反應工程課件 第七章課件

第七章多相催化反應器的設計與分析反應器的分類固體催化劑的存在狀態(tài)相對靜止固定床，滴流床運

動流化床，漿態(tài)床，…17.1

固定床內的傳遞現(xiàn)象固定床催化劑內的傳質與傳熱固定床催化劑與流體相間的傳質與傳熱固定床床層內徑向傳質與傳熱固定床床層內軸向傳質與傳熱一維模型軸向傳質傳熱二維模型軸向+徑向傳質傳熱27.1.1

固定床內的流體流動表征床層內催化裝填結構的物理量固定床空隙率流化床固含率=f(dp,形狀，dp/dt，填充方式)固定床同一橫截面處空隙率不相等床層直徑與顆粒直徑越大，床層空隙率分布越均勻空隙率徑向分布3固定床內的傳遞現(xiàn)象固定床內的流體流動小結：真實床層徑向空隙率分布是不均勻的，在距壁面約1～2倍粒徑處，空隙率最大。－壁效應床層直徑與顆粒直徑之比越小，徑向流速分布越不均勻由于空隙率分布不均勻。造成徑向流速分布不同于空管為了消除壁效應，一般，管徑與粒徑之比應大于84固定床壓降的計算——流體流動的壓力損失層流顆粒的粘滯曳力，即流體與顆粒表面間的摩擦湍流流體流動過程中孔道截面積突然擴大和收縮流體對催化劑顆粒的碰撞流體的再分布u0、dp－比外表面積相等的球體計

空床氣速Re<10,層流Re>1000,湍流5例7.1

催化劑直徑9mm,高7mm,p=0.6865MPa,水煤氣變換M=18.96,G=0.936kg/s.m2,T=689K,=2.5×10-5Pa.s,p=2000kg/m3,b=1400kg/m3，計算單位床層高度的壓力降67.1.2

固定床內軸向質量和熱量擴散混合池模型軸向擴散距離氣體7結論：工業(yè)固定床反應器流動大多數(shù)可采用活塞流描述實驗室固定床反應器流動可能不能滿足活塞流的要求等溫固定床可否采用活塞流模型非等溫固定床可否采用活塞流模型鄰二甲苯氧化反應，放熱固定床反應器徑向溫度分布7.1.3

固定床內徑向傳質與傳熱徑向傳熱8固定床內徑向傳熱熱阻

（1）床層本身（2）器壁上層流邊界層（壁膜傳熱系數(shù)hw）顆粒接觸處的熱傳導相鄰顆粒周圍的邊界層的傳導顆粒間的輻射顆粒內的傳導流體流動的貢獻床層總熱阻（總傳熱系數(shù)ht）固定床的傳熱粒內傳熱粒子與流體間的傳熱床層與器壁的傳熱

熱阻大徑向有效導熱系數(shù)9徑向總傳熱系數(shù)ht的關聯(lián)式球形顆粒圓柱形顆粒徑向傳質實驗5～13多數(shù)≈1010徑向傳質徑向濃度梯度實驗117.2

固定床反應器的數(shù)學模型平推流的一維模型**有軸向返混的一維模型*有徑向混合和徑向溫差的二維模型1.活塞流模型非均相模型第四章介紹的擬均相一維模型擬均相一維模型非均相一維模型忽略了相際傳遞考慮了相際傳遞為宏觀動力學為本征動力學質量衡算

121.活塞流模型熱量衡算

主流體帶出的熱反應熱由器壁傳出的熱第四章，變溫管式反應器，均相動量衡算

Tc不等于常數(shù)

131.活塞流模型復合反應

2.軸向擴散模型第五章熱量衡算14邊界條件模型方程需要的基本數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)

獲得方法

反應動力學

-RA,實驗、計算

熱力學

-Hr,cpt,,計算、實驗

傳遞數(shù)據(jù)

De,e實驗、計算

床層性質

b等實驗、計算

混合數(shù)據(jù)

Da,ea實驗、計算

157.3

絕熱式固定床反應器7.3.1

絕熱反應器的類型單段多段①、反應熱效應較?、佟⒎磻獰嵝螈?、溫度對目的產(chǎn)物收率影響不大②、有最佳操作溫度③、加有載熱體或單程轉化率低③、單程轉化率高多段絕熱反應器類型①、間接換熱式②、原料氣冷激式③、非原料氣冷激式按段間換熱方式16多段絕熱反應器的類型多段固定床絕熱反應器原料產(chǎn)品原料產(chǎn)品產(chǎn)品原料冷激劑177.3.2

