密度；的全顆粒的密度； （2）真密度（材料密度）真密度（材料密度） s 除去除去微孔容積的顆粒的密度；微孔容積的顆粒的密度； （3）床層

8、密度）床層密度B： 單位床層體積中單位床層體積中顆粒的質(zhì)量。顆粒的質(zhì)量。18 4.床層空隙率床層空隙率B：單位體積床層內(nèi)的空隙：單位體積床層內(nèi)的空隙體積（沒有被催化劑占據(jù)的體積，不含體積（沒有被催化劑占據(jù)的體積，不含催化劑顆粒內(nèi)的體積）。催化劑顆粒內(nèi)的體積）。 若不考慮壁效應(yīng)，裝填有均勻顆粒的床若不考慮壁效應(yīng)，裝填有均勻顆粒的床層，其空隙率與顆粒大小無關(guān)。層，其空隙率與顆粒大小無關(guān)。顆粒密度床層堆積密度，床層體積顆粒體積床層體積空隙體積PBPBBPB111VV19 壁效應(yīng)：靠近壁面處的空壁效應(yīng)：靠近壁面處的空隙率比其它部位大。隙率比其它部位大。 為減少壁效應(yīng)的影響，要為減少壁效應(yīng)的影響，要求床

9、層直徑至少要大于顆求床層直徑至少要大于顆粒直徑的粒直徑的8倍倍以上。以上。20 2.粒徑粒徑 顆粒的定型尺寸最能代表顆粒性質(zhì)顆粒的定型尺寸最能代表顆粒性質(zhì)的尺寸為顆粒的當(dāng)量直徑。的尺寸為顆粒的當(dāng)量直徑。 對于非球形顆粒，可將其折合成球形顆對于非球形顆粒，可將其折合成球形顆粒，以當(dāng)量直徑表示。粒，以當(dāng)量直徑表示。 （1）體積當(dāng)量直徑：）體積當(dāng)量直徑：(非球形顆粒折合非球形顆粒折合成同體積的球形顆粒應(yīng)當(dāng)具有的直徑）成同體積的球形顆粒應(yīng)當(dāng)具有的直徑）V31S3S6234dVdV球形體積：21 （3）比表面積當(dāng)量直徑：）比表面積當(dāng)量直徑： (非球形顆粒非球形顆粒折合成相同比表面積的球形顆粒應(yīng)當(dāng)具折合成

10、相同比表面積的球形顆粒應(yīng)當(dāng)具有的直徑）有的直徑）SSVS32SSV6666SVSddddVSSsss球形比表面積：（2）外表面積當(dāng)量直徑：）外表面積當(dāng)量直徑： (非球形顆粒折合非球形顆粒折合成相同外表面積的球形顆粒應(yīng)當(dāng)具有的直徑）成相同外表面積的球形顆粒應(yīng)當(dāng)具有的直徑）a21S2S24dSdS球形外表面積：22（4）混合粒子的平均直徑：（各不同粒徑的粒子）混合粒子的平均直徑：（各不同粒徑的粒子直徑的加權(quán)平均）直徑的加權(quán)平均）iidxd1m11;SS )5(aapsaa非球形：球形：非球形顆粒的外表面積與球形顆粒相同體積的球形顆粒的外表面積定義：形狀因子2sa2a3Vsadddddd)6(VV各

11、種當(dāng)量直徑的關(guān)系23VBBBBHBBBBHHHRRRRd.)1(.32)1(d.324d)1(.6d2d4)1(2d34 ,4dases2s3se故：積填充床的水力浸濕表面填充床的自由體積為水力半徑其中ed. 3固定床的當(dāng)量直徑24二、床層壓降二、床層壓降 氣體流動通過催化劑床層，將產(chǎn)生壓降氣體流動通過催化劑床層，將產(chǎn)生壓降.1.75150f;u 1dfu 1df432u d .)1 (.32f2u dfuu2u fem2m3S2m3S22mS22mem2其中截面積相同，對于填充床，假設(shè)二者式：流體在空管中的壓降公RLLLLPDLPBBBBBBBBB25：床層空隙率氣體密度顆粒當(dāng)量直徑：床層高

12、度空塔氣速：平均流速修正的雷諾數(shù)，式中：BgsmBggmsmm2m3Sem:1Re:Reu 1d1.75)150(dluudLRPBB261.75 1000Re150 101175.1Re150ddemmems2mg3BBs2mg3BBm，fRfRdufdulP壓降計(jì)算通常利用厄根（壓降計(jì)算通常利用厄根（Ergun）方程：）方程：27 例例6.1 在內(nèi)徑為在內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)裝有的管內(nèi)裝有4m高的高的催化劑層，催化劑的粒徑分布如表所示。催化劑層，催化劑的粒徑分布如表所示。 催化劑為球體，空隙率催化劑為球體，空隙率B=0.44。在反應(yīng)。在反應(yīng)條件下氣體的密度條件下氣體的密度g=2.46kg.m

