绝热轴向固定床中气流均布的数学模型.pdf

第 5 卷第3期 1 9 8 9年 9月 化学 反应工 程与 工艺 V o I s 3 Ch e mi e a I Re a c t i o n En g i ne e r i ng And Te c hnol o g y e p t 1 9 8 9 绝热轴向固定床 中气流均布 的 数学模型 张 至 英戴 迎 春张 家庭徐德兴 联合化学匣应 工程研究所华东化工学 分所 摘 要 以前文 E 为基础 在 0 4 r n 0 5 3 s 0 5 3 5 m以及1 3 2x1 3 2 m的装置申 对 侧向进 出 口绝热轴 向固定 床反应器的 气流均布 问题作了进一步的研究 采用瓷球促使反应器 内气流均句分 布 根据理论分析 口 实验结果提出了数学模 型 得到气 不均匀度的表达式 s 一 关键词 绝热轴 向 固定床 气 流均布 数学 模型 一 引 言 在前文 J 1 的基础上 作者对侧向进 出 口的绝热轴向回定床反应器 内气 流均布技术进 行了进一步的研究 所用的实验装置及流程均与前文相同 故不再赘述 虽然剥用附 加填料来 促使 气流均布 的技术 已袭 用多年 也进 行过一 些研 究 但 很 不充分 有关的报道均停留在实验工作的水平上 适用范围有限 尚未见至 有关数学模型的 文章发表 本 文在 假定 床 层空 隙率均 匀的前提下 试 图通过 实验研 究 在 0 4 0 0 m 0 5 3 0 5 3 5 m以及 1 3 2 1 3 2 m等三 种较 大尺寸 的冷 模装 置 内 根据 实际 要 求 调 节日 D和 附加瓷球层高度 相当E u l 采用类似文献 介缙的流动分离器 避免气 流 径向混 租 测 出床 层截面 上的 速鼢布 探索这些 因素对不 均 匀度 S 的影 响 并 根 据理 论分 析 寻 求 适用 于实际反应 器开发 的气 流 均布模型 二 模 型 建立 1 模型涉厦的变量 在前文E 中 根据因次分析导出了如下的准数函数式 9 号 8 年s 月2 3 日 收到 i 螂 年2 月尘 4 目收珊修敢稿 维普资讯 化 学 反 应 工 程 与 T 茎 S J HI D a I D Re 肌 在实验范围内 s 与 e 无关 f j 加之工艺条件的约束 使d D不能 任 意改 变 于 是式 1 可 简 化为 s J HI D 2 在 S H D与毋 三者之 间只有 两个独 立 变量 根 据预实验 提供 的 信 息表 明 s 与H D E u之 间的关系并非都是线性 i 为了更好地描述均布过程 本文把线性逐步 回归的基本 思想 加 以推广 遵 过趁步 回归可确定在一定显著性水平下 各变量均为显著的回归方程 2 均布过程 分析 为处理方便 假定在图 I 所示瓷球直径 范围内速度分布均 匀 仅考虑流体在相邻瓷球间速度差异 由于进瓷球层前流速分 布不均匀 故对床层同 高度的相邻瓷球来说 驻点压力p 各不 相同 即沿床层截面存在着径向压差 p 这正是促进流体再分 配或 进行动向传 递的推 动力 在一个速度分布近乎均匀的流场中 经实验浏得流体在球面 上压力分布 为 p p o 一C r z 式中 r 西 2 s i n e 根据方程 3 可假定相l邻瓷球间横向压差 3 图 4 Ap AP o e X p 一c r i G 要使气体均布 务必使流体流过附加瓷球层产生的压降 p p 假定 p c 3 A p 5 6 关 于 流体 流过填料层 的压 降 根 据L e v a 推导可 得 A p c 面 1 0 d 7 在局部范围内引用L e v a 方程 并 代替原方程中 的 联立方程 5 6 及 7 磬整 理 得到 或 其中 c e xp 一 c 5 r c 4 c xp 一c 7 l c 4 c 1 一d c 3 p a 8 9 1 0 从式 9 可知 经过相邻瓷球 间通道的平均速度随 而 变 的变化最 终反映在s 中 显 然 对s 的影响服从式 9 所示函数形式 此外 对均布过程B 嘲 实验结果进行分析 发 维普资讯 第 3 期 绝热轴向固定床申气流均布 的数学模 型 5 5 现尽管进 出 口初始流场的速度分布迎异 但s 与五 h 之间的变化规律 相同 