第七章多相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析

1、第七章第七章 多相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析多相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析本章內(nèi)容：本章內(nèi)容： 固定床反應(yīng)器的分類固定床反應(yīng)器的分類 固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象 固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型 絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器 換熱式固定床反應(yīng)器換熱式固定床反應(yīng)器 自熱式固定床反應(yīng)器自熱式固定床反應(yīng)器 參數(shù)敏感性參數(shù)敏感性固定床反應(yīng)器的分類固定床反應(yīng)器的分類絕熱反應(yīng)器絕熱反應(yīng)器換熱反應(yīng)器換熱反應(yīng)器自熱式自熱式徑向反應(yīng)塔徑向反應(yīng)塔列管式固定床反應(yīng)器列管式固定床反應(yīng)器單段絕熱反應(yīng)器單段絕熱反應(yīng)器多段絕熱反應(yīng)器多段絕熱反應(yīng)器段內(nèi)絕熱，段間換熱段內(nèi)絕熱，段間換熱換熱式固定床反應(yīng)器換

2、熱式固定床反應(yīng)器固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象 =顆粒間空隙體積顆粒間空隙體積床層體積床層體積1. 固定床內(nèi)的流體流動(dòng)固定床內(nèi)的流體流動(dòng)影響影響因素因素顆粒形狀 粒度分布 顆粒與床層直徑比 顆粒的裝填方式固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象1. 固定床內(nèi)的流體流動(dòng)固定床內(nèi)的流體流動(dòng)小結(jié)：小結(jié)： 真實(shí)床層徑向空隙率分布真實(shí)床層徑向空隙率分布是不均勻的，在距壁面約是不均勻的，在距壁面約12倍粒徑處，空隙率最大。倍粒徑處，空隙率最大。壁效應(yīng)壁效應(yīng) 床層直徑與顆粒直徑之比床層直徑與顆粒直徑之比越大，空隙率分布越均勻。越大，空隙率分布越均勻。 由于空隙率分布不均勻。由于空隙率分布不均勻。造成徑向流

3、速分布不同于空造成徑向流速分布不同于空管。管。 為了消除壁效應(yīng)，一般，為了消除壁效應(yīng)，一般，管徑與粒徑之比應(yīng)大于管徑與粒徑之比應(yīng)大于8。固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象1. 固定床內(nèi)的流體流動(dòng)固定床內(nèi)的流體流動(dòng)壓力降計(jì)算公式壓力降計(jì)算公式301srduLfp75. 1150eRf110udRseu0、ppsaVd6流動(dòng)阻力流動(dòng)阻力顆粒的粘滯曳力顆粒的粘滯曳力局部阻力局部阻力回顧：空管中流動(dòng)阻力回顧：空管中流動(dòng)阻力固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象2. 質(zhì)量和熱量的軸向擴(kuò)散質(zhì)量和熱量的軸向擴(kuò)散apmeaDudPeappheacudP2 氣體氣體0.31 液體液體0.6 areDuLP 回顧

4、回顧10udRpe固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象2. 質(zhì)量和熱量的徑向擴(kuò)散質(zhì)量和熱量的徑向擴(kuò)散固定床反應(yīng)器的徑向溫度分布固定床反應(yīng)器的徑向溫度分布粒粒內(nèi)內(nèi)傳傳熱熱粒粒子子與與流流體體間間的的傳傳熱熱床床層層與與器器壁壁的的傳傳熱熱固定床的徑向傳熱固定床的徑向傳熱熱阻大熱阻大床層本身的導(dǎo)熱床層本身的導(dǎo)熱 + 床層與器壁的對(duì)流傳熱床層與器壁的對(duì)流傳熱床層本身的導(dǎo)熱熱阻床層本身的導(dǎo)熱熱阻靠近內(nèi)壁的層流邊界層靠近內(nèi)壁的層流邊界層徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)徑向有效導(dǎo)熱系數(shù) er關(guān)聯(lián)式很多關(guān)聯(lián)式很多壁膜傳熱系數(shù)壁膜傳熱系數(shù)hw無滿意關(guān)聯(lián)式無滿意關(guān)聯(lián)式床層傳熱系數(shù)床層傳熱系數(shù)ht固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞

5、現(xiàn)象2. 質(zhì)量和熱量的徑向擴(kuò)散質(zhì)量和熱量的徑向擴(kuò)散徑向傳熱包括徑向傳熱包括 ht的關(guān)聯(lián)式的關(guān)聯(lián)式tpefttddRdh6exp26. 195. 0tpefttddRdh6exp03. 28 . 0球形顆粒球形顆粒圓柱形顆粒圓柱形顆粒2. 質(zhì)量和熱量的徑向擴(kuò)散質(zhì)量和熱量的徑向擴(kuò)散固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象 徑向傳質(zhì)徑向傳質(zhì)rprerDudP513多數(shù)多數(shù)10固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象 軸向：軸向： 等溫時(shí)，若用等溫時(shí)，若用N N個(gè)等體積的全混釜來描述固定床內(nèi)氣個(gè)等體積的全混釜來描述固定床內(nèi)氣體的流動(dòng)狀況，則體的流動(dòng)狀況，則N N等于等于5050或更大?；蚋蟆?對(duì)工業(yè)固定床反

