化學(xué)反應(yīng)工程固定床反應(yīng)器

1、第六章 固定床反應(yīng)器凡是流體通過(guò)固定的固凡是流體通過(guò)固定的固體物料所形成的床層而體物料所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置都稱作進(jìn)行反應(yīng)的裝置都稱作固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器。如：氣如：氣-固相催化反應(yīng)器、固相催化反應(yīng)器、氣氣-固相非催化反應(yīng)器。固相非催化反應(yīng)器。乙苯乙苯水蒸氣水蒸氣催化劑催化劑產(chǎn)品產(chǎn)品測(cè)測(cè)溫溫口口6-1乙苯脫氫的絕熱床反應(yīng)器乙苯脫氫的絕熱床反應(yīng)器6.1.1 固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn) 固定床層內(nèi)的氣相流動(dòng)接近平推流，有利于實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化率與選擇性； 可用較少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積獲得較大的生產(chǎn)能力； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、催化劑機(jī)械磨損小，適合于貴金屬催化劑； 反應(yīng)器的操作方便、操作彈性較大。u相

2、對(duì)于流化床反應(yīng)器，固定床反應(yīng)器缺點(diǎn) 催化劑顆粒較大，有效系數(shù)較低； 催化劑床層的傳熱系數(shù)較小，容易產(chǎn)生局部過(guò)熱； 催化劑顆粒的更換費(fèi)事，不適于容易失活的催化劑。 6.1.2 固定床反應(yīng)器類型u固定床反應(yīng)器形式多種多樣，按床層與外界的傳熱方式分類，可有以下幾類： 絕熱式固定床反應(yīng)器， 多段絕熱式固定床反應(yīng)器， 列管式固定床反應(yīng)器， 自熱式反應(yīng)器。1.絕熱式固定床反應(yīng)器 u反應(yīng)器外殼包裹絕熱保溫層，使催化劑床層與外界沒(méi)有熱量交換。中空?qǐng)A筒的底部 放置擱板，上面堆放固體催化劑。氣體從上而下通過(guò)催化劑床層。u結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，床層橫截面溫度均勻。單位體積內(nèi)催化劑量大，即生產(chǎn)能力大。但只適用于熱效應(yīng)不大的反應(yīng)。

3、67原料氣產(chǎn)物催化劑催化劑絕熱式固定床反應(yīng)器 p絕熱式固定床反應(yīng)器可分為軸向反應(yīng)器和徑向反應(yīng)器。(1)軸向絕熱式固定床反應(yīng)器u如圖(a)所示。這種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，實(shí)際上是一個(gè)容器，催化劑均勻堆置于床內(nèi)，預(yù)熱到一定溫度的反應(yīng)物料自上而下流過(guò)床層進(jìn)行反應(yīng)，床層同外界無(wú)熱交換。8(2)徑向絕熱式固定床反應(yīng)器u如圖 (b) 所示。徑向反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)較軸向反應(yīng)器復(fù)雜，催化劑裝載于兩個(gè)同心圓構(gòu)成的環(huán)隙中，流體沿徑向流過(guò)床層，可采用離心流動(dòng)或向心流動(dòng)。u徑向反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是流體流過(guò)的距離較短，流道截面積較大，床層阻力降較小。軸向反應(yīng)器與徑向反應(yīng)器軸向反應(yīng)器與徑向反應(yīng)器(a)(b)2.多段絕熱式固定床反應(yīng)器u

4、熱效應(yīng)大，常把催化劑床層分成幾段(層)，段間采用間接冷卻或原料氣（或惰性組分）冷激，以控制反應(yīng)溫度在一定的范圍內(nèi) 。u 圖 (c) 是用于 SO2 轉(zhuǎn)化的多段絕熱反應(yīng)器，段間引入冷空氣進(jìn)行冷激。對(duì)于這類可逆放熱反應(yīng)過(guò)程，通過(guò)段間換熱形成先高后低的溫度變化，提高轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率。多段絕熱床多段絕熱床根據(jù)段間反應(yīng)氣體的冷卻或加熱方式，多根據(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。段絕熱床又分為中間間接換熱式和冷激式。特點(diǎn)特點(diǎn)：催化劑床層的溫度波動(dòng)小。催化劑床層的溫度波動(dòng)小。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，催化劑裝卸較困難。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，催化劑裝卸較困難。間接換熱間接換熱 原料冷激