参见图2 两者仅在截距s 上存在较大差别 为了探索H D对s 的作用 同样发现H D的变 化并不 改变 s 一五 h曲线的形状 差 别也仅 眨映在 截距 上 综 上所述 可以推 断H D的变化或进 出 口原 始 流场的不 同 仅影响曲线的截距而对其形状几乎无影响 这是完全可以理解的 因为s 积 体现初始流坊的特征 它为进 出 口条件及H D 所制约 如图 3 所示 而曲线的形状 集中 反映了均布措施 对s 的作用 由于所采用的是同样均布措施 故 对s 的作用规律 理应 相 同 图 2 进 出 口均布模 型仿真 曲线 与实验 值比较 图 3 鼠 与H D的关 系 3 摸 型 结构 形 式 基于理 论分 析 及实验研 究可得 均布过程的 模型 S S E 1一e x p 一1 肛 1 1 其 中 S e I 一 2 O D 1 2 式 1 1 1 一 p 一1 t E 部分表达了瓷球的均布作用 同时S 又能反映不 同流场速度 分布的特征 故提出的模型对进 1t i 口流场皆能适用 经回归后可确定模型参数值 对 进 口 对出 口 S I 一 2 H D 1 一e x p 一1 肛 日 1 3 S 0 6 7 3 I 一2 4 8 2 H D E l e x p 一1 1 4 0 日 1 4 式 1 3 与 1 4 的莉 余残 差方 差s D分别为 5 5 2 1 1 0 一 与 3 2 l x1 0 为便于直观比较 将实测数据与模型仿真曲线标绘在图2 上 豆然模型对实际过程具有 簿好的保真性 建 立的模型能比较确切地描述均布过程 维普资讯 化 学 反 应工 程与 工艺 I 9 8 9 年 三 参数敏 感程度 的讨论 1 HI D对s 的 影 响 a 由模型 可 知 s 随H D升高而 降低 在E 0 条件 下 分 别计算进 出 口 的面 将 两者 计算结果进行比较后可知 在出 口处s 随H D增大而下降的趋势远大于进口处 2 E u 对s 的影 响 模型揭示了S 臆E 增大而递减的规律 在给定的HI D及E u的条件下 分别计算进 出 口的 8 S 得 进 口的 一7 9 5 1 0 8 出口的 一3 1 1 0 r a故在进 口处增大E 所 产 生 的 均 布 效 果 较 出 口 更 为 显 著 由 于 盖随 E h 增 大 很 快 收 敛 当 E 大 于 某 值 时 盖一 o 此时增 大E 促使 气 流均布 的效果 就不 明显 四 结 束语 本模 型不 仅能 正确 反映侧向进 出 口绝热轴 向固定床反 应器中 利 用附加瓷球 均布气 流的 规律 而且 由于 模 型中的s 能 概括 代表流场 初始速 度分布特征 所 以 即使是 中央进 出 口的 更匝器 尽管它的流场异于侧向进 出 口 但仅需根据实验 对 中一些参数进行适 当修正 就能扩大此模型的应用范围 模型还为有效均布指明方向 在s 值 较高的流场中达到规定S所 需E u 值 也较大 此时若 企图通 过 改用 其 它形状 的填料来 降低 E u 其 效果可 能 并不 明显 还 不 如 先设法 降低流场 的s 然后 再调节E u 更 为有 效 如能大 幅度 降低s 在 满足一定 均布需 求 前 提下就 能使E 值大 为 减小 这 种措施 对低阻反应器 尤为适宜 致 谢 r 本文写作过程中得到汤惠芳老师的帮助 并与吴民权 朱中南老师进行过有益讨论 作 者谨此致谢 维普资讯 第3 崩 绝热轴商固定床审气流均希秘数学鞭型 符号说明 A 圉 2 3中的常数 c 二L e v a 方程中的 录数 垦 c 1 c 2 C 一 为系数 D 反应器直径 m d 进 出口管直径 n l d p 一 一 瓷球直径 m 支晕板与进 出 口管中心线之同的垂直距离 nl 填料 瓷球 层高度 m 1 4 模型参数 r 由方程 4 定咒的径向距离 n l 塑至 为气流分布不均匀度 譬 竺 m 为韧始气 流分 布不均匀度 u 反应 器截面上平均气遣 m s u r 啦E 局部平均气违 m s um0 u 反应器截面上最大 最小气遣 m s Umo x o Eu 0条件下 反庄器截面 上最大 最小气逮 T n s 床层 空隙率 0 与亲流夹竟 0 空气密度 