13、-3，粘度，粘度g=2.310-5kg.m-1s-1，氣體的質(zhì)量流速，氣體的質(zhì)量流速G=6.2kg.m-2s-1。求床層的壓降。求床層的壓降。粒 徑ds/m m3 .4 04 .6 06 .9 0質(zhì) 量 分 率w0 .6 00 .2 50 .1 528 解：解：求顆粒的平均直徑。求顆粒的平均直徑。 計(jì)算修正雷諾數(shù)。計(jì)算修正雷諾數(shù)。m1096. 3mm96. 390. 615. 060. 425. 040. 360. 0131Siidxd190644. 01103 . 22 . 61096. 31Re53BgSmGd29 計(jì)算床層壓降。計(jì)算床層壓降。Pa10898. 1444. 044. 014

14、6. 21096. 32 . 675. 11903150175. 1Re150175. 1Re15053323BBgS2m3BBSg2mmLdGLdup30三、固定床中的傳熱三、固定床中的傳熱 固定床中的傳熱：固定床中的傳熱： （1）粒內(nèi)傳熱）粒內(nèi)傳熱 （2）顆粒與流體間的傳熱）顆粒與流體間的傳熱 （3）床層與器壁的傳熱）床層與器壁的傳熱 表征傳熱的參數(shù)：表征傳熱的參數(shù)： （1）顆粒本身的導(dǎo)熱系數(shù)）顆粒本身的導(dǎo)熱系數(shù)p（有實(shí)驗(yàn)測定）（有實(shí)驗(yàn)測定） （2）顆粒與流體間傳熱的給熱系數(shù)）顆粒與流體間傳熱的給熱系數(shù)hp （3）管壁處的給熱系數(shù)）管壁處的給熱系數(shù)hw31（4）總給熱系數(shù)）總給熱系數(shù)h0（

15、固定床單純作為換熱（固定床單純作為換熱裝置時(shí)，以床層的平均溫度與管壁的溫差為裝置時(shí)，以床層的平均溫度與管壁的溫差為推動力）；推動力）；（5）有效導(dǎo)熱系數(shù)）有效導(dǎo)熱系數(shù)e（在擬均相模型中，（在擬均相模型中，把包括顆粒與流體的床層視為均相）把包括顆粒與流體的床層視為均相）由于混合擴(kuò)散情況的差異，需要進(jìn)一步區(qū)分由于混合擴(kuò)散情況的差異，需要進(jìn)一步區(qū)分軸向和徑向的有效導(dǎo)熱系數(shù)。如：軸向和徑向的有效導(dǎo)熱系數(shù)。如： 軸向軸向ez和和徑向徑向er。)(傅立葉定律lTAtQeR3232p32rt4ep0.35epeppbaph.1010R0.3023 876. 21hh. 1PPHHBSVCGCPSJRRJTT

16、SQ式中：）（的求法：）（傳熱催化劑顆粒與流體間的33PrrPuueruCPPGCSSNNRPSN普朗克準(zhǔn)數(shù)斯坦頓準(zhǔn)數(shù)努賽爾準(zhǔn)數(shù) h dh .pttpptaa41.0251.0-16100050,613.05010,904.0）（其中：BVeeeHeeHGSGRRRJRRJ34aprrapbaph)()(1 ()()(1 (hh)2(VABABVSVSHRTHRTSTTSQ故：）（定常態(tài)時(shí)：的傳熱溫差顆粒與流體間35顆?？紫堵柿黧w導(dǎo)熱系數(shù)固體導(dǎo)熱系數(shù)）（傅立葉定律僅限于擬均相系統(tǒng)有效導(dǎo)熱系數(shù)PGGSGeeRPPPlTAtQs1sse) 1 ()()(. 236的影響粒子間距與粒徑比向傳質(zhì)速率之

17、比橫向傳質(zhì)與流動方傳熱的增值對徑向代表流體流動混合導(dǎo)熱系數(shù)流體靜止時(shí)床層的流體導(dǎo)熱系數(shù) )()()2(00reereeePRPR37mRmRwRmwRwwm00w)(hq)(hqhh)3(TTTTTTTTTATTA二維：一維：器壁溫度靠近器壁處流體的溫度床層的平均溫度和數(shù)床層與器壁間的給熱系38四、固定床中的傳質(zhì)與混合四、固定床中的傳質(zhì)與混合 1.粒子與流體間的傳質(zhì)粒子與流體間的傳質(zhì)DSSDkSSSRSDGkJRTkkppSkccSkNCCLALADLAGAAsAbaVGAAsAbaVLAA斯密特準(zhǔn)數(shù)修伍德準(zhǔn)數(shù)其中，傳質(zhì)因子 dh hh p31ce323955 d 0.0016 d09.115

18、00 d 55 d25.070600165S0.75-0.35 d25.0)2(-16d1000 50 0.57 50 0.05 0.84)1(s3 2ss 13.0sC 593.0sasaee0.41ee0.51eGGJGGJGJGSGRRRJRRJDBDBBDBBVDD；對于液體：對于氣體：經(jīng)驗(yàn)式：）（傳質(zhì)因子經(jīng)驗(yàn)式：402.固定床中流體間的混合擴(kuò)散固定床中流體間的混合擴(kuò)散 當(dāng)流體流經(jīng)填充床時(shí)，不斷發(fā)生著發(fā)散和匯當(dāng)流體流經(jīng)填充床時(shí)，不斷發(fā)生著發(fā)散和匯合，在徑向比軸向更為顯著。合，在徑向比軸向更為顯著。 混合擴(kuò)散混合擴(kuò)散（包括三類不同的物理現(xiàn)象）：（包括三類不同的物理現(xiàn)象）： A.濃度差引起

