第七章：气固相催化反应固定床反应器.

第七章:气固相催化反应固定床反应器 7.1流体在固定床内的传递特性 1.床层空隙率与流体的流动 空隙率:(利用 B B p p v v w ρ=ρ= 111P B B B P V V ρερ= =- =-=-空 隙 体 积 颗 粒 体 积 床 层 体 积 床 层 体 积 P B , ρρ分别是颗粒密度和颗粒的堆积密度。 2.颗粒的 当量直径 a .体积当量直径(V d 3 /1S v V 6( d π = d 6 1V (3 v s π= 式中 S V 为颗粒的体积。 b. 面积当量直径(a d 2 /1S a S ( d π = d S (2 a s π= 式中 S S 为颗粒的外 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面积。 c. 比表面积当量直径(S d 即与颗粒具有相同比表面积的球体直径 S S V S S V 6 S 6d == d 6R 3V S S (s s s v = = = V S 为单位颗粒体积具有的外表面积。 d. 对混合粒子的平均直径 ∑= d /x (1d i i m i x 是直径为 i d 的粒子的质量分率。 3.流体通过床层的压降 a .床层的当量直径 V B B e S 1(4 4 d ?ε-ε ==浸润周边 截面积 由于 S V d 6S = S B B e d 1(32 d ?ε-ε ? = ∴ (可见朱炳陈 P 109 b .床层压降 由化工原理中的结果 g 2 e 2 u d dl dp ρ? λ= - 7.1— 7 式中的 u 为实际流速、若 u m 为空塔流速,则: B m B m /u u u u ε=?ε?= 将 e d , u ,代入 7.1— 7式中 3 B B S g 2 m 1d u dl dp εε-?ρλ'=- 7.1— 8 式中 λ= λ'4 3为摩察系数与 e R 有关。 1(3u d 2u d R B g g m S g g e e ε-μρ= μρ= 令 1(u d R B g g m S em ε-μρ=为修正雷诺数 测得: 75. 1R 150em += λ' 则 3 B B S g 2 m em 1d u 75. 1R 150 (dl dp εε-?ρ+=- (厄根公式 7.1— 10 当压降较低时,则 3 B B S g 2 m em 1d u 75. 1R 150(L p εε-?ρ+=?- 7.1— 11 7.2固定床催化反应器的设计 7.2.1气固催化固定床反应器的基本类型和特点 1.绝热式气固催化反应器 主要用于放热反应 a .单段绝热反应器 如甲烷化炉,低变炉等, 适合反应物浓度较低 和反应热较小的体系。 B .多段绝热催化反应器 (a 多 段间壁换热式催化反应器 换热时 X , T ↓不变 换热时 ↓↓X , T 不变 , X T ,但由于冷激气中含有辅助反应组合,如: CO 变换用水蒸气或软水冷激; SO 2氧化时用空气冷激等。 采用不同的段间换热方式,最终转化率的高低顺序为 对 X ,非原料气冷激 >间接换热 >原料气冷激 2.连续换热反应器 a .内冷自热式,如并流三套管氨合成塔 并流三套管氨合成塔及温度变化示意图 图 7-8 双套管并流式反应器及床层温度分布 b .外冷列管式 外冷指冷介质在管外,列 管指催化剂装在一组管子 中如:甲醇合成塔,萘气 化制邻苯二甲酸酐等。 7.2.2气—固催化固定床反应器的数学模型 1.模型 a .非均相模型 考虑催化剂颗粒内外传质传热对反应的影响。 b. 拟均相模型 对化学动力学控制的催化反应, 可以忽略传递对反应的影响, 即 认为催化剂表面及内部的温度, 浓度同气流主体完全相同, 反应过程 的计算如同均相反应, 这种不考虑传递对反应速率影响的模型就称为 拟均相模型。 c. 一维模型 只考虑沿气体流动方向上的浓度差与温度差, 垂直于流向的浓度 及温度分布可忽略不计。 d. 二维模型 同时考虑轴向及径向上的浓度及温度分布。 注意:非均相与拟均相是对催化剂颗粒内外气体混合物的浓度及温度 分布的处理方法, 而一维与二维模型是对反应器内气流主体中的浓度 及温度分布的处理方法。 7.2.2采用一维拟均相流动模型对反应器的设计计算 1. 一维拟均相理想流动模型 基本假定:a. 均相 b. 平推流 c. 径向位置温度、浓度一致(不随 r 变 基本方程 (1 动 量衡算方程(即厄根方程 3 B B S g 2 m em 1d u 75. 1R 150 (dl dp εε-?ρ+=- (2物料衡算方程 入-出=反+积 0dV 1(R ( dF F (F R B A A A A +ε--=+- dl A dV t R = A 0A 0m t A 0A A dX C u A dX F dF -=-= dl 1(R (A dF B A t A ε--=-∴ dl 1(R (A dX C u A B A t A 0A 0m t ε--= A 0m B A A C u 1(R (dl dX ε--= (2 热 量衡算方程 流入-流出+反=导出+积累 流入=GC P T 流出=GC P (T+dT 反=dl 1(R (A H (B A t ε--?- 导出 dl d T T (h t w 0?π-= h 0—床层对器壁的给热系数 ??s m /J 2 ℃ dl d T T (h dl A 1(R (H ( dT T (GC T GC t W 0t B A P P +?