5、原料冷激 非原料冷激非原料冷激多段固定床絕熱反應(yīng)器多段固定床絕熱反應(yīng)器原料原料原料原料冷冷激激劑劑原料原料產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品3.列管式固定床反應(yīng)器u 熱效應(yīng)較大，不宜采用絕熱式反應(yīng)器，可采用換熱式固定床反應(yīng)器。此設(shè)備如同列管式換熱器，又稱為列管式固定床反應(yīng)器。u 如圖(d)所示，反應(yīng)器由多根反應(yīng)管并聯(lián)構(gòu)成，管徑一般為25 30，管數(shù)可達(dá)萬(wàn)根以上。管內(nèi)裝催化劑，傳熱介質(zhì)流經(jīng)管間進(jìn)行加熱或冷卻。列管式固定床反應(yīng)器 u列管式反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)： 傳熱較好，管內(nèi)溫度較易控制； 返混小、選擇性較高； 只要增加管數(shù)，便可有把握地進(jìn)行放大； 對(duì)于極強(qiáng)的放熱反應(yīng)，還可用同樣粒度的惰性物料來(lái)稀釋催化劑 適用: 原

6、料成本高，副產(chǎn)物價(jià)值低以及分離不是十分容易的情況。4. 自熱式反應(yīng)器u采用反應(yīng)放出的熱量來(lái)預(yù)熱新鮮的進(jìn)料，達(dá)到熱量自給和平衡，其設(shè)備緊湊，可用于高壓反應(yīng)體系。u但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，操作彈性較小，啟動(dòng)反應(yīng)時(shí)常用電加熱。226.1.3 傳熱介質(zhì)傳熱介質(zhì)的選用根據(jù)反應(yīng)的溫度范圍決定，其溫度與催化床的溫差宜小，但又必須移走大量的熱，常用的傳熱介質(zhì)有：1.1.沸騰水：沸騰水：溫度范圍100300。使用時(shí)需注意水質(zhì)處理，脫除水中溶解的氧。2.2.聯(lián)苯醚、烷基萘為主的石油餾分：聯(lián)苯醚、烷基萘為主的石油餾分：粘度低，無(wú)腐蝕，無(wú)相變，溫度范圍200 350233.3.熔鹽：熔鹽：溫度范圍300400，由無(wú)機(jī)熔鹽KN

7、O3、NaNO3、NaNO2按一定比例組成，在一定溫度時(shí)呈熔融液體，揮發(fā)性很小。但高溫下滲透性強(qiáng)，有較強(qiáng)的氧化性。4.4.煙道氣：煙道氣：適用于600700的高溫反應(yīng)。24256.2 6.2 固定床的傳遞特性固定床的傳遞特性 氣體在催化劑顆粒之間的孔隙中流動(dòng)，較在管內(nèi)流動(dòng)更容易達(dá)到湍流。 氣體自上而下流過(guò)床層。6.2.1顆粒尺寸 顆粒尺寸是顆粒體系的重要參數(shù)，常用粒徑來(lái)表示。球形粒子的粒徑是其直徑，其他形狀的粒子粒徑則需定義。 顆粒的定型尺寸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。對(duì)于非球形顆粒，可將其折合成具有相同的體積（或外表面積、比表面積）的球形顆粒，以當(dāng)量直徑表示。如體積

8、、外表面積、比表面積當(dāng)量直徑。2627 體積當(dāng)量直徑：體積當(dāng)量直徑：(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） 外表面積當(dāng)量直徑：外表面積當(dāng)量直徑： (非球形顆粒折合成相同外表面積的球形顆粒應(yīng)當(dāng)具有的直徑）31S3S66VddVV球形體積：S2SSddSa球形外表面積：28 比表面積當(dāng)量直徑：比表面積當(dāng)量直徑： (非球形顆粒折合成相同比表面積的球形顆粒應(yīng)當(dāng)具有的直徑） 混合粒子的平均直徑：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，xi 是直徑為d i 的粒子的質(zhì)量分率）。SSVS32SSV6666SVSddddVSSiidxd1m296.2.2 床層空隙率 B 單位體積床層

