氣固相催化固定床反應(yīng)器

1、 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 PB P B B P B 111 V V V 3 1 S 3 S 6 6 d V dV 球形體積： a 2 1 S 2 S d S dS 球形外表面積： S S V S 3 2 S S V 6 6 6 6 S V S d dd d V S S 球形比表面積： ii dx d 1 m ：床層空隙率 氣體密度顆粒當(dāng)量直徑 ：床層高度空塔氣速：平均流速 修正的雷諾數(shù)，式中： B gs m Bg gms mm s 2 mg 3 B B m : 1 Re:Re 1 75. 1 Re 150 d d d lu ud d u l P 粒 徑d

2、 s/m m 3 .4 04 .6 06 .9 0 質(zhì) 量 分 率w 0 .6 00 .2 50 .1 5 m1096. 3mm96. 3 90. 6 15. 0 60. 4 25. 0 40. 3 60. 01 3 1 S i i d x d 1906 44. 01103 . 2 2 . 61096. 3 1 Re 5 3 Bg S m Gd Pa10898. 1 4 44. 0 44. 01 46. 21096. 3 2 . 6 75. 1 1903 150 1 75. 1 Re 150 1 75. 1 Re 150 5 33 2 3 B B gS 2 m 3 B B S g 2 m m

3、L d G L d u p dv 輸入 輸出= 反應(yīng) 積累 FA FA+dFA (-RA)(1-B)Aidl 0 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) A 0 A 0A 0 0A00BA A B 0A0 BAA A A00 BAA dddd d d 1 d d x B A L R x c u l cu l R x cu R l x R cu R l x 出A 0 A A 0A 0 R d x r x c V V gp rBA 4 1 d d uc TT d UHR l T i s 2 mg 3 B B m 1 75. 1 Re 150 d d d u l p gp rBA

4、4 1 d d uc TT d UHR l T i 0A0 BAA 1 d d cu R l x s 2 mg 3 B B m 1 75. 1 Re 150 d d d u l p 。為常數(shù)，計(jì)算大大簡(jiǎn)化常數(shù) 中，反應(yīng)速率的 同時(shí)： k R cu R l x uc TT d UHR l T i A 0A0 BAA gp rBA 1 d d 0 4 1 d d p 0A gp 0A0 d d mc HF A A uc cuH x T i i A00 BAA 1 d d cu R l x A A 0A A A 0A P A 0A P 0A0T BT A A 0A0 B 0A0 BAA dd dd

5、dd1 d d 11 d d R x F W R x F V R F V cuA lA R x l cucu R l x 質(zhì)量為基準(zhǔn)，則：如果動(dòng)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(duì)應(yīng)，如果動(dòng)要求與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程 積：左端上下同乘床層截面 變形： x T 平衡線 等速率線 0 二氧化硫氧化反應(yīng)Tx圖示意 4out in4 out3 in3 out2 in 2 1out in 1 , d , d , d , d 4321 0A x x x x x x x x Txr x Txr x Txr x Txr x FW x1in,T1in x1out, T2in x2out T3in

6、 x3out T4in x4out 第一段 第二段 第三段 第四段 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，轉(zhuǎn)化率不變。 x T 0 二氧化硫氧化反應(yīng)Tx圖示意 在Tx圖上看： 0d ,1 , , d in 2 in 0A out in out in ou in x T Txr rTxr dx T Txr x F W x x x x x x t 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 TxrTxr TxrTxr Txr x Txr x x xx Txr x Txr x

7、 F W F W iiii iiii x x i x x ii ii x x i x x i ii i i i i i i i i , 0 , 1 , 1 0 , d , d , d , d in11out in11out 1out in1out 1A0 1 A0 out1 in1 out in out1 in1 out in 0 1 , 0 1 , 0 1 , 0 1 4 4 2 4 444333 3 3 2 3 333222 2 2 2 2 222111 1 1 2 1 4 4 3 3 2 2 1 1 dx T r r TxrTxr dx T r r TxrTxr dx T r r Txr

8、Txr dx T r r in x x ininoutout in x x ininoutout in x x ininoutout in x x out in out in out in out in 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： x T 0 二氧化硫氧化反應(yīng)Tx圖示意 SPBA O3HOCHC3OCHHC 2324622346 T k pkpLR 13636 837.19exp hkgkmol 11 BARA 112 tWS W KhmkJ 8 8 dh h U S 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