19、的擴(kuò)散作用；濃度差引起的擴(kuò)散作用； B.紊流產(chǎn)生的流體流動；紊流產(chǎn)生的流體流動； C.固體顆粒使流體改變流向產(chǎn)生的流動。固體顆粒使流體改變流向產(chǎn)生的流動。41 當(dāng)流體流經(jīng)填充床時(shí)，不斷發(fā)生著發(fā)散和匯當(dāng)流體流經(jīng)填充床時(shí)，不斷發(fā)生著發(fā)散和匯合，在徑向比軸向更為顯著。合，在徑向比軸向更為顯著。 混合擴(kuò)散混合擴(kuò)散（包括三類不同的物理現(xiàn)象）：（包括三類不同的物理現(xiàn)象）： A.濃度差引起的擴(kuò)散作用；濃度差引起的擴(kuò)散作用； B.紊流產(chǎn)生的流體流動；紊流產(chǎn)生的流體流動； C.固體顆粒使流體改變流向產(chǎn)生的流動。固體顆粒使流體改變流向產(chǎn)生的流動。42 在固定床反應(yīng)器中，其粒內(nèi)、外傳遞過程的重要性順在固定床反應(yīng)器中

20、，其粒內(nèi)、外傳遞過程的重要性順序：序： 傳質(zhì)：傳質(zhì)：粒內(nèi)阻力粒內(nèi)阻力床層內(nèi)阻力床層內(nèi)阻力流體與粒子間的阻力；流體與粒子間的阻力； 傳熱：傳熱：床層內(nèi)阻力床層內(nèi)阻力流體與粒子間的阻力流體與粒子間的阻力粒內(nèi)阻力。粒內(nèi)阻力。 在工業(yè)裝置中，由于流速較高，流體與粒子間在工業(yè)裝置中，由于流速較高，流體與粒子間的溫度差和濃度差，除少數(shù)快速強(qiáng)放熱反應(yīng)外，都可的溫度差和濃度差，除少數(shù)快速強(qiáng)放熱反應(yīng)外，都可以忽略。以忽略。 研究重點(diǎn)：研究重點(diǎn)： 傳質(zhì)：傳質(zhì)：粒內(nèi)擴(kuò)散（催化劑的有效系數(shù)粒內(nèi)擴(kuò)散（催化劑的有效系數(shù)） 傳熱：傳熱：床層內(nèi)的傳熱（床層中的有效導(dǎo)熱系數(shù)床層內(nèi)的傳熱（床層中的有效導(dǎo)熱系數(shù)e） 固定床反應(yīng)器的

21、設(shè)計(jì)和放大可以采用擬均相模型固定床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和放大可以采用擬均相模型處理。處理。43第三節(jié)：固定床催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)模型第三節(jié)：固定床催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)模型徑向梯度二維模型粒內(nèi)梯度界面梯度一維模型非均相模型徑向梯度二維模型軸向返混基本模型一維模型擬均相模型設(shè)計(jì)模型21212121bbb b bb.aaa a aa.44 設(shè)計(jì)固定床反應(yīng)器的要求：設(shè)計(jì)固定床反應(yīng)器的要求： 1生產(chǎn)強(qiáng)度盡量大生產(chǎn)強(qiáng)度盡量大 2氣體通過床層阻力小氣體通過床層阻力小 3床層溫度分布合理床層溫度分布合理 4運(yùn)行可靠，檢修方便運(yùn)行可靠，檢修方便 計(jì)算包括三種情況計(jì)算包括三種情況： 1設(shè)計(jì)新反應(yīng)器的工藝尺寸設(shè)計(jì)新反應(yīng)器的工藝尺寸

22、 2對現(xiàn)有反應(yīng)器，校核工藝指標(biāo)對現(xiàn)有反應(yīng)器，校核工藝指標(biāo) 3對現(xiàn)有反應(yīng)器，改進(jìn)工藝指標(biāo)，達(dá)到最對現(xiàn)有反應(yīng)器，改進(jìn)工藝指標(biāo)，達(dá)到最大生產(chǎn)強(qiáng)度。大生產(chǎn)強(qiáng)度。45模型化模型化 對于一個過程，進(jìn)行對于一個過程，進(jìn)行合理的簡化合理的簡化，利用，利用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述，在一定的輸入條件數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述，在一定的輸入條件下，預(yù)測體系輸出的變化。下，預(yù)測體系輸出的變化。 對同一個體系，根據(jù)不同的簡化和假定，對同一個體系，根據(jù)不同的簡化和假定，可以構(gòu)造不同的模型?？梢詷?gòu)造不同的模型。 不同的簡化和假定，也決定了模型必然不同的簡化和假定，也決定了模型必然含有一些參數(shù)，以修正模型與實(shí)際體系含有一些參數(shù)，以修正模型與實(shí)