9、內(nèi)的空隙體積(沒(méi)有被催化劑占據(jù)的體積，不含催化劑顆粒內(nèi)的體積)。 若不考慮壁效應(yīng)，裝填有均勻顆粒的床層，其空隙率與顆粒大小無(wú)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PBPBBPB111VV 床層空隙率是一個(gè)重要的參數(shù)，影響因素是顆粒形狀及大小、粒度分布、顆粒與床層直徑比和顆粒的裝填方式。 壁效應(yīng)壁效應(yīng) 床層空隙率沿床層 徑向分布不同，離 壁面約一個(gè)粒子直 徑處的床層空隙率 最大。 3031 床層內(nèi)空隙率徑向分布不均勻，引起各處的流速不同，因而床層內(nèi)各處的傳熱和停留時(shí)間也不一樣。 為減少壁效應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)時(shí)要求床層直徑至少要大于顆粒直徑的 8 8倍倍 以上。6-9填充床的空隙率

10、填充床的空隙率床層空隙率床層空隙率B光滑均一光滑均一光滑非均一光滑非均一粘土粘土球形球形圓柱形圓柱形不規(guī)則不規(guī)則光滑均一光滑均一剛玉均一尺寸剛玉均一尺寸1 / 4 英寸陶質(zhì)拉西環(huán)英寸陶質(zhì)拉西環(huán)熔融剛玉熔融磁鐵鋁砂6.2.3 床層壓降 氣體流動(dòng)通過(guò)催化劑床層的空隙所形成的通道，與孔道周壁摩擦而將產(chǎn)生壓降。 壓降計(jì)算通常利用厄根（Ergun）方程：33Bggmsmm1Re:Reud修正的雷諾數(shù)，式中： s2mg3BBm175. 1Re150dddulP34 厄根（Ergun）方程中其它參數(shù)： 可用來(lái)計(jì)算床層壓力分布。 如壓降不大，床層各處物性變化不大，可視為常數(shù)，壓降將呈線性分布。床層空隙率氣體密

11、度顆粒當(dāng)量直徑床層高度空塔氣速平均流速Bgsmdlu 當(dāng)Re m1000時(shí)，厄根(Ergun)方程則變?yōu)椋?催化劑床層壓降還有許多計(jì)算式，具體參考有關(guān)的資料。35LduP3BBs2mgm1Re150LduP3BBs2mg175. 1 影響床層壓力降的最大因素： 床層的空隙率 流體的流速 兩者稍有增大，會(huì)使壓力降產(chǎn)生較大變化。 降低床層壓降的方法： 增大床層空隙率，如采用較大粒徑的顆粒； 降低流體的流速，但要考慮這會(huì)使相間的傳質(zhì)和傳熱變差，需綜合考慮。3637例6.1內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)裝有4m高的催化劑層，催化劑為球體，催化劑的粒徑分布如表所示?？障堵?B = 0.44。在反應(yīng)條件下氣體的密度

12、 g = 2.46 kgm-3，粘度 g = 2.310-5 kgm-1s-1，氣體的質(zhì)量流速 G = 6.2kg m-2s-1。求床層的壓降。粒徑粒徑 dS /mm3.404.606.90質(zhì)量分率質(zhì)量分率 0.600.250.1538解： 求顆粒的平均直徑 計(jì)算修正雷諾數(shù)m1096. 3mm96. 390. 615. 060. 425. 040. 360. 0131Siidxd190644. 01103 . 22 . 61096. 31Re53BgSmGd39 計(jì)算床層壓降Pa10898. 1444. 044. 0146. 21096. 32 . 675. 11903150175. 1Re1

