第六章 气固相催化固定床反应器课件

1、颗粒密度床层堆积密度，床层体积颗粒体积床层体积空隙体积PBPBBPB111VVV31S3S66dVdV球形体积：a21S2SdSdS球形外表面积：SSVS32SSV6666SVSddddVSS球形比表面积：iidxd1m：床层空隙率气体密度颗粒当量直径：床层高度空塔气速：平均流速修正的雷诺数，式中：BgsmBggmsmms2mg3BBm:1Re:Re175. 1Re150dddluuddulP 粒 径ds/m m3 .4 04 .6 06 .9 0质 量 分 率w0 .6 00 .2 50 .1 5m1096. 3mm96. 390. 615. 060. 425. 040. 360. 0131

2、Siidxd190644. 01103 . 22 . 61096. 31Re53BgSmGdPa10898. 1444. 044. 0146. 21096. 32 . 675. 11903150175. 1Re150175. 1Re15053323BBgS2m3BBSg2mmLdGLdupdv输入 输出= 反应 积累FA FA+dFA (-RA)(1-B)Aidl 0出：催化剂堆密度或者以催化剂质量计：以催化剂体积计A0A0A00A00BAAB0A0BAAAA00BAAdddddd1ddxBALRxculculRxcuRlxRcuRlx出A0AA0A0RdxrxcVVgprBA41dducTT

3、dUHRlTi s2mg3BBm175. 1Re150dddulpgprBA41dducTTdUHRlTi0A0BAA1ddcuRlx s2mg3BBm175. 1Re150dddulp。为常数，计算大大简化常数中，反应速率的同时：kRcuRlxucTTdUHRlTiA0A0BAAgprBA1dd041ddp0Agp0A0ddmcHFAAuccuHxTiiA00BAA1ddcuRlxAA0AAA0APA0AP0A0TBTAA0A0B0A0BAAdddddd1dd11ddRxFWRxFVRFVcuAlARxlcucuRlx质量为基准，则：如果动力学方程以颗粒准，则：学方程以颗粒体积为基力中的基准

4、对应，如果动要求与反应动力学方程积：左端上下同乘床层截面变形：xT平衡线等速率线0二氧化硫氧化反应Tx图示意4outin4out3in3out2in21outin1,d,d,d,d43210AxxxxxxxxTxrxTxrxTxrxTxrxFWx1in,T1inx1out,T2inx2outT3inx3outT4inx4out第一段第二段第三段第四段斜线为段内操作线，斜率为1/。水平线表示段间为间接冷却，只是温度降低，转化率不变。xT0二氧化硫氧化反应Tx图示意在Tx图上看：0d,1,din2in0AoutinoutinouinxTTxrrTxrdxTTxrxFWxxxxxxt速率。等于前一段

5、的出口反应后一段的入口反应速率少，无论中间转化率是多即：变上限定积分的偏微分。使两段催化剂之和最小选取中间转化率TxrTxrTxrTxrTxrxTxrxxxxTxrxTxrxFWFWiiiiiiiixxixxiiiixxixxiiiiiiiiiii,0,1,10,d,d,d,din11outin11out1outin1out1A01A0out1in1outinout1in1outin01,01,01,01442444433333233332222222222111112144332211dxTrrTxrTxrdxTrrTxrTxrdxTrrTxrTxrdxTrrinxxininoutoutin

6、xxininoutoutinxxininoutoutinxxoutinoutinoutinoutin第四段：第三、四段之间：第三段：第二、三段之间：第二段：第一、二段之间：第一段：xT0二氧化硫氧化反应Tx图示意 SPBAO3HOCHC3OCHHC2324622346TkpkpLR13636837.19exphkgkmol11BARA112tWSWKhmkJ88dhhUS催化剂有效因子 总括给热系数 U 催化剂比活性 LR 管间冷载体熔盐温度 TS 进料组成（原料气中 邻二甲苯的初摩尔分数）yA0 操作压力 p 管内径 dt 管数 n 混合气入口温度 T0 原料气体混合物单管入 口质量流速 G

7、 0A0mBAA1ddcuRlxWt0BAPBm411ddTTdhRHculTLdlcA0,FA0,xA0=0,V0cA,FA,xA,VFA, xAFA+dFA,xA+dxAdVRlARcuAFAllcclEFFAlcEFiiiid1dd ddddddddBAAAAAZAAAZA01ddddAA2A2ZBRlculcElTATTcAullTTlATcAuiiiiddddddddZpgZpg输出：输入：lTThdlAHRiidd1r0BA041ddddrBAp22ZTTdhHRlTculTiog0dd0dddddd0AZ0pg0AZAA00lTlcLllTTTculcEcculdrdlRr0dd