6、應(yīng)器，大多數(shù)對(duì)工業(yè)固定床反應(yīng)器，大多數(shù)L Lr r/d/dp p值遠(yuǎn)大于值遠(yuǎn)大于5050，故可，故可采用活塞流模型表示等溫固定床內(nèi)氣體的流動(dòng)狀況。采用活塞流模型表示等溫固定床內(nèi)氣體的流動(dòng)狀況。 非等溫時(shí)，以非等溫時(shí)，以L Lr r/d/dp p值大于值大于150150作為準(zhǔn)則較穩(wěn)妥。作為準(zhǔn)則較穩(wěn)妥。prdLN 軸向擴(kuò)散：ptddN5 徑向擴(kuò)散： 徑向：徑向： 若用若用N N個(gè)等體積的全混釜來描述固定床內(nèi)氣體的流動(dòng)個(gè)等體積的全混釜來描述固定床內(nèi)氣體的流動(dòng)狀況，則狀況，則N N不可能為不可能為1 1，即徑向濃度梯度總是存在。，即徑向濃度梯度總是存在。 減小減小dt/dpdt/dp，則徑向濃度梯度降

7、低，但當(dāng)，則徑向濃度梯度降低，但當(dāng)dt/dp dt/dp 5 5，則床內(nèi)流動(dòng)極不均勻。（壁效應(yīng)嚴(yán)重，且流體易短路）則床內(nèi)流動(dòng)極不均勻。（壁效應(yīng)嚴(yán)重，且流體易短路）小結(jié)小結(jié)固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型平推流的一維模型平推流的一維模型有軸向返混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有徑向混合和徑向溫差的二維模型擬均相模型擬均相模型1.1.概述概述非均相模型非均相模型一維模型一維模型二維模型二維模型)(4)(0ctrAbptTTdUHdZdTGC)(00AbAAAdZdXMGw2. 活塞流模型活塞流模型32)1 (pdfGdZdp00 , , 0 , 0PPTT

8、XZA物料衡算物料衡算熱量衡算熱量衡算動(dòng)量衡算動(dòng)量衡算初始條件初始條件固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型3. 軸向擴(kuò)散模型軸向擴(kuò)散模型0)(0022AbAAadZdcudZcdD0)(4)(0022ctrAbptfeaTTdUHdZdTCudZTddZdTTTCueaptf)(00dZdcDCCuZAaAA)( , 0000 ,dZdTdZdcLZA固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型TrAbptHdZdTGC)(0絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器)(00AbAAAdZdXMGwptATrAACMHwdXdT)(0ALAXXAAAAbArTXTXdXFV0),(),(00

9、ptATrAACMHwXTT0)(00ALAXXAAAAbAArTXTXdXMGwL0),(),(001.1.單段單段產(chǎn)品原料TXA平衡曲線最佳溫度線T=XA絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器2.2.多段多段NirirVVV1min,0)()()(2211ANANAAAAXXAAAXXAAAXXAAAbArTXdXTXdXTXdXFV目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)催化劑用量最少催化劑用量最少* * *產(chǎn)品成本最低產(chǎn)品成本最低產(chǎn)量最大產(chǎn)量最大絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器2.2.多段多段得，令： 0 ArXVNiTXTXiAiAiAiA, 3 , 2),() (,1,1,2 , 1, 0)(,AiAi

10、XXAAAiNiTXdXT得，令： 0 irTV兩式含義：兩式含義：1. 為保證催化劑總用量最少，任何一段的出口轉(zhuǎn)化率應(yīng)等于下一段為保證催化劑總用量最少，任何一段的出口轉(zhuǎn)化率應(yīng)等于下一段進(jìn)口的轉(zhuǎn)化率進(jìn)口的轉(zhuǎn)化率2. 在規(guī)定的進(jìn)、出口轉(zhuǎn)化率下，存在一最佳的進(jìn)口溫度，使催化劑在規(guī)定的進(jìn)、出口轉(zhuǎn)化率下，存在一最佳的進(jìn)口溫度，使催化劑總用量最少總用量最少絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器2.2.多段多段換熱式固定床反應(yīng)器換熱式固定床反應(yīng)器)(00AbAAAdZdXMGwTrAbptHdZdTGC)(0)()(4)(000AbptAtCAptArAACMdTTUwCMHwdXdT ALAXXAAAAb

11、ArTXTXdXFV0),(),(001. 催化劑用量催化劑用量dZdXdXdTdZdTAA)(0rAbH)(4CtTTdU0dZdT熱點(diǎn)熱點(diǎn)XA最佳溫最佳溫度曲線度曲線平衡曲線平衡曲線絕熱線絕熱線2. 熱點(diǎn)概念熱點(diǎn)概念換熱式固定床反應(yīng)器換熱式固定床反應(yīng)器換熱式固定床反應(yīng)器換熱式固定床反應(yīng)器2. 熱點(diǎn)概念熱點(diǎn)概念自熱式固定床反應(yīng)器自熱式固定床反應(yīng)器流向流向單管逆流式單管逆流式單管并流式單管并流式雙管及三管逆流雙管及三管逆流式U管式管式1. 分類分類逆流并流單管逆流式單管逆流式單管并流式單管并流式逆流并流2. 設(shè)計(jì)方程設(shè)計(jì)方程自熱式固定床反應(yīng)器自熱式固定床反應(yīng)器)()()(000CCpcCptArAATTCGTTCGXHMGw反應(yīng)放熱 反應(yīng)氣升溫的熱量 原料氣升溫的熱量)()(000TTXCMHwCGCGTTAptArApcCptCC)(00TTXTTACCATTCGATTCGHXFCCpcCptrAA000 并流為例推導(dǎo)并流為例推導(dǎo)pccptCGCG自熱式固定床反應(yīng)器自熱式固定床反應(yīng)器逆流逆流并流并