π-=ε--?-++- 注意:g t m A u G ρ= ]dl T T (d h 4 1(R (H [(C u 1dl dT w t 0B A P g m --ε--?-ρ= 边界条件 0A 0T T , 0X , P P , 0L ==== 2.等温反应器的计算 0dl dT = (反应速率常数 k 为定值 出口压力 3 B B S g 2 m em 01d u 75. 1R 150 (L P P εε-?ρ+-= 床层高度(由 0A 0m B A C u 1(R (dl dx ε--= ?-ε-= ?=A x 0 A A B 0A 0m L 0 R (dx 1C u dl L 式中 C (kf R (AS A η=- 工业上等温操作很难实现原因如下: 0dl dT =则 dl h 4dx (d C u T h 4 R ((d 1(T T 0A t 0A 0m 0 A t B W ??H-- =-?H-ε--= 由于 X 随 l 不是线性变化, 因此床壁温度沿床高亦非线性变化, 而需 按一定的规律加以改变,因此实际上很难做到。 3.单层绝热床的计算 绝热操作时的数学模型 3 B B S g 2 m em 1d u 75. 1R 150( dl dp εε-?ρ+=- 0 A 0m B A A C u 1(R (dl dX ε--= 7.2— 5 P g m B A C u 1(R (H (dl dT ρε--?-= 7.2— 6 边界条件 00A P P , T T , 0x , 0L ==== 其解为:L 1d u 75. 1R 150( P P 3 B B S g 2 m em 0?εε-?ρ+-= 7.2— 7 λ=ρ?H-≈ ρ?H-= ? P g 0 A m P g 0 m 0A A C C (u C u (C dx dT 5 2. 762. 7— — 7.2— 8 λ称为绝热温升在一定工况下近似为常数。 x x (T T 0A A 0-λ+= 由(7.2— 5 ?-ε-= A x 0 A A R 0A 0m R (dx 1(C u L x , C (f e k R A 0A RT /E 0-η= λ 的物理意义: (由 x x (T T 0A A 0-λ+=知 , 当 1x , 0x A 0A ==时 λ=-=?0max T T T 4.多段绝热反应器的计算 最优的进出口 T , x 目标 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数为催化剂装填量最小。 对第 I 段反应床 ?∑ε-= ∑=?-ε-=?ε-==Aif Ai Aif Ai Aif Ai x x B 0A 0Ri R x x A A B 0A 0x x B 0A 0m t i t Ri 1(C V V V R (dx 1(C V 1(C u A L A V 令 0x V , 0T V i R i R =??=?? 求得:i i T , x 使 R V 最小 ] R (dx R (dx R (dx R (dx R (dx [x 1F x V Anf An f 1i (A 0 1i (A Aif Ai f 2A 20 A f 1A 10 A x x A A x x A A x x A A x x A A x x A A if B 0A if R =?-++?-+?-+?+-+?-??? ε-= ??++ 由于间接换热 0 1i (A Aif x x +=所以 0] R (1 R (1 [ 1F x V 0 1i (A if A B 0 A if R =-- -ε-= ??+ 即 0 1i (A if A R ( R (+-=- (条件式 I 用于确定后一段的入口温度 (即各段入口的最优温度 对 T if 求导 ? ? ? ? =?-??ε-= -?? ? ε-= +-+ +-?? ? ε-= ??Aif 0 Ai Aif 0 Ai Aif 0 Ai f 1A 10 A x x A if A B 0A x x A A if B 0 A x x A A x x A A if B 0 A if R 0 dx T ] R (1[ 1F R (dx T 1F ] R (dx R (dx [T 1F T V 按积分中值定理有 ? =?-?-=?-?=Aif Ai Am A x x x x if A 0Ai Aif A if A 0]T ] R (1[ [ x x (dx T ] R (1[ 即在 0Ai x 和 Aif x 之间必有一点使 0T ] R (1 [ if A =?-?或者说各段入口操 作点位于最佳温度曲线的低温一侧, 而出口位于高温一侧, 并满足此 式,将上式进一步写成 ? ?? =?-?+?-?= ?-?Aif Ai Aif Aim Ai x x x x A if A xim x A if A A if A 0 dx T ] R (1[dx T ] R (1[dx T ] R (1[ 即 ? ? ?-?= ?-?- Aim 0 Ai Aif Aim x x x x A if A A if A dx T ] R (1 [ dx T ] R (1 [ 上式称为条件式 II 用于确定各段最优出口浓度 Ai x 各段 T , x 的确定 a .根据初始气体组成,动力学参数(E 1, E 2及热力学参数 (K P =f(T作出整个反应过程的平衡线及最佳温度曲线 b .根据起始活性温度确定 T 10 c .由 f 11010x T ,