絕熱式固定床反應器催化劑用量（單段）18例7.2某固定床反應器0.1013MPa下燃燒處理含苯酚廢氣，處理量Q=1200m3/h，苯酚質量分數(shù)為800mg/kg，T0=403K，要求燃燒后苯酚質量分數(shù)為100mg/kg。催化劑直徑8mm，該催化劑上苯酚燃燒為一級反應，k=7.03*106exp(-5000/T),min。忽略外擴散阻力，試計算催化劑用量19207.3.3

多段絕熱式固定床反應器產(chǎn)品原料IIIIIITXA平衡曲線最佳溫度線T=XA間接換熱式三段絕熱固定床反應器T-XA21目標函數(shù)催化劑用量最少**產(chǎn)品成本最低產(chǎn)量最大各段按PFR計算

各段變量

進口

出口

N段有4N個變量

變量總數(shù)=4N-2，需要4N-2個方程求解

22段間

23段內

兩式含義：為保證催化劑總用量最少，任何一段的出口轉化速率應等于下一段進口的轉化速率；在規(guī)定的進、出口轉化率下，存在一最佳的進口溫度，使催化劑總用量最少24方程總數(shù)4N-2個

計算步驟⑨、重復⑤~⑧④、

⑤、

⑥、⑦、⑧、①、②、③、257.4換熱式固定床反應器換熱式固定床反應器原料載熱體反應管可以加長到3m，管徑Φ25~30mm，根數(shù)在幾千到幾萬根；床層軸向溫度分布相對來說比較均勻，適合強放熱反應；和流化床比，催化劑磨損小、返混小和催化劑生產(chǎn)能力較高7.4.2單一反應時的分析26XA最佳溫度曲線平衡曲線絕熱操作線①、不可逆放熱反應及吸熱反應，溫度升高，轉化率增大②、可逆放熱反應，存在最佳溫度線27熱點溫度床層溫度分布均勻放熱反應吸熱反應287.4.3進行復合反應時的分析29苯酐（B）CO,CO2(C)30初值條件31鄰二甲苯氧化反應器床層軸向溫度和苯酐收率分布327.5自熱式固定床反應器并流不同流向自熱式固定床反應器軸向溫度分布7.5.1反應物料的流向逆流33逆流并流反應器溫度很快升至熱點，且下降較快相反反應后期易過冷前期升溫較慢，后期易過熱可逆放熱反應不可逆放熱反應7.5.2數(shù)學模擬反應放熱＝反應氣升溫的熱量＋原料氣升溫的熱量34任何截面冷卻介質溫度與床層內反應氣體的溫度及轉化率的關系式用非絕熱變溫固定床反應器的設計方程

絕熱反應自熱反應35逆流并流逆流自熱式并流為“+”，逆流為“─”

36逆流并流自熱式固定床反應器的設計思路37影響因素:進料濃度,進料溫度,冷卻介質溫度,空速(換熱系數(shù))7.6參數(shù)敏感性熱點處研究對象：床層熱點溫度Tm

熱點溫度范圍：

T0<Tm<T0+研究內容：操作參數(shù)對Tm的影響

-RA和0按.熱點溫度計算38冷卻介質溫度進料濃度可以安全操作一級不可逆放熱反應假定

e=2.718絕熱溫升

39例7.4一級放熱反應,換熱式固定床dt=25mm,床層最高溫度是多少?允許最大的進料濃度是多少?進料濃度為0.001kmol/m3,允許反應器直徑做到多大?(1)(2)407.8實驗室催化反應器7.8.1氣固催化反應動力學測定基本要求固定床催化劑內的傳質與傳熱固定床催化劑與流體相間的傳質與傳熱固定床床層內徑向傳質與傳熱固定床床層內軸向傳質與傳熱等溫操作反應氣體保持理想流型全混流最理想活塞流評價催化劑研究反應動力學目的要求417.8.2動力學研究常用催化反應器類型1.積分反應器方法：改變FA0，其它條件如溫度、進料組成等保持不變，測定出口轉化率與W/FA0的關系積分反應器