理學(xué)固定床反應(yīng)器PPT課件

1、6 . 1 概述凡是流體通過固定的固體物料所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置都稱作固定床反應(yīng)器。如：氣-固相催化反應(yīng)器、氣-固相非催化反應(yīng)器。乙苯水蒸氣催化劑產(chǎn)品測溫口6-1乙苯脫氫的絕熱床反應(yīng)器第1頁/共129頁結(jié)構(gòu)簡單高空速很少催化劑損耗很小氣固返混較長的擴(kuò)散時(shí)間及距離高床層壓降床內(nèi)取熱供熱困難催化劑取出更新困難催化劑顆粒大，效率低一、固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)第2頁/共129頁1.固定床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是：返混小，流體同催化劑可進(jìn)行有效接觸，當(dāng)反應(yīng)伴有串聯(lián)副反應(yīng)時(shí)可得較高選擇性。催化劑機(jī)械損耗小。結(jié)構(gòu)簡單。2.固定床反應(yīng)器的缺點(diǎn)是：傳熱差，反應(yīng)放熱量很大時(shí)，即使是列管式反應(yīng)器也可能出現(xiàn)飛溫（反應(yīng)溫度失去控

2、制，急劇上升，超過允許范圍）。操作過程中催化劑不能更換。催化劑需要頻繁再生的反應(yīng)一般不宜使用，常代之以流化床反應(yīng)器或移動(dòng)床反應(yīng)器。 第3頁/共129頁固定床反應(yīng)器的分類固定床反應(yīng)器不同的傳熱要求和傳熱方式絕熱式二段三段四段冷激式反應(yīng)特征單段絕熱式段間反應(yīng)氣冷卻或加熱方式中間間接換熱式多段絕熱式原料氣冷激式非原料氣冷激式換熱式對外換熱式自熱式加壓熱水（240）導(dǎo)熱油（250300 ）熔鹽（300 ）反應(yīng)氣的流動(dòng)方向軸向流動(dòng)固定床反應(yīng)器徑向流動(dòng)固定床反應(yīng)器第4頁/共129頁傳熱介質(zhì)選用原則： 保證催化劑床層與傳熱介質(zhì)之間有適宜的溫差。常用傳熱介質(zhì)的溫度范圍 沸騰水 100-300 有機(jī)液態(tài)傳熱介質(zhì)

3、 200-350 熔鹽 300-400 煙道氣 600-700 第5頁/共129頁絕熱式固定床反應(yīng)器和換熱式固定床反應(yīng)器的區(qū)別在與其與外界交換的熱能Q是否等于零。 ?0Q反應(yīng)器按催化劑床是否與外界進(jìn)行熱量交換分為：絕熱反應(yīng)器與換熱式反應(yīng)器 第6頁/共129頁單段絕熱式 特點(diǎn)：反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)能力大。缺點(diǎn)：反應(yīng)過程中溫度變化較大。一、絕熱式6-2甲醇氧化制甲醛的反應(yīng)器適合熱效應(yīng)不大、反應(yīng)對溫度的要求較寬的反應(yīng)第7頁/共129頁多段絕熱床根據(jù)段間反應(yīng)氣體的冷卻或加熱方式，多段絕熱床又分為中間間接換熱式和冷激式。特點(diǎn)：催化劑床層的溫度波動(dòng)小。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，催化劑裝卸較困難。第8頁/共129頁

4、間接換熱 原料冷激 非原料冷激多段固定床絕熱反應(yīng)器原料原料冷激劑原料產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品第9頁/共129頁冷激式 特點(diǎn)：反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，便于裝卸催化劑，催化劑床層的溫度波動(dòng)小。缺點(diǎn)：操作要求較高應(yīng)用：適用于放熱反應(yīng)，能做成大型催化反應(yīng)器 二、換熱式按換熱介質(zhì)不同，可分為對外換熱式固定床反應(yīng)器和自熱式固定床反應(yīng)器。 對外換熱式固定床反應(yīng)器 列管式固定床反應(yīng)器:通常是在管內(nèi)放催化劑，管間走熱載體第10頁/共129頁對外換熱式反應(yīng)器乙炔法合成氯乙烯反應(yīng)為放熱反應(yīng)109kj/mol，利用高位槽或加壓泵強(qiáng)制循環(huán)換熱，水溫靠調(diào)節(jié)閥控制壓力來調(diào)節(jié)。氣體自上而下流過床層催化劑床層內(nèi)的流動(dòng)是通過顆粒之間的空隙進(jìn)行的，易