13、50175. 1Re15053323BBgS2m3BBSg2mmLdGLdup改性的 ZSM-5 催化劑其中催化劑的比表面積為300600m2/g，孔容體積為 0.30.8cm3/g甲醇制烯烴項(xiàng)目：甲醇制烯烴項(xiàng)目：反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的計(jì)算 1 催化劑的填充量 反應(yīng)管長(zhǎng)度的計(jì)算 管束尺寸和反應(yīng)管的排列 反應(yīng)床層壓降opmmbmbbpombudRRbafdufHp 112例題 乙烯在銀催化劑上氧化制環(huán)氧乙烷，年產(chǎn)環(huán)氧乙烷1106 kg,采用二段空氣氧化法。主要反應(yīng)為： C2H4+1/2O2 C2H4O H1= -103.4kJ/mol(25) C2H4+3O2 CO2+2H2O H1= 1323kJ/mo

14、l(25)根據(jù)下列給出中試的數(shù)據(jù)，估算第一反應(yīng)器尺寸。 （1）進(jìn)入第一反應(yīng)器的原料氣組成為：組成C2H4O2CO2N2C2H4Cl2摩爾分?jǐn)?shù)/%3.56.07.782.8微量（2）進(jìn)入第一反應(yīng)器進(jìn)料溫度為210 ，反應(yīng)溫度為250 ，反應(yīng)壓力為980.0665KPa,轉(zhuǎn)化率為20%，選擇性為66%，空速為5000/h.（3）進(jìn)入第一反應(yīng)器采用列管式固定床反應(yīng)器，列管為直徑272.5mm，管長(zhǎng)5m,催化劑填充高度5.7m.（5）催化劑為球形，直徑dp為5mm,床層孔隙率eB為0.48。（4）管間采用導(dǎo)熱油強(qiáng)制外循環(huán)換熱。導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度為230 ，出口溫度為235 ，導(dǎo)熱油對(duì)管外壁傳熱系數(shù)a2可取

15、2721kJ/(m2h )（6）年工作7200，反應(yīng)后分離，精制過(guò)程回收率為90%，第一反應(yīng)器所產(chǎn)環(huán)氧乙烷占總產(chǎn)量的90%。4.2.4 固定床中的傳熱 固定床中的傳熱組成 顆粒內(nèi)傳熱 顆粒與流體間的傳熱，傳熱系數(shù) hP 床層與器壁的傳熱，傳熱系數(shù) hw、h049u擬均相模型l將包括顆粒與氣相流體的床層看作為均一的固體物質(zhì)，其傳熱特性用一個(gè)有效熱導(dǎo)率 e 來(lái)表征。 有效熱導(dǎo)率 e 根據(jù)軸向和徑向的傳熱，可分為軸向和徑向的有效熱導(dǎo)率 （ ez 和 er）。50511.流體與顆粒外表面間的傳熱 與傳質(zhì)相仿，由于層流邊界層的存在，造成了氣流主體與催化劑顆粒外表面存在溫度差。因而，必然存在熱量傳遞。 單

16、位時(shí)間內(nèi)從顆粒外表面?zhèn)鬟f到氣相主體的熱量為：GSSPddTTShtQ -單位時(shí)間傳遞的熱量，J/h； h P -流體對(duì)顆粒的傳熱系數(shù)，J/m2hK； T g -氣相主體的溫度，K； TS -為催化劑顆粒外表面處溫度，K； SS -催化劑外表面積，m2； -顆粒表面利用系數(shù)，球體 = 1， 圓柱體 = 0.91， 其他形狀 = 0.9052tQdd53u傳熱系數(shù)的計(jì)算(通過(guò)傳熱因子法計(jì)算)： 式中：32PPHPrJGchsPasmkg,g12H氣相粘度氣體質(zhì)量流率無(wú)量綱數(shù)。傳熱因子GJ1111PKmWKkgJ氣體導(dǎo)熱系數(shù)氣體恒壓熱容gcuPr -普蘭特準(zhǔn)數(shù) 對(duì)于氣體 Pr = 0.6 1.0 對(duì)