8、21d2dd2dd2ddd2d2d2AArAAlAAAArAlA积累：反应：输出：输入：lrrRrcElrllcclErrllccurrrrccrElrrlcErrucrrBBAAA2A2rBAA2A2lA2A2r1111RlcurcrrcERlculcErcrrcE散项被忽略：在多数情况下，轴向扩lrrHRrTlrlTrrllTTcurrrrTTrlrrllTTlrrTcurrdd21d2d2dd2ddd2dd2d2BArlpgrlpg微元内反应热：输出微元的热量：输入微元的热量：HRlTculTrTrrTBApg22l22r11HRlTcurTrrTBApg22r11 s2mg3BBm17

9、5. 1Re150dddulpwwrAA00A0A, 000, 000,00TThrTrcLlRrrTrcLlrppTTccRrll=0l=LRRRRrrcRRrcrcrrTRcuRrTcruT0A22A0A02pg2pg0d2d2d2d2热量传递热量传递拟均相一维平推流模型热量传递热量传递带有轴向返混的拟均相一维模型热质传递热量传递热量传递拟均相二维模型热质传递固体相热量传递热量传递二维非均相模型热质传递抽象成为热量传递二维非均相模型热质传递热量传递流体相热量传递考虑颗粒内梯度的二维非均相模型热质传递热量传递流体相 固体相流体流速增加固定床初始流态化散式流态化聚式流态化腾涌稀相流态化液体气体

10、100ReemfPmfmfDLFr100ReemfPmfmfDLFr弗鲁特数：gduFrP2mfmf 雷诺准数：mfPmfReud umf： 初始流化速度 dP： 颗粒平均粒径 ，P： 流体密度，颗粒密度 Lmf： 初始流化时的浓相段床高 De： 流体的扩散系数 ： 流体粘度 颗粒含量床高稀相段浓相段浓相段和稀相段)(1 ()(1)(gsmfmfgsmfmfttLpLAWAp ps20g3BB2ps03B2B175. 11150duduLp s2mg3BBm175. 1Re150dddulP2gsg3p2mfgp3mfsmfgp3mf2smf75. 11150dudud2gsg3pmfgp3m

11、f2smf1150dud20Re1150mf3mfgs2p2smfdu 2gsg3p2mfgp3mfs75. 1dud1000Re75. 13mfggsps2mfdu2t2pgDgs3p4216udgCd21gspD3122gs21Dgs2pD52. 520000Re50043. 02254500Re2Re10182ReRe24duCdguCgduCp对应对应对应uVd4GT目数120100-12080-10060-8040-60120 100-120 80-100 60-80 40-60 40 dPi 0.121 0.133 0.163 0.208 0.298 0.360 Piidx 0.9

12、9 0.752 0.797 1.680 0.839 0.139 mm192. 0139. 0839. 0680. 1797. 0752. 099. 011PPiidxd7 .330408. 07 .33Re212P3P2mfgd0568. 07 .331002. 381. 91 . 111201 . 11092. 10408. 067.1133Re212534mf1524P2Psm2956. 01002. 31881. 91 . 111201021. 118gdu23 . 11002. 31 . 12956. 01021. 1Re54Pudfmfmff11LLRnuu1tf03. 0TPRe5

13、 .1735. 4ddn1 . 0TPRe1845. 4ddn1 . 0Re45. 4n1 . 155. 1P032ArRe102 . 1LLm6 . 012. 0360012244GTuVdfmfmff11LLRnuu1tf03. 0TPRe5 .1735. 4ddn8392. 01002. 31 . 112. 01092. 1Re54P379. 48392. 06 . 01092. 15 .1735. 403. 04n8139. 02965. 012. 0379. 41f687. 28139. 015 . 01Rcm74.5320687. 2mff RLL1 . 155. 1P032ArR

14、e102 . 1LL7 .931002. 31 . 1112081. 91 . 11092. 1Ar25342P3Pgdcm36.1317 .938392. 020102 . 11 . 155. 132L 21PPPPPrRe1075. 0Nucc 43. 066. 0P8 . 0PPP43. 023. 02PrRe110844. 1NuccC44. 0P3 . 044. 01PrRe66. 0Nu6mf0uu 反应消耗反应消耗反应消耗的总消失量乳化相气泡晕气泡相传递传递AecbAeAcceAcAbbcccecebbcbcccKccKSkKSkK传递速率相间交换系数AereAcrcAbrb31