5、達(dá)到湍流，但與圓管內(nèi)的流動(dòng)狀況不完全相同第11頁/共129頁逆流并流不同流向的自熱式固定床反應(yīng)器的軸向溫度分布示意圖第12頁/共129頁逆流逆流并流并流反應(yīng)器溫升快，且下降也快反應(yīng)器溫升快，且下降也快相反相反熱點(diǎn)靠近反應(yīng)器進(jìn)口熱點(diǎn)靠近反應(yīng)器進(jìn)口熱點(diǎn)靠近反應(yīng)器出口熱點(diǎn)靠近反應(yīng)器出口反應(yīng)后期易過冷反應(yīng)后期易過冷前期升溫較慢，后期易過熱前期升溫較慢，后期易過熱可逆放熱反應(yīng)可逆放熱反應(yīng)不可逆放熱反應(yīng)不可逆放熱反應(yīng)第13頁/共129頁催化劑的粒徑取值催化劑的粒徑 25 -30mm催化劑的粒徑管徑1/8粒徑阻力 ，粒徑 當(dāng)1時(shí)，反應(yīng)過程為動(dòng)力學(xué)控制，當(dāng)1時(shí)，反應(yīng)過程為內(nèi)擴(kuò)散控制。內(nèi)擴(kuò)散不僅影響反應(yīng)速率，而

6、且影響復(fù)合反應(yīng)的選擇性。工業(yè)上減少內(nèi)擴(kuò)散影響的辦法：選用工業(yè)上適宜的催化劑顆粒尺寸；必須采用細(xì)顆粒時(shí)，可以考慮改用徑向反應(yīng)器 第14頁/共129頁其他型式固定床反應(yīng)器 氣固相固定床催化反應(yīng)器除以上幾種主要型式外，近年來又發(fā)展了徑向反應(yīng)器。按照反應(yīng)氣體在催化床中的流動(dòng)方向，固定床反應(yīng)器可分為軸向流動(dòng)與徑向流動(dòng)。軸向流動(dòng)反應(yīng)器中氣體流向與反應(yīng)器的軸平行，而徑向流動(dòng)催化床中氣體在垂直于反應(yīng)器軸的各個(gè)橫截面上沿半徑方向流動(dòng) 徑向流動(dòng)催化床的氣體流道短，流速低，可大幅度地降低催化床壓降，為使用小顆粒催化劑提供了條件。徑向流動(dòng)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是合理設(shè)計(jì)流道使各個(gè)橫截面上的氣體流量均等，對分布流道的制造要求

7、較高，且要求催化劑有較高的機(jī)械強(qiáng)度，以免催化劑破損而堵塞分布小孔，破壞流體的均勻分布。 第15頁/共129頁徑向流動(dòng)反應(yīng)器中氣體在垂直于反應(yīng)器軸的各個(gè)橫截面上沿半徑方向流動(dòng)徑向流動(dòng)催化床的氣體流道短，流速低，可大幅度地降低催化床壓降，為使用小顆粒催化劑提供了條件。 徑向反應(yīng)塔示意圖第16頁/共129頁第17頁/共129頁拉西環(huán)第18頁/共129頁金屬環(huán)矩鞍第19頁/共129頁6 . 2 固定床中的傳遞過程粒子直徑和床層空隙率定型尺寸：最能代表顆粒性質(zhì)的尺寸為顆粒的當(dāng)量直徑。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。主要有三種表示：體積相當(dāng)直徑、外表面積相當(dāng)直徑和比表面積相當(dāng)直徑。第