17、于液體 Pr = 2 400 適用范圍:54ggPPrc35. 0H/3023. 0/876. 2JGdGdGdPPPB1000010GdPl JH 是雷諾數(shù)的函數(shù)556000Re300Re28. 1J300Re06. 0Re26. 2J1000Re50Re613. 0J50Re01. 0Re904. 0Jm41. 0mHm51. 0mHm51. 0mHm51. 0mH)1 (6ReBSemGdSG或:2.固定床的有效熱導(dǎo)率 e 床層的有效熱導(dǎo)率是顆粒與流體間的對(duì)流傳熱、顆粒及流體本身的導(dǎo)熱以及床層內(nèi)的輻射傳熱等幾類作用的綜合表現(xiàn)，是流體及顆粒特性及流動(dòng)狀態(tài)的函數(shù)。 通常固定床的熱量主要是在中

18、心與管壁間做徑向的傳遞，所以忽略軸向?qū)?ez。56u確定有效熱導(dǎo)率方法 先測(cè)定床層中的溫度分布，然后根據(jù)傳熱方程式來(lái)反求出 e。 -代表流體靜止時(shí)的床層的熱導(dǎo)率。 上式中第二項(xiàng)代表流體流動(dòng)混合對(duì)徑向傳熱的增值。57PrRe)(0Pgege0e 的物理意義代表橫向傳質(zhì)與流動(dòng)方向傳質(zhì)速度之比。 的物理意義代表顆粒間距與粒徑比的影響。 g - 流體的有效熱導(dǎo)率。58n 的計(jì)算：第一項(xiàng)代表床層空隙部分對(duì)傳熱的貢獻(xiàn)；第二項(xiàng)代表顆粒部分的貢獻(xiàn)。59oesprsBprvBgedhdh3211110 hrv 和 hrs 分別為空隙和顆粒的輻射給熱系數(shù)。單位：6031001)1 (211162. 1 mBBB

19、rvTh)/(2KmW31002162. 1mrsTh s 和 分別為顆粒和流體的熱導(dǎo)率； 為粒子表面的熱輻射率； 代表顆粒接觸點(diǎn)處流體薄膜的導(dǎo)熱影響。61216. 026. 0)(212B3.床層與器壁間的傳熱系數(shù)hw及h0 一維模型，床層徑向溫度一致，傳熱速率為： A-傳熱面積 tm、tw-床層平均溫度、器壁溫度。62)(0wmttAhqybadddhetpp)(210 二維模型，需要考慮床層徑向溫度分布，傳熱速率為：63)(wRwttAhqpwpwpwpwdhdhdhRePr1110644.2.5 固定床中的傳質(zhì)1.流體與催化劑顆粒外表面之間的傳質(zhì) 前面討論宏觀動(dòng)力學(xué)是采用催化劑表面的溫

20、度、濃度，然而催化劑表面的溫度濃度卻難于測(cè)量。 本節(jié)討論催化劑表面的溫度濃度與氣流主體的溫度濃度之間的關(guān)系，通過(guò)可測(cè)量的量建立動(dòng)力學(xué)關(guān)系。65 流體與催化劑表面之間的傳遞屬外擴(kuò)散過(guò)程。 催化劑表面處滯流邊界層中的阻力，使氣流主體與催化劑顆粒表面間存在濃度的差異。 組分A從氣相主體達(dá)到催化劑顆粒外表面上，必須通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，流體通過(guò)邊界層向催化劑顆粒表面擴(kuò)散的傳質(zhì)速率方程為：ASAGSgAddccSktn -單位時(shí)間傳遞A 物質(zhì)的摩爾數(shù)，mol/s kg -氣相傳質(zhì)系數(shù)，cm/s CAG -氣相主體中A物質(zhì)的濃度，mol/cm3 CAS -催化劑外表面處A物質(zhì)濃度，mol/cm3 SS -催化劑外