23、際體系的差異。的差異。 根據(jù)不同的簡化和假定，分為幾種不同根據(jù)不同的簡化和假定，分為幾種不同層次的模型。層次的模型。46 對于固定床反應(yīng)器，一般有以下模型：對于固定床反應(yīng)器，一般有以下模型： 一維擬均相平推流模型一維擬均相平推流模型 一維擬均相帶有軸向返混的模型一維擬均相帶有軸向返混的模型 二維擬均相模型二維擬均相模型 二維非均相模型二維非均相模型 二維非均相帶有顆粒內(nèi)梯度的模型二維非均相帶有顆粒內(nèi)梯度的模型 47 一維：參數(shù)只隨軸向位置而變。一維：參數(shù)只隨軸向位置而變。 二維：參數(shù)隨軸向和徑向位置而變。二維：參數(shù)隨軸向和徑向位置而變。 擬均相：流相和固相結(jié)合，視為同一相。擬均相：流相和固相結(jié)

24、合，視為同一相。 非均相：流相和固相分別考慮。非均相：流相和固相分別考慮。 平推流：不考慮軸向返混。平推流：不考慮軸向返混。 帶有軸向返混的模型：在平推流模型的帶有軸向返混的模型：在平推流模型的基礎(chǔ)上疊加了軸向返混?；A(chǔ)上疊加了軸向返混。48一、擬均相一維平推流模型一、擬均相一維平推流模型 （1）物料衡算）物料衡算 在管式反應(yīng)器中垂直于流在管式反應(yīng)器中垂直于流動方向取一個微元，以這動方向取一個微元，以這個微元對個微元對A組份做物料衡算：組份做物料衡算：dv輸入 輸出= 反應(yīng) 積累FA FA+dFA (-RA)(1-B)Aidl 049 整理得：整理得： 對照平推流反應(yīng)器模型對照平推流反應(yīng)器模型

25、 二者相同二者相同出：催化劑堆密度或者以催化劑質(zhì)量計(jì)：以催化劑體積計(jì)A0A0A00A00BAAB0A0BAAAA00BAAdddddd1ddxBALRxculculRxcuRlxRcuRlx出A0AA0A0RdxrxcVV50（2）熱量衡算：（仍然是那塊體積）熱量衡算：（仍然是那塊體積）輸入熱量輸出熱量輸入熱量輸出熱量+反應(yīng)熱效應(yīng)反應(yīng)熱效應(yīng)=與外界的熱交換與外界的熱交換+積累積累輸入：輸入：G cp T G質(zhì)量流量質(zhì)量流量, cp恒壓熱容恒壓熱容輸出：輸出：G cp(T+dT)反應(yīng)熱效應(yīng)反應(yīng)熱效應(yīng)：(-RA)(1-B)(-H)Aidl熱交換：熱交換：U(T-Tr)ndidl di反應(yīng)器直徑反應(yīng)

26、器直徑積累：積累：0U:氣流與冷卻介質(zhì)之間的換熱系數(shù)氣流與冷卻介質(zhì)之間的換熱系數(shù)Tr：環(huán)境溫度：環(huán)境溫度51 將各式代入，得將各式代入，得 （3）動量衡算：仍然是）動量衡算：仍然是Ergun方程方程gprBA41dducTTdnUHRlTi s2mg3BBm175. 1Re150dddulp）（：動力學(xué)方程ASACRfk)4(V52 將三個方程聯(lián)立：將三個方程聯(lián)立： 邊界條件：邊界條件：L=0, p=p0, xA=xA0, T=T0gprBA41dducTTdnUHRlTi0A0BAA1ddcuRlx s2mg3BBm175. 1Re150dddulp53需要注意的問題需要注意的問題 1 從解

27、題的角度看，一般壁溫恒定，實(shí)際從解題的角度看，一般壁溫恒定，實(shí)際情況并非如此。情況并非如此。 2 對于低壓系統(tǒng)，壓降十分重要。對于低壓系統(tǒng)，壓降十分重要。 3 U不是物性參數(shù)，需實(shí)驗(yàn)確定。不是物性參數(shù)，需實(shí)驗(yàn)確定。 4 注意注意u0, u, um 的關(guān)系。的關(guān)系。 5 如果多根管子并聯(lián)，體系將自動調(diào)節(jié)各如果多根管子并聯(lián)，體系將自動調(diào)節(jié)各管的流量，使壓降相同，此時(shí)各管的處管的流量，使壓降相同，此時(shí)各管的處理量不同，轉(zhuǎn)化率不同，造成生產(chǎn)能力理量不同，轉(zhuǎn)化率不同，造成生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量下降。和產(chǎn)品質(zhì)量下降。54典型模擬結(jié)果典型模擬結(jié)果55 兩種特殊情況：兩種特殊情況： (1)等溫：反應(yīng)熱效應(yīng)不大，管

28、徑較小，等溫：反應(yīng)熱效應(yīng)不大，管徑較小，傳熱很好時(shí)，可近似按等溫計(jì)算。傳熱很好時(shí)，可近似按等溫計(jì)算。 等溫時(shí)，等溫時(shí)，）（ASACRcuRlxlTdulpfk1dd0dd175. 1Re150ddV0A0BAAs2mg3BBm 56）（故方程的解：ASAAAACRTTRcuLduPPTTXXPPLCBAfkdx1175. 1Re150, 0.V0 x0AB0A0s2mg3BBm00, 00 57(2)絕熱：絕熱：若絕熱，則若絕熱，則T=Tr，或者認(rèn)為，或者認(rèn)為QS=0。 s2mg3BBm175. 1Re150dddulpgpBA1dducHRlT0A0BAA1ddcuRlx）（ASACRfkV