8、20頁/共129頁一、顆粒直徑的表示方法 1、表示方法體積相當(dāng)直徑面積相當(dāng)直徑比表面相當(dāng)直徑3/1)/6(PVVd 2/1)/(Paad PPVSaVSd/6/6式中：SV=ap/Vp， 顆粒的比表面積ap 與非中空顆粒等外表面積的圓球外表面積Vp 非中空顆粒等體積的圓球體積注意：三種方法的計(jì)算結(jié)果不同第21頁/共129頁2、不同當(dāng)量粒徑的關(guān)系PPSVSaVdd/62)/(aVSdd顆粒的形狀系數(shù)球體的形狀系數(shù)1，非球體的形狀系數(shù)1pSSaa /1S顆粒的形狀系數(shù)（球形系數(shù)）：s等體積球形粒子的外表面積與非球顆粒的外表積之比。第22頁/共129頁對于大小不等的混合粒子，其平均直徑可用篩分分析數(shù)

9、據(jù)按下式求出：3、混合顆粒的平均直徑n1iiiddx/1d大小不等且形狀也各異的混合顆粒，其形狀系數(shù)由待測顆粒所組成的固定床壓力降來計(jì)算。同一批混合顆粒，平均直徑的計(jì)算方法不同，計(jì)算出來的形狀系數(shù)也不同。第23頁/共129頁非球形顆粒的形狀系數(shù)物料物料形狀形狀s物料物料形狀形狀s鞍形填料鞍形填料0.3砂砂0.75拉西環(huán)拉西環(huán)0.3各種形狀平均各種形狀平均尖狀尖狀0.65煙道塵煙道塵球狀球狀0.89硬砂硬砂尖片狀尖片狀0.43聚集態(tài)聚集態(tài)0.55砂砂圓形圓形0.83天然煤灰天然煤灰 大至大至 10mm0.65砂砂有角狀有角狀0.73破碎煤粉破碎煤粉0.75碎玻璃屑碎玻璃屑尖角狀尖角狀0.65第2

10、4頁/共129頁二、床層空隙率床層空隙率：粒子間的空隙所占床層容積的分率式中Bp 床層堆積密度； 顆粒視密度。PBBPB1VV11床層層體顆粒體積床層體積空隙體積注意：顆粒視密度與真密度之間的區(qū)別。第25頁/共129頁顆粒視密度又稱顆粒密度。即單個(gè)顆粒的密度。若單個(gè)催化劑顆粒質(zhì)量為m，顆粒體積為V粒，則視密度p=m/V粒 床層堆積密度是單位體積顆粒床層的固體質(zhì)量，顆粒床層體積是顆粒體積與顆粒之間空隙的總和。若催化劑質(zhì)量為m，堆體積為VB，則堆密度B=m/VB。同一種顆粒，其真密度不變，但當(dāng)床層的空隙率不同時(shí)，顆粒床層的堆密度不同。第26頁/共129頁固定床的空隙率是顆粒物料層中顆粒間自由體積與

11、整個(gè)床層體積之比，它是固定床的重要特性之一?？障堵蕦α黧w通過床層的壓力降、床層的傳熱都有重大的影響。顆粒形狀、顆粒的粒度分布、充填方式、顆粒直徑與容器直徑之比都影響空隙率。固定床中同一截面上的空隙率也不相同，近壁處較大，中心處較小。一般工程上認(rèn)為當(dāng)床層直徑與顆粒直徑之比達(dá) 8 時(shí)，可不計(jì)壁效應(yīng)。壁效應(yīng)影響是指靠近器壁的空間結(jié)構(gòu)與其他部分有很大差別，器壁處的流動(dòng)狀況、傳質(zhì)、傳熱狀況與主流體中也有很大差別。當(dāng)采用實(shí)驗(yàn)規(guī)模的小型設(shè)備研究傳質(zhì)、傳熱、反應(yīng)的規(guī)律時(shí)，器壁的影響遠(yuǎn)比大型設(shè)備為大。 第27頁/共129頁6-9填充床的空隙率床層空隙率B光滑均一光滑非均一粘土球形圓柱形不規(guī)則光滑均一剛玉均一尺寸