9、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)）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 0A0m BAA 1 d d cu R l x W t 0 BA PBm 41 1 d d TT d h RH cul T L dl cA0,FA0,xA0=0,V0cA,FA,xA,V FA, xA FA+dFA, xA+dxA dVR lAR cuAFAl l c c l EFF A l c EF i ii i d1 dd d d d d d d d d BA AA A AZAA A ZA 01 d d d d A A 2

10、A 2 Z B R l c u l c E l T ATTcAu l l T T l ATcAu ii ii d d d d d d d d Zpg Zpg 輸出： 輸入： lTThd lAHR i i d d1 r0 BA 0 4 1 d d d d rBAp 2 2 Z TT d h HR l T cu l T i o g 0 d d 0 d d d d d d 0 A Z0pg0 A ZAA00 l T l c Ll l T TTcu l c Eccul dr dl R r 0 dd21 d2dd2 dd2 ddd2 d2d2 A A r A Al A A A Ar A lA 積累： 反

11、應(yīng)： 輸出： 輸入： lrrR r c Elrl l c c l Err l l c curr r r c c r Elrr l c Errucrr B BA AA 2 A 2 r BA A 2 A 2 l A 2 A 2 r 1 1 1 1 R l c u r c rr c E R l c u l c E r c rr c E 散項(xiàng)被忽略：在多數(shù)情況下，軸向擴(kuò) lrrHR r T lr l T rrl l T Tcurr r r T T r lrr l l T T l rrTcurr dd21 d2d2dd2 ddd2 dd2d2 BA rlpg r lpg 微元內(nèi)反應(yīng)熱： 輸出微元的熱量：

12、 輸入微元的熱量： HR l T cu l T r T rr T BApg 2 2 l 2 2 r 1 1 HR l T cu r T rr T BApg 2 2 r 1 1 s 2 mg 3 B B m 1 75. 1 Re 150 d d d u l p wwr A A 00A0A , 00 0, 000 ,00 TTh r T r c LlRr r T r c Llr ppTTccRrl l=0 l=L R R R R rrc RR rcr c rrT RcuR rTcru T 0 A 22 A 0 A 0 2 pg 2 pg 0 d 2 d2 d 2 d2 熱 量 傳 遞 熱 量 傳

13、遞 擬均相一維 平推流模型 熱 量 傳 遞 熱 量 傳 遞 帶有軸向返混的 擬均相一維模型 熱質(zhì)傳遞 熱 量 傳 遞 熱 量 傳 遞 擬均相二維模型 熱質(zhì)傳遞 固體相 熱 量 傳 遞 熱 量 傳 遞 二維非均相模型 熱質(zhì)傳遞 抽 象 成 為熱 量 傳 遞 二維非均相模型 熱質(zhì)傳遞 熱 量 傳 遞 流體相 熱 量 傳 遞 考慮顆粒內(nèi)梯度的二維非均相模型 熱質(zhì)傳遞 熱 量 傳 遞 流體相 固體相 流體流速增加 固 定 床 初 始 流 態(tài) 化 散式流態(tài)化 聚式流態(tài)化騰涌 稀相流態(tài)化 液體 氣體 100Re e mfP mfmf D L Fr 100Re e mfP mfmf D L Fr 弗魯特?cái)?shù)：

14、 gd u Fr P 2 mf mf 雷諾準(zhǔn)數(shù)： mfP mf Re ud umf： 初始流化速度 dP： 顆粒平均粒徑 ，P： 流體密度，顆粒密度 Lmf： 初始流化時(shí)的濃相段床高 De： 流體的擴(kuò)散系數(shù) ： 流體粘度 顆粒含量 床高稀相段濃相段 濃相段和稀相段 )(1 ( )(1)( gsmf mf gsmfmftt L p LAWAp ps 2 0g 3 B B 2 ps 0 3 B 2 B 1 75. 1 1 150 d u d u L p s 2 mg 3 B B m 1 75. 1 Re 150 d d d u l P 2 gsg 3 p 2 mfgp 3 mfs mfgp 3 m