21、表面積，cm2 -顆粒表面利用系數(shù)，球體 = 1， 圓柱體 = 0.91，其他形狀 = 0.9066tnddA67u氣相傳質(zhì)系數(shù) kg 整個(gè)傳質(zhì)方程的核心，反映了傳質(zhì)過(guò)程阻力的大小，總包了各種條件對(duì)傳質(zhì)的影響。 傳質(zhì)系數(shù)對(duì)傳質(zhì)速率影響極其重大，傳質(zhì)系數(shù)越小，阻力就越大。 傳質(zhì)系數(shù)與顆粒的幾何尺寸及形狀、流體力學(xué)條件、流體的物理性質(zhì)有關(guān)。 傳質(zhì)系數(shù) kg 由實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算。常用 JD 因子計(jì)算法關(guān)聯(lián)： 式中：6832ggDScGkJ施密特準(zhǔn)數(shù)；氣體質(zhì)量流率；氣相密度傳質(zhì)因子；,Sc:Scsmkg:mkg:gg123gDDGJ69.cm,1ReRe19. 1,6000Re300Re10. 2,30

22、0Re3 . 0BsBgsm41. 0mDm51. 0mDmD催化劑床層空隙率顆粒比表面當(dāng)量直徑是雷諾數(shù)的函數(shù)：dGdJJJ。氣相分子擴(kuò)散系數(shù)；氣相粘度12gsmsPaD70 比表面當(dāng)量直徑：?jiǎn)晤w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。n注意 Re 的不同定義。2.傳質(zhì)過(guò)程對(duì)反應(yīng)的影響 流體與催化劑顆粒外表面之間存在的層流邊界層，因此，造成流體主體的氣相濃度與顆粒外表面處的氣相濃度不同。 宏觀動(dòng)力學(xué)方程是以表面氣相濃度為計(jì)算基準(zhǔn)的，外擴(kuò)散過(guò)程直接影響反應(yīng)的結(jié)果。 連續(xù)穩(wěn)定過(guò)程，組分A在單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散到顆粒外表面處的量等于催化劑中反應(yīng)掉的量71即： 上式將 CAG 與 CA

23、S 關(guān)聯(lián)起來(lái)， CAG 是氣相主體濃度，可以直接測(cè)定，因而解決了宏觀動(dòng)力學(xué)中 CAS 的計(jì)算問(wèn)題。 若本征動(dòng)力學(xué)方程為：72 ASckfVVRccSktnSSAASAGSgAddAckfrA則：其中： Da為坦克萊(Damkohler)數(shù)，其物理意義是反應(yīng)速率與外擴(kuò)散速率的比值，反映了體系中外擴(kuò)散的影響程度。數(shù)值越大，反應(yīng)速率越快，外擴(kuò)散的影響就越大。 Da0，外擴(kuò)散可忽略。73SgSDaSkkV)(Da)(ASASSgSASAGcfcfSkkVcc74 一級(jí)反應(yīng)： 二級(jí)反應(yīng)： 其他類型(N級(jí))動(dòng)力學(xué)方程：AGASASASAGASASDa11Da)(cccccccfDa21Da41DaAGAS

24、2ASASAG2ASAScccccccf)(AGAScc 有外擴(kuò)散影響的宏觀動(dòng)力學(xué)方程為：75)()()(AGAGSSgAGASAccVSkckfckfR76特殊情況： 外擴(kuò)散控制-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。 內(nèi)擴(kuò)散或動(dòng)力學(xué)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，外擴(kuò)散可不予考慮。AGSgA6cdkRAGAckfR77例 實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行苯加氫反應(yīng)，在1013.3 kPa下操作，氣體質(zhì)量速度G=3000 kgm-2h-1，催化劑為 89mm圓柱體，顆粒密度P=0.9gcm-3，床層堆積密度B=

25、0.6gcm-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(cè)得該處宏觀反應(yīng)速率 (-RA)=0.015molh-1g-1(cat) 。試估算該處催化劑的外表面濃度。注：氣體粘度 = 1.410-4 gcm-1s-1， 擴(kuò)散系數(shù) D = 0.267cm2s-1。7879解： 計(jì)算催化劑的粒徑 dScm8308. 0267. 34524. 066cm4524. 09 . 08 . 044cm267. 38 . 09 . 08 . 0242SSS322S222SSVdLdVLddS80 計(jì)算床層中氣體的雷諾數(shù)7 .814333. 011000036009