12、1 / 4 英寸陶質(zhì)拉西環(huán)熔融剛玉熔融磁鐵鋁砂第28頁/共129頁三、固定床的當(dāng)量直徑1、床層比表面SBppBppppBppedVaaVanS/ )1 (6)1 ()1 (式中，np 單位體積床層中顆粒的個(gè)數(shù)。 B床層空隙率 Vp 非中空顆粒等體積的圓球體積第29頁/共129頁VSBBSBBeBHeddSRd132132442、床層當(dāng)量直徑式中，RH 水力半徑。床層的空隙體積總的潤濕面積HR有效截面積潤濕周邊eBS根據(jù)水力半徑的定義有：第30頁/共129頁3、固定床的徑向流速分布盡管在近壁處空隙率較大，但壁摩擦阻力使流速將低到接近0。一般工程上認(rèn)為當(dāng)床層直徑與顆粒直徑之比dt / ds=8 時(shí)

13、，可不計(jì)壁效應(yīng)。第31頁/共129頁按混合顆粒的平均直徑計(jì)算離壁距離床層空隙率B010.80.40.51 1.5 2 2.5 2 3.5 4 4.5 5距壁4個(gè)顆粒直徑處，床層空隙率和流速分布趨平坦，因此一般工程上認(rèn)為當(dāng)床層直徑與顆粒直徑 之比值達(dá) 8 時(shí)可不計(jì)壁效應(yīng)。第32頁/共129頁空管內(nèi)層流空管內(nèi)湍流填充層內(nèi)液體流動(dòng)填充層內(nèi)氣體流動(dòng)102第33頁/共129頁75. 1R1501LdupemB3BS2m床層壓降床層壓降是固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，要求床層壓降不超過床內(nèi)壓力的15%。氣體流動(dòng)通過催化劑床層的壓力降厄根(Ergun)方程計(jì)算式：75. 1R150fem摩擦系數(shù)第34頁/共1

14、29頁)1(udRBmSem修正雷諾數(shù)：um 平均流速(空床氣速)；L 床層高度；、 流體的密度和粘度；ds 比表面當(dāng)量直徑。第35頁/共129頁75. 1R1501LdupemB3BS2mRem1000，湍流，上式中右邊第一項(xiàng)可忽略。第36頁/共129頁3Bn3spn3B2md)1(LGf2p式中：dp 體積相當(dāng)直徑； 質(zhì)量流速。 fm和n可由圖6-11查取。muG常用的p計(jì)算公式：第37頁/共129頁圖6-11 固定床的摩擦系數(shù)第38頁/共129頁VBBeeeSdudfdldpudlfp)1 (44 212 2 2潤濕周邊流通截面積推導(dǎo)在化工原理中：de：當(dāng)量床層直徑dp/dl：床層高向的

15、壓強(qiáng)變化：流體密度u：實(shí)際流速，通常以空塔氣速um=u/B表示第39頁/共129頁VSBBSBBeBHeddSRd13213244sBBsBBeBHeVseBHddSRdSdSR)1 (32 )1 (6444 /6而比表面當(dāng)量直徑：總的潤濕面積床層空隙體積潤濕周邊有效截面積水力半徑：床層比表面積：SBed/ )1(6SVSsdd第40頁/共129頁修正雷諾準(zhǔn)數(shù)其中：中得、將eMeMBBsmBmsBBemeRRfffdufudfdldpudfdldpud )(4312)/(2)1 (3 213222代入式第41頁/共129頁75. 1150 32)1 (32 emememBmseeRfRfRud

16、udR：的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式與第42頁/共129頁 s2m3BBems2m3BBemdu175. 1R150LP du175. 1R150dldp Ergun解為床層填充均勻，則方程對較小，溫度變化不大，壓降相如果流體通過床層時(shí)的方程得：第43頁/共129頁影響固定床壓力降的因素流體流體的密度流體的粘度流體的質(zhì)量流率床層床層的高度床層的空隙率流通截面積顆粒顆粒的形狀顆粒的粒度顆粒的表面粗糙度顆粒的物理特性75.1R1501LdupemB3BS2m第44頁/共129頁床層直徑與顆粒直徑之比 dt / ds 0.2）Wmtt：床層平均溫度;：器壁溫度;第71頁/共129頁eprettptpeRPdLddd