15、f 2 s mf 75. 11150 dudud 2 gsg 3 pmfgp 3 mf 2 s mf 1150 dud 20Re 1150 mf 3 mf gs 2 p 2 s mf d u 2 gsg 3 p 2 mfgp 3 mfs 75. 1 dud 1000Re 75. 1 3 mf g gsps2 mf d u 2 t 2 pg Dgs 3 p 4 2 1 6 u d g Cd 2 1 gsp D 3 1 2 2 gs 2 1 D gs 2 p D 52. 520000Re50043. 0 225 4 500Re2 Re 10 18 2Re Re 24 d uC d g uC gd

16、uC p 對(duì)應(yīng) 對(duì)應(yīng) 對(duì)應(yīng) u V d 4 G T 目數(shù) 120100-12080-10060-8040-60120 100-120 80-100 60-80 40-60 40 dPi 0.121 0.133 0.163 0.208 0.298 0.360 Pi i d x 0.99 0.752 0.797 1.680 0.839 0.139 mm192. 0139. 0839. 0680. 1797. 0752. 099. 0 1 1 P P i i d x d 7 .330408. 07 .33Re 2 1 2 P 3 P 2 mf g d 0568. 0 7 .33 1002. 3 81

17、. 91 . 111201 . 11092. 1 0408. 067.1133Re 2 1 2 5 3 4 mf 1 5 2 4 P 2 P sm2956. 0 1002. 318 81. 91 . 111201021. 1 18 gd u 23 . 1 1002. 3 1 . 12956. 01021. 1 Re 5 4 P ud f mf mf f 1 1 L L R n u u 1 t f 03. 0 T P Re5 .1735. 4 d d n 1 . 0 T P Re1845. 4 d d n 1 . 0 Re45. 4 n 1 . 155. 1 P0 3 2 ArRe102 . 1

18、 LL m6 . 0 12. 0 3600 122 4 4 G T u V d f mf mf f 1 1 L L R n u u 1 t f 03. 0 T P Re5 .1735. 4 d d n 8392. 0 1002. 3 1 . 112. 01092. 1 Re 5 4 P 379. 48392. 0 6 . 0 1092. 1 5 .1735. 4 03. 0 4 n 8139. 0 2965. 0 12. 0 379. 4 1 f 687. 2 8139. 01 5 . 01 R cm74.5320687. 2 mff RLL 1 . 155. 1 P0 3 2 ArRe102

19、 . 1 LL 7 .93 1002. 3 1 . 1112081. 91 . 11092. 1 Ar 2 5 3 4 2 P 3 P gd cm36.1317 .938392. 020102 . 1 1 . 155. 13 2 L 2 1 P P PP PrRe1075. 0Nu c c 43. 066. 0 P 8 . 0 P PP 43. 023. 02 PrRe110844. 1Nu c c C 44. 0 P 3 . 044. 0 1 PrRe66. 0Nu 6 mf 0 u u 反應(yīng)消耗反應(yīng)消耗反應(yīng)消耗 的總消失量 乳化相氣泡暈氣泡相 傳遞傳遞 A ecb AeAcceAcAbbc

20、 ccecebbcbc ccKccK SkKSkK 傳遞速率 相間交換系數(shù) AereAcrcAbrb 31 AerAcrAbr 31 msmol msmol cfkcfkcfk cfkcfkcfk ecb 氣泡 顆粒 反應(yīng)速率 氣泡體積 顆粒體積 Abbr Ab b AbAb d d d d d d d d AcfK l c u l c t l t c 組分總消失量 b r K l u K cf c d d b br Ab Ab AfAAfAbf A0AAb 00 xxccLl xccl Abbr Ab b Ab d d d d AcK l c u t c 組分總消失量 Aere AeAcce

21、 Acrc AcAbbc Abrb ck ccK ck ccK ck 在乳化相中反應(yīng)量 轉(zhuǎn)移到乳化相的量 在氣泡暈中反應(yīng)量 轉(zhuǎn)移到氣泡暈的量 在氣泡中反應(yīng)量 AeAcceAbrbAbbr Ab b d d ccKckcK l c u AeAcceAcrcAcAbbc ccKckccK AereAeAcce ckccK ece r c bc r brbr 1 1 1 1 K k K k kK Abbr Ab b d d cK l c u AfAbf 0AAb 0 ccLl ccl b fr 0 b br Ab Ab d dfAf A0u LK l u K c c Lc c f b br Af e

