固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算

固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算第1頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age2主要內(nèi)容1.概念2.分析（換熱）3.傳遞過(guò)程4.擬均相一維模型5.設(shè)計(jì)實(shí)例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an第2頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age3固定床反應(yīng)器概念EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an

又稱(chēng)填充床反應(yīng)器，裝填有固體催化劑或固體反應(yīng)物用以實(shí)現(xiàn)多相反應(yīng)過(guò)程的一種反應(yīng)器。固體物通常呈顆粒狀，粒徑2～15mm左右,堆積成一定高度（或厚度）的床層。床層靜止不動(dòng)，流體通過(guò)床層進(jìn)行反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室：石英管、不銹鋼管催化劑顆粒放在等溫區(qū)，其余填充石英砂，兩端用玻璃棉封口防止石英砂被吹出。用D6或D8的不銹鋼管做反應(yīng)管較寬、催化劑較少時(shí)，用更細(xì)的不銹鋼管作支撐管，上墊不銹鋼網(wǎng)，可作800度以下的反應(yīng)。第3頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age4固定床反應(yīng)器概念EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an與流化床反應(yīng)器及移動(dòng)床反應(yīng)器的區(qū)別在于固體顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)。固定床反應(yīng)器主要用于實(shí)現(xiàn)氣固相催化反應(yīng)，如氨合成塔、二氧化硫接觸氧化器、烴類(lèi)蒸汽轉(zhuǎn)化爐等。

用于氣固相或液固相非催化反應(yīng)時(shí)，床層則填裝固體反應(yīng)物。涓流床反應(yīng)器也可歸屬于固定床反應(yīng)器，氣、液相并流向下通過(guò)床層，呈氣液固相接觸。第4頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age52.固定床反應(yīng)器分類(lèi)（換熱）EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an絕熱床反應(yīng)器對(duì)外換熱式反應(yīng)器多段絕熱床反應(yīng)器第5頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age62.固定床反應(yīng)器分類(lèi)（換熱）EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an自熱式反應(yīng)器傳熱和溫度控制是難點(diǎn)，固定列管式固定床反應(yīng)器性能較好反應(yīng)物流處于湍流狀態(tài)時(shí)，空管的長(zhǎng)徑比大于50;填充段長(zhǎng)與粒徑之比大于100(氣體)或200(液體)第6頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age73.固定床反應(yīng)器傳遞過(guò)程—基本概念EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an1.粒子直徑(3種，dadsdvP162)2.形狀系數(shù)s3.床層空隙率B4.床層當(dāng)量直徑

de5.床層壓降P第7頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age83.固定床反應(yīng)器傳遞過(guò)程—基本概念EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an6.傳熱系數(shù)(3種vP166)顆粒與流體間傳熱系數(shù)(hp)固定床中的有效熱傳導(dǎo)(λe)

床層與器壁間的給熱系數(shù)h0(一維模型)和hw(二維模型)7.傳質(zhì)系數(shù)(P170)顆粒與流體間的傳質(zhì)流體的混合擴(kuò)散（Ez和Er）第8頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age94.擬均相一維模型EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an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9頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age10EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an4.1等溫反應(yīng)器的計(jì)算(P173)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PFR相似。對(duì)右圖固定床反應(yīng)器取一微元段進(jìn)行物料衡算第10頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age11EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an設(shè)計(jì)方程床層高度

一般，固定床反應(yīng)器換熱比較困難，很難做到等溫操作，此法僅用于對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行估算?；虻葴胤磻?yīng)器第11頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age12EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an4.2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：（6-55）（6-59）第12頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age13EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an式（6-55）和（6-59）分別積分并整理得：（6-60）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W。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13頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age14EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an圖解法步驟1）由式（6-60）在xA~T圖中作絕熱操作線(xiàn)；2）在絕熱操作線(xiàn)上讀出若干組（xAi，Ti

）數(shù)據(jù)；3）由（xAi，Ti

）數(shù)據(jù)計(jì)算（-rAi）和1/（-rAi）；4）作1/（-rA）~xA曲線(xiàn)。該曲線(xiàn)下方介于0~xAf之間的面積大小即W/FA0。5）床層高度第14頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age15EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an4.3列管式固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與列管式換熱器相似，反應(yīng)氣體從裝填催化劑的管內(nèi)流過(guò)，管間通入換熱介質(zhì)進(jìn)行換熱。反應(yīng)管并聯(lián)連接，只需計(jì)算其中一根管的長(zhǎng)度和催化劑裝填量。第15頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age16EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an一維擬均相模型法由于反應(yīng)器內(nèi)存在換熱，計(jì)算中要考慮熱量傳遞的影響。床層與管壁間的傳熱量式中，總括傳熱系數(shù)h0可由Leva公式計(jì)算：使用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式時(shí)要注意條件和式中各參數(shù)的單位。第16頁(yè)/共39頁(yè)床層與管外傳熱介質(zhì)之間的總傳熱系數(shù)管內(nèi)物料和熱量衡算如圖，取管內(nèi)微元長(zhǎng)度對(duì)組分A進(jìn)行衡算得：第17頁(yè)/共39頁(yè)整理得

該方程組就是列管式固定床反應(yīng)器的一維擬均相數(shù)學(xué)模型，對(duì)一定的生產(chǎn)任務(wù)，可計(jì)算出床層中軸向濃度和溫度分布。第18頁(yè)/共39頁(yè)四階龍格-庫(kù)塔法求解步驟（1）將微分方程組化成差分方程組第19頁(yè)/共39頁(yè)（2）給定邊界條件，，步長(zhǎng)，計(jì)算（3）將xA1、T1、l1作為初值，重復(fù)（2）的計(jì)算，直至xA≥xAf。第20頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age215.設(shè)計(jì)實(shí)例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an草酸二甲酯加氫制備乙二醇列管式固定床反應(yīng)器計(jì)算（一維擬均相等溫反應(yīng)器）方程式主反應(yīng)付反應(yīng)總反應(yīng)42第21頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age225.設(shè)計(jì)實(shí)例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an反應(yīng)機(jī)理速率控制步驟第22頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age235.設(shè)計(jì)實(shí)例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an反應(yīng)熱公式平衡常數(shù)公式4次方第23頁(yè)/共39頁(yè)范德霍夫方程第24頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age255.設(shè)計(jì)實(shí)例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an第25頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age265.設(shè)計(jì)實(shí)例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an物料衡算第26頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age275.設(shè)計(jì)實(shí)例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an動(dòng)力學(xué)方程第27頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age285.設(shè)計(jì)實(shí)例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an第28頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age295.設(shè)計(jì)實(shí)例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an質(zhì)量傳遞建立數(shù)學(xué)模型第29頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age305.設(shè)計(jì)實(shí)例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an熱量傳遞第一個(gè)反應(yīng)對(duì)反應(yīng)器中溫度升高的貢獻(xiàn)第二個(gè)反應(yīng)對(duì)反應(yīng)器中溫度升高的貢獻(xiàn)向外界傳熱對(duì)反應(yīng)器中溫度降低的貢獻(xiàn)第30頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age315.設(shè)計(jì)實(shí)例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an管程中催化劑與殼程沸騰水總傳熱系數(shù)計(jì)算第31頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age325.設(shè)計(jì)實(shí)例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an床層與管外傳熱介質(zhì)之間的總傳熱系數(shù)第32頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age335.設(shè)計(jì)實(shí)例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an動(dòng)量傳遞第33頁(yè)/共39頁(yè)P(yáng)age345.設(shè)計(jì)實(shí)例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an反應(yīng)工藝條件第34頁(yè)/共39