17、GcLy)/)(/)(/(442b無量綱數(shù)/)/)(/)(2/1 ()2/(epWtpetWdhdddhb)b(;a21均為無量綱的b的函數(shù)第72頁/共129頁40/GdphW 壁面處對流給熱系數(shù)；4 . 08 . 03/13/1094. 058. 2pppppWcGdcGddh適用范圍：由圖6-16查得。)(,21ba第73頁/共129頁圖 6-16求h0 例如：當(dāng)b12.98時(shí)，分別對應(yīng)5.02和0.25)(,21ba)(,21bab第74頁/共129頁固定床中的傳質(zhì)與混合由于催化劑表面存在滯流邊界層，氣流主體濃度與催化劑顆粒表面濃度存在差異。在滯流層內(nèi)有濃度差，必然存在擴(kuò)散。3ASAG1

18、g1AASAGgAcmmolA:,scm:smolA:dddd濃度氣相主體和催化劑表面氣相傳質(zhì)系數(shù)物質(zhì)的摩爾數(shù)單位時(shí)間內(nèi)傳遞ccktnccaktn一、顆粒與流體間的傳質(zhì)系數(shù)單位體積（或質(zhì)量）催化劑上著眼組分A的傳質(zhì)速率第75頁/共129頁9 . 0,91. 0, 1:cm:2其它形狀圓柱球形顆粒表面利用系數(shù)催化劑外表面積a整個(gè)傳質(zhì)方程的核心，總包了各種條件對傳質(zhì)的影響。由實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算。關(guān)聯(lián)式之一：32ggDScGkJ第76頁/共129頁傳質(zhì)因子：JD實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：DGScGkJgg32ggD：氣相密度 ;：氣體質(zhì)量流率 ;：氣相粘度 ;：氣相分子擴(kuò)散系數(shù) ;JD是雷諾數(shù)的函數(shù)3mkg12smk

19、gsPa12sm第77頁/共129頁41.0mDme51.0mDmeRe19.1J6000R300Re10.2J300R3.0)1(ugdRBgmgSemum ：平均流速(空床氣速)；g、g：氣體的密度和粘度；ds ： 比表面當(dāng)量直徑。當(dāng)修正雷諾數(shù)在：第78頁/共129頁DScggSc為施密特準(zhǔn)數(shù)第79頁/共129頁比表面當(dāng)量直徑：單顆催化劑的外表面積折合成直徑為dS的球形顆粒應(yīng)有的外表面積。傳質(zhì)對反應(yīng)的影響Damkohler:DaDa ddASASgSASAGSSAASAGgAcfcfakkVccckfVVrccaktnAS達(dá)姆科勒數(shù) 第80頁/共129頁Da為反應(yīng)速率與擴(kuò)散速率的比值，反映

20、了體系中外擴(kuò)散的影響程度。數(shù)值越大，或反應(yīng)速率越快，外擴(kuò)散的影響就越大。對一級反應(yīng)AGASASASAGASASDa11Dacccccccf第81頁/共129頁Da21Da41DaAGAGSgAGASAAGASAGAS2ASASAG2ASASccVakckfckfrcccccccccf學(xué)方程：有擴(kuò)散影響的宏觀動(dòng)力可以推廣到N級。，即：對二級反應(yīng)：第82頁/共129頁特殊情況：反應(yīng)速率常數(shù)k比傳質(zhì)系數(shù)kg大得多，則顆粒外表面處A的濃度為零，屬外擴(kuò)散控制。反應(yīng)速率常數(shù)k比傳質(zhì)系數(shù)kg小得多，則顆粒外表面處A的濃度與氣相主體濃度相等，屬內(nèi)擴(kuò)散或動(dòng)力學(xué)控制，外擴(kuò)散可不予考慮。AGSgAcdk6rAGAc