29、58 A.單段絕熱床反應(yīng)器單段絕熱床反應(yīng)器 此時(shí)，將物料衡算式與熱量衡算式合并，可此時(shí)，將物料衡算式與熱量衡算式合并，可得：得： ：絕熱溫升，：絕熱溫升， T2T1=(xA2xA1)當(dāng)當(dāng)xA2xA11時(shí)，則時(shí)，則 = T2T1。即在絕熱反應(yīng)中，當(dāng)組分即在絕熱反應(yīng)中，當(dāng)組分A完全反應(yīng)時(shí)反應(yīng)混完全反應(yīng)時(shí)反應(yīng)混合物溫度上升的數(shù)值。合物溫度上升的數(shù)值。 -溫度可能上升或溫度可能上升或下降的極限。下降的極限。 吸熱反應(yīng)：絕熱溫降吸熱反應(yīng)：絕熱溫降放熱反應(yīng)：絕熱溫升放熱反應(yīng)：絕熱溫升p0Agp0A0ddmcHFAAuccuHxTriirA59 由此可見，對于給定的反應(yīng)系統(tǒng)，絕由此可見，對于給定的反應(yīng)系統(tǒng)，

30、絕熱溫升熱溫升決定于反應(yīng)物組成的含量決定于反應(yīng)物組成的含量 和熱和熱效應(yīng)效應(yīng) 的的 大小。大小。 對于反應(yīng)熱效應(yīng)較大時(shí)，其對于反應(yīng)熱效應(yīng)較大時(shí)，其絕熱溫升絕熱溫升可達(dá)可達(dá)數(shù)百數(shù)百K,若不采取措施往往會使反應(yīng)終了的溫若不采取措施往往會使反應(yīng)終了的溫度超過催化劑所能承受的溫度范圍。度超過催化劑所能承受的溫度范圍。 為此，有時(shí)采用降低進(jìn)口初始濃度的辦法為此，有時(shí)采用降低進(jìn)口初始濃度的辦法來調(diào)節(jié)反應(yīng)器的出口濃度或在每段床層之間來調(diào)節(jié)反應(yīng)器的出口濃度或在每段床層之間進(jìn)行換熱的多段絕熱固定床反應(yīng)器來完成預(yù)進(jìn)行換熱的多段絕熱固定床反應(yīng)器來完成預(yù)定任務(wù)。定任務(wù)。0AFrH60AA0AAA0APA0AP0A0T

31、BTAA0A0B0A0BAAdddddd1dd11ddRxFWRxFVRFVcuAlARxlcucuRlx質(zhì)量為基準(zhǔn)，則：如果動力學(xué)方程以顆粒準(zhǔn)，則：學(xué)方程以顆粒體積為基力中的基準(zhǔn)對應(yīng)，如果動要求與反應(yīng)動力學(xué)方程積：左端上下同乘床層截面變形：61B.多段絕熱床反應(yīng)器多段絕熱床反應(yīng)器 中間間接換熱式中間間接換熱式 中間原料冷激式中間原料冷激式 中間非原料冷激式中間非原料冷激式 對于多段（或多臺串聯(lián)）的絕熱固定床，對于多段（或多臺串聯(lián)）的絕熱固定床，每一段的計(jì)算方法，原則上與每一段的計(jì)算方法，原則上與A中介紹的中介紹的方法一樣，只是每一層的進(jìn)料狀態(tài)有變方法一樣，只是每一層的進(jìn)料狀態(tài)有變化?；?2

32、63abcdefg平衡線理想溫度線x(或或c)t/abcdefghh原料氣原料氣冷劑冷劑冷劑冷劑冷劑冷劑 中間間接換熱式64abcdefg平衡線理想溫度線x(或或c)t/abcdefghh原料氣原料氣冷激氣冷激氣 中間原料冷激式65 由圖可以看出，多段絕熱固定床反應(yīng)器，由圖可以看出，多段絕熱固定床反應(yīng)器，采用的段數(shù)越多，反應(yīng)越接近于最佳溫采用的段數(shù)越多，反應(yīng)越接近于最佳溫度下進(jìn)行，最終的轉(zhuǎn)化率越高，但段數(shù)度下進(jìn)行，最終的轉(zhuǎn)化率越高，但段數(shù)越多，造成設(shè)備復(fù)雜，操作不便，一般越多，造成設(shè)備復(fù)雜，操作不便，一般最多采用最多采用6-7段，其中段，其中3-4段常用。段常用。66C.可逆放熱反應(yīng)絕熱反應(yīng)器

33、的最優(yōu)化可逆放熱反應(yīng)絕熱反應(yīng)器的最優(yōu)化（以（以SO21/2O2=SO3為例）為例）xT平衡線等速率線0二氧化硫氧化反應(yīng)Tx圖示意67 二氧化硫氧化反應(yīng)氣固相催化反應(yīng)，二氧化硫氧化反應(yīng)氣固相催化反應(yīng)，用于硫酸生產(chǎn)，可逆，強(qiáng)放熱，絕大多用于硫酸生產(chǎn)，可逆，強(qiáng)放熱，絕大多數(shù)生產(chǎn)過程采用多段絕熱操作。數(shù)生產(chǎn)過程采用多段絕熱操作。 最優(yōu)化目的：在完成一定生產(chǎn)任務(wù)的條最優(yōu)化目的：在完成一定生產(chǎn)任務(wù)的條件下，使用的催化劑最少。件下，使用的催化劑最少。 已知條件：第一段入口和最后一段出口已知條件：第一段入口和最后一段出口轉(zhuǎn)化率；第一段入口反應(yīng)物濃度，各物轉(zhuǎn)化率；第一段入口反應(yīng)物濃度，各物性參數(shù)；段與段間采用間