22、xp1L u K x Af br b f 1lnx K u L b w mf mf 2 1 b mf mf mfc 711. 0 3 1 V V u gd u cb b bmf e 11 b mf b u uu g u d 2 t b 711. 0 4 1 5 b 2 e b mf bc 85. 55 . 4 d gD d u K 2 1 3 b bemf ce 78. 6 d uD K m1092. 1 4 P d 3 P kg.m1120 smPa302. 0 12s cm204. 0 D 3 kg.m1 . 1 cm20 mf0 LL m6 . 0 T d 5 . 0 0mf 1 m.s

23、12. 0 u 14 . 3 AAr cR 13 mf m.s1011. 8 u 1 t m.s2956. 0 u 8 . 0 f 05. 3R cm74.53 f L cm36.131 2 L m01762. 0 81. 9 711. 0 2956. 0 711. 0 22 t b g u d 1 tbr m.s2956. 0 uu 1 brmfb m.s75.4056.29811. 012 uuuu b w mf mf 2 1 b mf mf mfc 711. 0 3 1 V V u gd u b w V V m1092. 1 4 P d 47. 0 b w V V 3221. 047.

24、0 5 . 0 00811. 0 01762. 081. 9711. 0 5 . 0 00811. 0 3 5 . 01 2 1 c cb b bmf e 11 2746. 0 75.40 811. 012 b mf b u uu 8435. 03221. 001. 0 2746. 0 2746. 015 . 01 e b bc Kb ce K 8488. 9 762. 1 981204. 0 85. 5 762. 1 811. 0 5 . 4 85. 55 . 4 4 1 5 2 4 1 5 b 2 e b mf bc d gD d u K 435. 8 762. 1 75.40204. 0

25、5 . 0 78. 6 78. 6 2 1 3 2 1 3 b bemf ce d uD K 4694. 2 8435. 0 1 435. 8 4 . 3 1 3221. 0 1 849. 9 4 . 3 1 01. 04 . 3 1 1 1 1 ece r c bc r brbr K k K k kK 9615. 074.53 75.40 4694. 2 exp1 exp1 f b br Af L u K x 出 總 總 邊界條件： 相界面積 BB B0B LL ALALA BL B A ALALA LA BA LA BB , 0 : 1 1 d d d d1 d d cctt cct S

26、V V V S V cck c S V t cck V S t N Vt c i i 出B 0B ALA B LAB A d1 c c i cc c k t 出 進(jìn) 邊界條件： AA AA A A 0 1 d d YYHl YYl r l Y F HY Y l r Y F 0 A A d 1 dA A 出 進(jìn) Sc H p kkH ScHp k H k t n cHp k D ScckScc D t n k D SppkSpp D t n ii ii ii AL A A LAGAA ALAA LA A GA A AAA LA L LA ALALAALA L LAA GA G GA AAGAAA

27、 G GAA 11 1 1 1 d d )()( d d )()( d d 由以上兩式可以推得： 相界面處達(dá)到平衡 根據(jù)亨利定律， 總括傳質(zhì)系數(shù)。 示的分別是以氣相和液相表和 LAGA LAGAALA LA A GAGA AL A A LAALAAGA A 111 11 )()( d d KK kkHK k H kK Sc H p KScHpK t n L L GL pA pAi cA cAi L 化學(xué)增強(qiáng)因子: d d d d L L L L LA L L L LA L LA LA ALALA A AAA AAGA A k DD k ccSk t n cHp ppSk t n i ii i

28、一個(gè)化學(xué)增強(qiáng)因子。 過程相比，僅相差傳質(zhì)系數(shù)。與物理吸收 示的總括分別是以氣相和液相表和 LAGA LAGAALALA A GAGA AL A A LA AL A A LAALAAGA A 11111 )( )()( d d KK kkHKk H kK Sc H p k Sc H p kScHpk t n LBB B A A B 2 B 2 LB LAA A A AA A 2 A 2 LA A A ALA A LA ,; 0 d d , 0BC d d B ,;, 0BC d d 0dd d d d d d d ccl l c l r l c D ccl H p ccl r l c D lSr

29、l l c c l SD l c SD i i ： ，亦有方程：同理，對(duì)液相反應(yīng)物 ： 積累反應(yīng)擴(kuò)散離開擴(kuò)散進(jìn)入 GL pA pAi cB cA cAi A LA 2 L 2 A 2 L A 2 A 2 LA LAA A A AA A 2 A 2 LA d d d d ,;, 0BC d d c D k z cl z kc l c D ccl H p ccl r l c D i i 變?yōu)闉闊o因次長(zhǎng)度，原方程令 對(duì)一級(jí)反應(yīng)， ： 八田數(shù)膜內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù) 前有 : L LA LA LA LA LA 2 L D k k kD D k sh sh1sh , 1 , 0 d d ALA A AA AA A