21、kfr第83頁/共129頁32H)(JrppPGch傳熱因子32ggDScGkJ傳質(zhì)因子是雷諾數(shù)的函數(shù)：J流體導(dǎo)熱系數(shù):流體恒壓熱容:流體粘度:P普蘭特準(zhǔn)數(shù),:P氣體質(zhì)量流率:式中：Hrr1111PP12KmWKkgJsPasmkgccuGGmDGgg：氣相密度：氣體質(zhì)量流率：氣相粘度：氣相分子擴(kuò)散系數(shù)JD是雷諾數(shù)的函數(shù)3mkg12smkgsPa12smDScgg施密特準(zhǔn)數(shù)第84頁/共129頁由傳質(zhì)和傳熱的類比原理有上式在缺少數(shù)據(jù)時(shí)用來推算數(shù)據(jù)十分有用.無論是傳質(zhì)或是傳熱系數(shù), 增加質(zhì)量速率G都可以加快流體和催化劑外表面間的傳遞速率, 但相應(yīng)的床層壓降也增加.外擴(kuò)散速率,內(nèi)擴(kuò)散速率,表面反應(yīng)速

22、率的相對大小是決定反應(yīng)控制步驟的關(guān)鍵.HDJJ12. 6第85頁/共129頁外擴(kuò)散過程對表面溫度的影響HVTTahrTTahHVrHVrtQSGSpAGSpSASAdd由傳質(zhì)計(jì)算可得：第86頁/共129頁ASAGSgAccVakrASAGpgGSccHhkTT兩式相等可得：SASAGgSGSpVCCakHVTTah第87頁/共129頁上式將流固相的溫度差與濃度差聯(lián)系起來了。進(jìn)一步簡化，前面有：0.41meHme0.51meHme0.41meDme0.51meDme1.28RJ6000R3002.26RJ300R0.061.19RJ6000R3002.10RJ300R0.3極為相似。JHJD相除

23、第88頁/共129頁076. 1ckhScPrGkGchJJ1.0761.191.28JJ6000Re3001.0762.102.26JJ300Re0.06Pggp32ggPpDHDHmDHm第89頁/共129頁1ScPr32ASAGPgGSccHc93. 0TTPgpgc93. 0hk據(jù)實(shí)驗(yàn)得：第90頁/共129頁例：苯加氫反應(yīng)器在1013.3kPa下操作，氣體質(zhì)量速度G=3000 kg.m-2h-1，催化劑為89mm圓柱體，顆粒密度P-3，床層堆積密度B=0.6 g.cm-3，在反應(yīng)器某處氣體溫度為220，氣體組成為10苯，80氫，5環(huán)己烷和5甲烷(體積分率)，測得該處宏觀反應(yīng)速率(-rA

24、-1g-1(cat) 。估算該處催化劑的外表面濃度。已知：氣體粘度=1.410-4 g.cm-1s-1，綜合擴(kuò)散系數(shù)D=0.267cm2s-1。第91頁/共129頁解：（1）計(jì)算催化劑的粒徑dS。cm8308. 0267. 34524. 066cm4524. 09 . 08 . 044cm267. 38 . 09 . 08 . 0242SSS322S222SVdLdVLdda第92頁/共129頁（2）計(jì)算床層中氣體的修正雷諾數(shù)。7 .814333. 0110000360091. 0104 . 1100030008308. 01GdR333. 09 . 06 . 0114BgSmePBB第93頁

25、/共129頁（3）計(jì)算JD和kg值。132343332gggDg33mgiim41. 041. 0mDcm.s397. 6267. 01056. 3104 . 11056. 31030000762. 0DGJkg.cm1056. 322027383144 .143 .1013RTpM4 .141605. 08405. 028 . 0781 . 0MxM0762. 07 .81419. 1Re19. 1J第94頁/共129頁（4）計(jì)算cAG和cAS32525AGAS3538gSPAASAG32AAGmkmol10463. 21092. 810472. 21092. 8mkmol1092. 8cm