34、接冷卻。性參數(shù)；段與段間采用間接冷卻。 可以改變的參數(shù)：各段的入口溫度；段可以改變的參數(shù)：各段的入口溫度；段與段之間的轉(zhuǎn)化率。與段之間的轉(zhuǎn)化率。68以四段為例：以四段為例： 催化劑用量為：（基于擬均相平推流模催化劑用量為：（基于擬均相平推流模型）型） 基于某一動力學(xué)方程，適當(dāng)選取各段的基于某一動力學(xué)方程，適當(dāng)選取各段的入口溫度；段與段之間的轉(zhuǎn)化率共入口溫度；段與段之間的轉(zhuǎn)化率共7個個（N段為段為2N1個）參數(shù)，使個）參數(shù)，使W最小。最小。4outin4out3in3out2in21outin1,d,d,d,d43210AxxxxxxxxTxrxTxrxTxrxTxrxFW69x1in,T1in

35、x1out,T2inx2outT3inx3outT4inx4out第一段第二段第三段第四段70 xT0二氧化硫氧化反應(yīng)Tx圖示意斜線為段內(nèi)操作線，斜率為斜線為段內(nèi)操作線，斜率為1/。水平線表示段間為間接冷卻，只是溫度降低，水平線表示段間為間接冷卻，只是溫度降低，轉(zhuǎn)化率不變。轉(zhuǎn)化率不變。在Tx圖上看：71 調(diào)用最優(yōu)化程序，就可以求得調(diào)用最優(yōu)化程序，就可以求得W最小值？最小值？ 可以，但很困難?？梢?，但很困難。 進(jìn)一步數(shù)學(xué)處理：進(jìn)一步數(shù)學(xué)處理： 在任意一段內(nèi)，當(dāng)在任意一段內(nèi)，當(dāng)xin及及xout確定之后，應(yīng)確定之后，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)倪M(jìn)口溫度選取適當(dāng)?shù)倪M(jìn)口溫度Tin，使催化劑量最，使催化劑量最小。小。0

36、d,1,din2in0AoutinoutinouinxTTxrrTxrdxTTxrxFWxxxxxxt72 在任意相鄰兩段間：速率。等于前一段的出口反應(yīng)后一段的入口反應(yīng)速率少，無論中間轉(zhuǎn)化率是多即：變上限定積分的偏微分。使兩段催化劑之和最小選取中間轉(zhuǎn)化率TxrTxrTxrTxrTxrxTxrxxxxTxrxTxrxFWFWiiiiiiiixxixxiiiixxixxiiiiiiiiiii,0,1,10,d,d,d,din11outin11out1outin1out1A01A0out1in1outinout1in1outin73 匯總：01,01,01,014424444333332333322

37、22222222111112144332211dxTrrTxrTxrdxTrrTxrTxrdxTrrTxrTxrdxTrrinxxininoutoutinxxininoutoutinxxininoutoutinxxoutinoutinoutinoutin第四段：第三、四段之間：第三段：第二、三段之間：第二段：第一、二段之間：第一段：74 七個方程，七個未知數(shù)，可能是唯一解。七個方程，七個未知數(shù)，可能是唯一解。 討論：從討論：從Tx圖上看：圖上看：xT0二氧化硫氧化反應(yīng)Tx圖示意最佳溫度曲線75 例例6-3 (1)任務(wù)書任務(wù)書 在管式反應(yīng)器中進(jìn)行的鄰二在管式反應(yīng)器中進(jìn)行的鄰二甲苯催化氧化制鄰苯二

38、甲酸酐是強(qiáng)放熱反應(yīng)甲苯催化氧化制鄰苯二甲酸酐是強(qiáng)放熱反應(yīng)過程，催化劑為過程，催化劑為V2O5，以有催化作用的硅膠，以有催化作用的硅膠為載體。為載體。 活性溫度范圍：活性溫度范圍： 610700K 粒徑：粒徑： dP=3mm 堆積密度：堆積密度： B=1300kg.m-3 催化劑有效因子：催化劑有效因子： =0.67 催化劑比活性：催化劑比活性： LR=0.92 反應(yīng)器管長：反應(yīng)器管長： L=3m76 管內(nèi)徑：管內(nèi)徑： dt=25mm 管數(shù)：管數(shù)： n=2500根根 由鄰苯二甲酸酐產(chǎn)量推算，原料氣體混由鄰苯二甲酸酐產(chǎn)量推算，原料氣體混合物單管入口質(zhì)量流速合物單管入口質(zhì)量流速:G=9200kg.m