气体 通 过 填料 层压 降 p o 一驻点压力与大气压之差 r r 她 的压力与大气压之差 A p一相部 瓷球问驻点压差 Ap r 相邻瓷球间横向压差 参考文献 弧度 k g m 3 pa Pa Pa Pa Pa 强至英 戴迎春等 化学反应工程与工艺 2 3 5 0 1 9 8 6 Kpe a H且e Ab H Ce pTe e B C J I H T 皿 Te 0pe TH e c KHe O 0 HOB五 I X MH e cKO盘 Te x H0 Ao r H矗 1 8 E 5 6 5 6 1 9 8 4 Dar akTs c hi e r R Che m Eng Pr o c e s s 1 8 5 3 1 7 1 9 蚪 Sc h wa r t y C E a nd S m i t h J M I nd Eng Ch e m 4 5 5 j 1 2 0 9 1 9 5 3 戴迎春等 固定床反应 器气流均布技术研究 联台亿学反应工程研究所论文年刊 2 1 9 8 4 戴迎春 张至英等 丙烯腈废气催化爨烧反应器开发气流均布研究 内部资料 戴千策等 化掌工程基础 华东化工学院 1 9 8 4 Le v a M h e m En g p r o g r 4 3 5 4 9 1 9 4 7 J H 阻 H 维普资讯 S 8 化 学 反 应 工 程 与 工艺 i 9 8 9 年 A MATHEM AT CAL M ODEL FOR UNI FORM 1 I S TRI BU T1 0N 0F GAS S TREAM I N ADI ABATI C AXI AL FI XED BED REACT0RS Zh a ng Zhi y k ng Da i Yi ng c h un Zh a ng J i a t l ng Xu Dc xi ng UNI LA B Ea s t Chi n a I ns t i t ut e Br a nc h ABSTRA Ta k i ng pr e v i o u s wo r k s a s b a s i s t he a ut hor s of t hi s p a p e r s t ud i e d t he u ni f or tu i t y of g a s s t r e am di s t r i but i on i n a di aba t i c axi a l f i xed bed r e ac t or s w i t h s i d e i n l e and o ut l e t Th e e xp e r i me n t s we b c ond u c t e d i n c o l d mod e l s o f t hr e e d i f f er en t s i ze s i e 0 4 m 0 535x 0 535 m and 1 32 1 32 m B a s e d o n t h e r e s ul t s of e xpe r i me n t s a nd t h e or e t i c a l a n a l y s i s a m a t he ma t i c a l m o d e l wa s p r op os e d t o e s t i ma t e t he d e g r e e o f u n i f or m i t y o f d i s t r i b u t i on i n f i xed b e d re a c t or s Ke yw oed s A di abat i c A xi al Fi xe d B d Uni f orm D i s t r i but i on of G as St r e am M a t hem a t i c a1 M o d e 1 欢迎订 阅1 9 9 0 年 精细 化工 精细化工 系中国化工学会精细化工学会会刊 是国内创办最早 的精细化工专业技术 刊物 主要报道我国精细化工新领域中的研究报告 市场信息 书刊介绍 文献综述 技术 动态等 内容 本刊国内统一刊号C N2 1 1 2 0 3 由编辑部征订发