26、mol1092. 891. 0267. 3397. 64524. 09 . 03600015. 0mkmol10472. 2220273314. 81 . 03 .1013ccakVrccRTpc第95頁/共129頁習(xí)題：試計(jì)算例題中催化劑的外表面處溫度。已知反應(yīng)熱為(-H)=2.135105Jmol-1，氣體的定壓比熱容cP=49Jmol-1K-1。第96頁/共129頁小結(jié)：顆粒與流體間的傳（給）熱系數(shù)hp傳熱因子JH流體與顆粒間傳熱溫差的計(jì)算固定床的有效熱導(dǎo)率床層與器壁間的給熱系數(shù) h0傳質(zhì)因子JD第97頁/共129頁6.3 擬均相一維模型概述，目前描述固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型可分為擬均相、

27、非均相兩大類。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(dòng)方向的溫度和濃度變化。根據(jù)流動(dòng)形式還可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(shí)考慮軸向和徑向的溫度和濃度分布。 第98頁/共129頁二、非均相模型非均相反應(yīng)屬于擴(kuò)散和化學(xué)動(dòng)力學(xué)共同控制時(shí)，則催化劑顆粒表面、內(nèi)部、外部濃度不均一，傳遞阻力或傳遞與動(dòng)力學(xué)阻力不可忽略，應(yīng)計(jì)及催化劑的存在和計(jì)算宏觀反應(yīng)速率，稱為“非均相”模型。簡言之即考慮顆粒與流體之間的溫度差和濃度差。一般來說，模型考慮得越全面，對過程模擬越精確，但計(jì)算工

28、作量也越大，甚至無法求解。因此，在工程計(jì)算允許的誤差范圍內(nèi)應(yīng)盡可能選用簡單模型。第99頁/共129頁等溫反應(yīng)器的計(jì)算床層溫度均勻一致，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(jì)方法與平推流相似。對右圖固定床反應(yīng)器取一微元段進(jìn)行物料衡算（以cat的質(zhì)量定義）0A0AxFdlTTAAdFF AF第100頁/共129頁質(zhì)量衡算在管式反應(yīng)器中垂直于流動(dòng)方向取一個(gè)微元，以這個(gè)微元對A組份做物料衡算：輸入 輸出= 反應(yīng) 積累FA FA+dFA (-rA)(1-B)Aidl 0以催化劑顆粒體積計(jì)量第101頁/共129頁AAAdxFdWr0)(若以催化劑質(zhì)量計(jì)量：A0AxxAAW00A0

29、A)r(dxFWFdW設(shè)計(jì)方程床層高度0AAccAABL0rdcudlL注意：一般來說，固定床反應(yīng)器換熱比較困難，很難做到等溫操作，僅用于對反應(yīng)器進(jìn)行估算罷了。第102頁/共129頁以催化劑顆粒體積計(jì)量：A00BAAcu1rl dxdAx0BAA0AL00A00BAA0A0BAArxdcul dcul drxdcurl dxd第103頁/共129頁對照平推流反應(yīng)器性能方程二者相同Ax0BAA0AL00rxdcul dAx0AA0A0RrxdcVV第104頁/共129頁單層絕熱式固定床反應(yīng)器定常態(tài)操作時(shí)，與流動(dòng)方向垂直的截面上溫度、濃度均勻一致，且不隨時(shí)間變化。體系的溫度和濃度僅隨流動(dòng)方向的空間

30、位置變化。取反應(yīng)器內(nèi)一微元段進(jìn)行物料衡算和熱量衡算得：AABtAAdxFdldrdWr024)()()H(dxFdW)r)(H(dTcFdTcFAA0AAApipii0A0AxFdlTAAdFF AFtd第105頁/共129頁上述兩式分別積分并整理得：)()()(0000AAAAPAAxxxxcHyTTA0AxxAA0A)r(dxFW設(shè)計(jì)方程操作方程設(shè)計(jì)方程和操作方程聯(lián)立求解，可求得W。但當(dāng)動(dòng)力學(xué)方程比較復(fù)雜時(shí)，難以得到解析解。一般采用數(shù)值積分或圖解法計(jì)算。第106頁/共129頁圖解法步驟（1）由設(shè)計(jì)方程在 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