39、-2h-1。烴在進(jìn)入反應(yīng)器之前蒸發(fā)，并與空氣混烴在進(jìn)入反應(yīng)器之前蒸發(fā)，并與空氣混合。為保持在爆炸極限以外，控制鄰二合。為保持在爆炸極限以外，控制鄰二甲苯的摩爾分?jǐn)?shù)低于甲苯的摩爾分?jǐn)?shù)低于1。操作壓力接近。操作壓力接近常壓：常壓：p=1267kPa。77 原料氣中原料氣中 鄰二甲苯的初摩爾分?jǐn)?shù)：鄰二甲苯的初摩爾分?jǐn)?shù)： yA0=0.9 空氣的初摩爾分?jǐn)?shù)：空氣的初摩爾分?jǐn)?shù)： yB0=99.1 混合氣平均相對分子質(zhì)量：混合氣平均相對分子質(zhì)量： M=30.14kg.kmol-1 混合氣平均熱容：混合氣平均熱容：cP=1.071kJ.kg-1K-1 混合氣入口溫度：混合氣入口溫度：640-650K78 化學(xué)

40、反應(yīng)式：化學(xué)反應(yīng)式： 宏觀反應(yīng)動力學(xué)：宏觀反應(yīng)動力學(xué)： SPBAO3HOCHC3OCHHC2324622346TkpkpLR13636837.19exphkgkmol11BARA79 (2)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求 按一維擬均相理想流模型分按一維擬均相理想流模型分別測算在絕熱式反應(yīng)器和換熱式反應(yīng)器中別測算在絕熱式反應(yīng)器和換熱式反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化率分布、溫度分布，并繪制的轉(zhuǎn)化率分布、溫度分布，并繪制L-xA-T分布曲線。分布曲線。 在換熱條件下，反應(yīng)器管間用熔鹽循環(huán)冷在換熱條件下，反應(yīng)器管間用熔鹽循環(huán)冷卻，并將熱量傳遞給外部鍋爐。管間熱載卻，并將熱量傳遞給外部鍋爐。管間熱載體熔鹽溫度范圍體熔鹽溫度范圍630

41、650K。 床層對流給熱系數(shù)床層對流給熱系數(shù)hW=561kJ.m-2h-1K-1 顆粒的有效導(dǎo)熱系數(shù)顆粒的有效導(dǎo)熱系數(shù)S=2.80kJ.m-1h-1K-180 總括給熱系數(shù)總括給熱系數(shù) 一方面可以進(jìn)行反應(yīng)器設(shè)計(jì)的優(yōu)化（多一方面可以進(jìn)行反應(yīng)器設(shè)計(jì)的優(yōu)化（多方案比較）；另一方面可以進(jìn)行反應(yīng)器方案比較）；另一方面可以進(jìn)行反應(yīng)器參數(shù)的靈敏性分析，即通過改變?nèi)缦聟?shù)的靈敏性分析，即通過改變?nèi)缦聟?shù)，考慮測算結(jié)果的變化。數(shù)，考慮測算結(jié)果的變化。112tWSWKhmkJ88dhhUS81催化劑有效因子 總括給熱系數(shù) U 催化劑比活性 LR 管間冷載體熔鹽溫度 TS 進(jìn)料組成（原料氣中 鄰二甲苯的初摩爾分?jǐn)?shù)

42、）yA0 操作壓力 p 管內(nèi)徑 dt 管數(shù) n 混合氣入口溫度 T0 原料氣體混合物單管入 口質(zhì)量流速 G 82 (3)計(jì)算方法計(jì)算方法 設(shè)定入口溫度等于管壁溫度，調(diào)用數(shù)值設(shè)定入口溫度等于管壁溫度，調(diào)用數(shù)值積分程序同時(shí)對以下兩式進(jìn)行數(shù)值積分。積分程序同時(shí)對以下兩式進(jìn)行數(shù)值積分。0A0mBAA1ddcuRlxWt0BAPBm411ddTTdhnRHculT83 (4)計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果 根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制xA-l，T-l曲線，如圖。曲線，如圖。 按照設(shè)計(jì)要求改變諸參數(shù)看其影響。按照設(shè)計(jì)要求改變諸參數(shù)看其影響。84二、擬均相一維非理想流動模型二、擬均相一維非理想流動模型 非理想模型，當(dāng)

43、平推流模型描述不夠滿非理想模型，當(dāng)平推流模型描述不夠滿意時(shí)采用。意時(shí)采用。 修正軸向熱量、質(zhì)量返混帶來的與平推修正軸向熱量、質(zhì)量返混帶來的與平推流模型的偏離。流模型的偏離。 物理模型：物理模型： 在擬均相平推流模型上迭加一個軸向返在擬均相平推流模型上迭加一個軸向返混，與混，與 非理想流動非理想流動中介紹的返混模中介紹的返混模型相同，但增加熱擴(kuò)散的考慮。型相同，但增加熱擴(kuò)散的考慮。85 （1）物料衡算：）物料衡算： 穩(wěn)態(tài)，在穩(wěn)態(tài)，在dVR體積中對體積中對A組份做物料衡算：組份做物料衡算： 輸入輸入 輸出輸出 反應(yīng)反應(yīng) 輸入輸出反應(yīng)輸入輸出反應(yīng)LdlcA0,FA0,xA0=0,V0cA,FA,xA