26、1. 0104 . 1100030008308. 01Re333. 09 . 06 . 0114BgSmPBBGd81 計(jì)算 JD 和 kg 值0762. 07 .81419. 1Re19. 141. 041. 0mDJ33mgg.cm1056. 322027383144 .143 .1013RTpM4 .141605. 08405. 028 . 0781 . 0miiMxM82132343332gggDgcm.s397. 6267. 01056. 3104 . 11056. 31030000762. 0DGJk83 計(jì)算 CAG 和 CAS32AAGmkmol10472. 222027331

27、4. 81 . 03 .1013RTpc3538SgSPAASAGmkmol1092. 8cmmol1092. 891. 0267. 3397. 64524. 09 . 03600015. 0SkVRcc8432525AGASmkmol10463. 21092. 810472. 21092. 8 cc853.流體與顆粒外表面間的濃度差和溫度差 單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量必然等于單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)放出的熱量。 單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)放出的熱量為： 傳遞的熱量=反應(yīng)熱量)()(ddSAHVRtQ)()()(GSSPSTTShHVRA上式整理:前面的傳質(zhì)過(guò)程中，已知：由(A)和(B)式可得：86)()()(SGSSP

28、AHVTTShR(A) )()(ASAGSSgAccVSkR(B)()()(ASAGSSgSGSSgccVSkHVTTS整理上式，得： 上式關(guān)聯(lián)了顆粒濃度與溫度之間的變化關(guān)系。 可通過(guò)氣相主體濃度和溫度及顆粒表面濃度求顆粒表面溫度。87(C)(ASAGggGSccHkTT88u進(jìn)一步簡(jiǎn)化(C)式，前面有： JH 和 JD 相除，得：0.41mHm0.51mHm0.41mDm0.51mDm1.28ReJ6000Re3002.26ReJ300Re0.061.19ReJ6000Re3002.10ReJ300Re0.31.0761.191.28JJ6000Re3001.0762.102.26JJ300

29、Re0.06DHmDHm 由J(H) 和 J(D)的定義： 實(shí)驗(yàn)得到： 代入上式： 代入(C)式得：89076. 1ScPr/)/(JJPggg32ggPgDHckGkGc1Sc)(Pr/2/3)/(93. 0/Pggckg)(93. 0ASAGPgGSccHcTT90例試計(jì)算例5-6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。解：C1 .2201 . 0220C1 . 0491056. 31092. 810135. 293. 093. 0oSo385PgASAGgSTcccHTT6.3 擬均相一維模型擬均相一維模型

30、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、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、非均相兩大類。非均相兩大類。 一、擬均相模型一、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。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）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。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）二維擬均相模型 同

31、時(shí)考慮軸向和徑向的溫度和濃度分布。同時(shí)考慮軸向和徑向的溫度和濃度分布。 二、非均相模型二、非均相模型非均相非均相反應(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，稱為和計(jì)算宏觀反應(yīng)速率，稱為“非均相非均相”模型。模型。簡(jiǎn)言之即考慮顆粒與流體之間的溫度差和濃度差。簡(jiǎn)言之即考慮顆粒與流體之間的溫度差和濃度差。一般來(lái)說(shuō)，模型考慮得越全面，對(duì)過(guò)程模擬越精確，一般來(lái)說(shuō)，模型考慮

32、得越全面，對(duì)過(guò)程模擬越精確，但計(jì)算工作量也越大，甚至無(wú)法求解。因此，在工程但計(jì)算工作量也越大，甚至無(wú)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(jiǎn)單模型。計(jì)算允許的誤差范圍內(nèi)應(yīng)盡可能選用簡(jiǎn)單模型。6.3.1 等溫反應(yīng)器的計(jì)算等溫反應(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。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(duì)右圖固定床反應(yīng)器取一微元段進(jìn)對(duì)右圖固定床反應(yīng)器取一微元段進(jìn)行物料衡算（以行物料衡算（以cat的質(zhì)量定義）的質(zhì)量定義）0A0AxFdlTTAAdFF AF質(zhì)量衡算質(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)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(duì)微元對(duì)A組份組份做物料衡算：做物料衡算：輸入輸入 輸出輸出= 反應(yīng)反應(yīng) 積累積累FA FA+dFA (-r