31、）由（ xAi，Ti ）數(shù)據(jù)計(jì)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 為W/FA0。（5）床層高度BSWLTT0 xA斜率=1/絕熱操作線xAiTiAr1W/FA0 xA第107頁/共129頁多層絕熱式固定床反應(yīng)器的計(jì)算和優(yōu)化固定床反應(yīng)器的缺點(diǎn)之一是換熱困難。對反應(yīng)熱較大的反應(yīng)，在絕熱條件下反應(yīng)時(shí)，為了控制床層溫度在合適范圍之內(nèi)，可采用多段床層，段間換熱的方法。設(shè)可逆放熱反應(yīng)在二段絕熱固定床中反應(yīng)，流程如下：第108頁/共129頁212, TxA100, TxA111, TxA201, TxAAx T 10 TeT mT 2

32、 Ax1 Ax11 T21 T第109頁/共129頁一、多段絕熱固定床反應(yīng)器計(jì)算采用逐段計(jì)算，每段的計(jì)算與單段絕熱固定床反應(yīng)器相同。設(shè)段與段之間采用間接換熱，下一段入口的轉(zhuǎn)化率與上一段出口相同，但溫度不同。催化劑總量為各段催化劑量之和：（A）Ai1-AixxiAAi0Ar-dxZFWZ第110頁/共129頁式中 二、多段絕熱固定床反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)逐段計(jì)算時(shí)，每段床層出口轉(zhuǎn)化率需要給定。在其他條件相同，出口轉(zhuǎn)化率給定不同時(shí)，式（A）求得的催化劑總量不等。如何合理分配各段的反應(yīng)量，使催化劑總用量最少，這就是多段絕熱固定床反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)要解決的問題。nA1AiA0i0iAcxxTREexpkr第111

33、頁/共129頁式（A）對xAi求導(dǎo)，并令，即0rdxxrdxx.rdxx.rdxxrdxxrdxx2Ai1Ai1AiAi2A1AAi1Ai1A0AAi1Aixx2iAixx1iAixxxxiAi2Aixx1AixxiAi0 xZAi第112頁/共129頁式中，不含xi項(xiàng)的偏導(dǎo)數(shù)均為0，則上式可化簡為求導(dǎo)得優(yōu)化條件之一（B）即：應(yīng)使下段入口處反應(yīng)速率與上段出口處反應(yīng)速率相等。0rdxrdxxrdxxrdxxxZAiAi1A1Ai1AiAiAi1Aix1x1ixxiAixx1iAixxiAiAiAiAix1ixir1r1第113頁/共129頁式（A）對Ti求導(dǎo)，并令0iTZ同理可得出在 與 之間，

34、必有使 的一點(diǎn)存在。由此可得優(yōu)化設(shè)計(jì)條件之二：各段入口操作點(diǎn)應(yīng)位于 線的低溫側(cè)，出口操作點(diǎn)應(yīng)位于其高溫側(cè)。01iirT1ixixmT第114頁/共129頁床層出口狀態(tài)的確定 作 xA曲線和 =0 的水平線； 求交點(diǎn)xopt和xi-1之間曲線和直線包圍的面積； 在xopt右側(cè)確定一點(diǎn)xi，使其與xopt之間包圍面積與左側(cè)相等。第115頁/共129頁圖解法優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟步驟如右圖所示。注意：（1）轉(zhuǎn)化率和段數(shù)應(yīng)同時(shí)滿足規(guī)定。如不符，需調(diào)整出口狀態(tài)點(diǎn)，直至滿足要求。（2）以上計(jì)算均以本征動(dòng)力學(xué)方程或反應(yīng)速率線圖為依據(jù)的，如使用的催化劑存在有效系數(shù)問題，則應(yīng)按校正后的實(shí)際速率計(jì)算；如流動(dòng)偏離平推流，結(jié)果會(huì)有一定誤差。第116頁/共129頁6.4 擬均相二維模型二維：軸向和徑向?qū)τ趶较虼嬖谳^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，需要考慮徑向的