44、,VFA, xAFA+dFA,xA+dxAdVRlARcuAFAllcclEFFAlcEFiiiid1dd ddddddddBAAAAAZAAAZA86 將以上三式合并，得：將以上三式合并，得： 式中，式中，EZ為軸向有效擴(kuò)散系數(shù)。為軸向有效擴(kuò)散系數(shù)。 （2）熱量衡算：）熱量衡算： 在同樣條件下，對在同樣條件下，對dVR做熱量衡算：做熱量衡算：01ddddAA2A2ZBRlculcElTATTcAullTTlATcAuiiiiddddddddepgepg輸出：輸入：87 反應(yīng)：反應(yīng)： 散熱：散熱： 輸入放熱輸出散熱輸入放熱輸出散熱 整理得：整理得： e為軸向有效導(dǎo)熱系數(shù)為軸向有效導(dǎo)熱系數(shù)lTT

45、hdlAHRiidd1r0BA041ddddrBAp22eTTdnhHRlTculTiog88 邊值條件：邊值條件： 二階常微分方程組，兩點(diǎn)邊值問題。二階常微分方程組，兩點(diǎn)邊值問題。 可調(diào)用程序求解可調(diào)用程序求解0dd0dddddd0AZ0pg0AZAA00lTlcLllTTTculcEccul89討論： 1 軸向擴(kuò)散的引入，可以導(dǎo)致溫度、濃度軸向擴(kuò)散的引入，可以導(dǎo)致溫度、濃度分布趨于平緩。分布趨于平緩。 2 許多不確定因素可以歸結(jié)到軸向擴(kuò)散中。許多不確定因素可以歸結(jié)到軸向擴(kuò)散中。 3 軸向擴(kuò)散可能會造成多重態(tài)。軸向擴(kuò)散可能會造成多重態(tài)。 4 軸向擴(kuò)散系數(shù)與軸向?qū)嵯禂?shù)有一定的軸向擴(kuò)散系數(shù)與軸

46、向?qū)嵯禂?shù)有一定的函數(shù)關(guān)系。函數(shù)關(guān)系。 5 經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)床層厚度大于經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)床層厚度大于50倍顆粒直倍顆粒直徑時(shí)，軸向熱質(zhì)擴(kuò)散（軸向返混）對出徑時(shí)，軸向熱質(zhì)擴(kuò)散（軸向返混）對出口轉(zhuǎn)化率所造成的影響可以忽略不計(jì)?？谵D(zhuǎn)化率所造成的影響可以忽略不計(jì)。90 6 軸向擴(kuò)散系數(shù)和軸向?qū)嵯禂?shù)都不是物軸向擴(kuò)散系數(shù)和軸向?qū)嵯禂?shù)都不是物性參數(shù)。其中都包含了流體和固體顆粒性參數(shù)。其中都包含了流體和固體顆粒雙重的貢獻(xiàn)。雙重的貢獻(xiàn)。 7 軸向擴(kuò)散系數(shù)和軸向?qū)嵯禂?shù)需通過實(shí)軸向擴(kuò)散系數(shù)和軸向?qū)嵯禂?shù)需通過實(shí)驗(yàn)求取或參考文獻(xiàn)值及通過經(jīng)驗(yàn)公式求驗(yàn)求取或參考文獻(xiàn)值及通過經(jīng)驗(yàn)公式求取。取。91三、二維擬均相模型三、二維擬

47、均相模型 二維：軸向和徑向二維：軸向和徑向 對于徑向存在較大的溫度差、濃度差的對于徑向存在較大的溫度差、濃度差的反應(yīng)器，一維模型有時(shí)不能滿足要求，反應(yīng)器，一維模型有時(shí)不能滿足要求，需要考慮徑向的溫度濃度分布。需要考慮徑向的溫度濃度分布。 與一維模型相比，考慮的因素更多，得與一維模型相比，考慮的因素更多，得到的結(jié)果更復(fù)雜，各有優(yōu)缺點(diǎn)。到的結(jié)果更復(fù)雜，各有優(yōu)缺點(diǎn)。92前面介紹的擬均相一維模型其基本假定是在前面介紹的擬均相一維模型其基本假定是在床層徑向方向上無濃度、溫度梯度存在。床層徑向方向上無濃度、溫度梯度存在。實(shí)際上若管徑較大，反應(yīng)熱也較大，徑向溫度實(shí)際上若管徑較大，反應(yīng)熱也較大，徑向溫度往往是相當(dāng)可觀的。在設(shè)計(jì)中應(yīng)同時(shí)考慮往往是相當(dāng)可觀的。在設(shè)計(jì)中應(yīng)同時(shí)考慮軸向軸向和徑向的濃度和溫度分布和徑向的濃度和溫度分布。如：在直徑為如：在直徑為50mm的管式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的管式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行SO2氧化反應(yīng)（放熱反應(yīng)），管外用加套冷卻，使氧化反應(yīng)（放熱反應(yīng)），管外用加套冷卻，使管壁溫度維持在管壁溫度維持在197度，而管中心部位的溫度度，而管中心部位的溫度可達(dá)可達(dá)520度，即度，即T-TW=323度度 。93模型假定模型假定： 1 反應(yīng)在反應(yīng)在圓管圓管式反應(yīng)器中進(jìn)行。式反應(yīng)器中進(jìn)行。 2 流體在催化劑管內(nèi)為非理想流動，存在