30、2 2 A 2 zczc c ccz ccz c z c i L i 此方程的解為： ALA AL A ALA AL A ALALA AL A L LA ALA L LA 0 A LA A ALAA ch th ch thchsh ch sh ch d d d d sh ch1ch d d cc c c cc c c ccSk c cS D cc SD l c SD t n zczc z c i i i i ii i l i 因此： 0 d d 2 A 2 l c ALA AL A ch thcc c c i i LA 2 L D k GL pA pAi cB cA cAi dl th 00

31、d d ALAA A 2 A 2 LA 對(duì)一級(jí)反應(yīng)，可得： ，邊界條件：clccl r l c D i GL pA pAi cBL cAi GL pA pAi cBL cAi 反應(yīng)面 R i i cl c c cl ccl l c A R Ai A AR AA 2 A 2 0, , 0 0 d d BLBL BR 2 B 2 , 0, 0 d d ccl cl l c R RL BL LR RBL RL BL B l cc l c c BL LA LB RL R B A A LA LB RL BL B A R A B LB B AA LA d d d d c D D c D Dcc l c D

32、 l c D i i ii i i c c k k c c D D c c D D D Dcc A BL LA LB B A A BL LA LB B A A BL LA LB B A R L LA LB RL BL B A R A 11 11 A LB LA LA GA A B BL臨 AGA A B BL臨 L LB 00 p D D k k c pkc D GL pA pAi cBL臨 cBL cBL cAi 氣液反應(yīng)器有許多類 型，常見的有： u V d 4 內(nèi) 12 A 12 A A t A AAt hmkmol: d d hmkmol: d d d d d d t n F YF t

33、 n A t n YYFAFYA At 因次： 輸入輸出反應(yīng)傳遞 H F,YA出 F,YA進(jìn) L,XA進(jìn) L,XA出 dl ldSd 4 2 內(nèi) A A A 1 Y Y Pp 總 S k H k cHp t n LA A GA ALAAA 1 d d ALALAAAGA A d d ccSkppSk t n ii 出 進(jìn) 出進(jìn) 總內(nèi) 出 進(jìn) 總內(nèi) 在全塔為常數(shù)，得：積分上式并視 邊界條件： A A AA LA A GA 2 A A A A LA A GA 2 ln 1 4 0 d 11 4 d Y Y YY k H kPd F H YYHl YYl Y Y Y k H k Pd F l A l

34、 dl YA出 F,YA入 出 進(jìn) 邊界條件： AA AA A A tA AAtAt 0 1 d d d1 d YYHl YYl r l Y F lAr YYFAFYA 0 0 RrAW221p0 RrAW22p01p0 VHrTTKATTcV VHrTTKATcVTcV 整理得： 積累量 應(yīng)的熱效應(yīng) 反應(yīng)器內(nèi)反 境的熱交換 反應(yīng)器與環(huán) 出熱量 物流攜 入熱量 物流攜 器進(jìn)行熱量衡算：在定常態(tài)下以整個(gè)反應(yīng) W2rAfA021p0 rAf0A0W221p0 R Af0A0 R AfA0 Af 1A Af 1AAf 0A R 0 0 TTKAHxcTTcV HxcVTTKATTcV V xcV V

35、 xF r x r xx F V ：代入熱量衡算方程，得 ，當(dāng)進(jìn)口物流不含產(chǎn)物時(shí) ：全混流反應(yīng)器基本方程 可以用來推算達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需要補(bǔ)充或移走的熱量。 RT E RT E RT E RT E RT E ek V V ek V V x xek xV V xcek V xcV x xcekxkckcr 0 0 R 0 0 R A A0 A0 R AA00 R AA00 1A A0A0A0AAA 11 1 0 11 ：方程且考慮代入全混流反應(yīng)器基本 熱。左側(cè)為移熱，右側(cè)為產(chǎn)如果是放熱反應(yīng)，上式 并移項(xiàng)整理： 代入 將 RT E RT E RT E RT E ek HekcV TTKATTcV HxcVTTKATTcV