15、AerAcrAbr31msmolmsmolcfkcfkcfkcfkcfkcfkecb气泡颗粒反应速率气泡体积颗粒体积AbbrAbbAbAbddddddddAcfKlculctltc组分总消失量brKluKcfcddbbrAbAbAfAAfAbfA0AAb00 xxccLlxcclAbbrAbbAbddddAcKlcutc组分总消失量AereAeAcceAcrcAcAbbcAbrbckccKckccKck在乳化相中反应量转移到乳化相的量在气泡晕中反应量转移到气泡晕的量在气泡中反应量AeAcceAbrbAbbrAbbddccKckcKlcuAeAcceAcrcAcAbbcccKckccKAereA

16、eAcceckccKecercbcrbrbr1111KkKkkKAbbrAbbddcKlcuAfAbf0AAb0ccLlcclbfr0bbrAbAbddfAfA0uLKluKccLccfbbrAfexp1LuKxAfbrbf1lnxKuLbwmfmf21bmfmfmfc711. 031VVugducbbbmfe11bmfbuuu gud2tb711. 0415b2ebmfbc85. 55 . 4dgDduK213bbemfce78. 6duDKm1092. 14Pd3Pkg.m1120smPa302. 012scm204. 0D3kg.m1 . 1cm20mf0 LLm6 . 0Td5 . 0

17、0mf1m.s12. 0u14 . 3AArcR13mfm.s1011. 8u1tm.s2956. 0u8 . 0f05. 3Rcm74.53fLcm36.1312Lm01762. 081. 9711. 02956. 0711. 022tbgud1tbrm.s2956. 0 uu1brmfbm.s75.4056.29811. 012uuuubwmfmf21bmfmfmfc711. 031VVugdubwVVm1092. 14Pd47. 0bwVV3221. 047. 05 . 000811. 001762. 081. 9711. 05 . 000811. 035 . 0121ccbbbmfe1

18、12746. 075.40811. 012bmfbuuu8435. 03221. 001. 02746. 02746. 015 . 01ebbcKbceK8488. 9762. 1981204. 085. 5762. 1811. 05 . 485. 55 . 44152415b2ebmfbcdgDduK435. 8762. 175.40204. 05 . 078. 678. 6213213bbemfceduDK4694. 28435. 01435. 84 . 313221. 01849. 94 . 3101. 04 . 31111ecercbcrbrbrKkKkkK9615. 074.5375

19、.404694. 2exp1exp1fbbrAfLuKx出总总边界条件：相界面积BBB0BLLALALABLBAALALALABALABB, 0:11dddd1ddccttcctSVVVSVcckcSVtcckVStNVtcii出B0BALABLABAd1cciccckt出进边界条件：AAAAAA01ddYYHlYYlrlYFHYYlrYF0AAd1dAA出进ScHpkkHScHpkHktncHpkDScckSccDtnkDSppkSppDtniiiiiiALAALAGAAALAALAAGAAAAALALLAALALAALALLAAGAGGAAAGAAAGGAA11111dd)()(dd)()

20、(dd由以上两式可以推得：相界面处达到平衡根据亨利定律，总括传质系数。示的分别是以气相和液相表和LAGALAGAALALAAGAGAALAALAALAAGAA11111)()(ddKKkkHKkHkKScHpKScHpKtnLLGLpApAicAcAiL化学增强因子:ddddLLLLLALLLLALLALAALALAAAAAAAGAAkDDkccSktncHpppSktniiii一个化学增强因子。过程相比，仅相差传质系数。与物理吸收示的总括分别是以气相和液相表和LAGALAGAALALAAGAGAALAALAALAALAALAAGAA11111)()()(ddKKkkHKkHkKScHpkSc

21、HpkScHpktnLBBBAAB2B2LBLAAAAAAA2A2LAAAALAALA,; 0dd, 0BCddB,;, 0BCdd0ddddddddccllclrlcDcclHpcclrlcDlSrllcclSDlcSDii：，亦有方程：同理，对液相反应物：积累反应扩散离开扩散进入GLpApAicBcAcAiALA2L2A2LA2A2LALAAAAAAA2A2LAdddd,;, 0BCddcDkzclzkclcDcclHpcclrlcDii变为为无因次长度，原方程令对一级反应，：八田数膜内转换系数前有:LLALALALALA2LDkkkDDk shsh1sh, 1, 0ddALAAAAAAA

22、22A2zczcccczcczczciLi此方程的解为： ALAALAALAALAALALAALALLAALALLA0ALAAALAAchthchthchshchshchddddshch1chddccccccccccSkccSDccSDlcSDtnzczczciiiiiiili因此：0dd2A2lcALAALAchthcccciiLA2LDkGLpApAicBcAcAidlth00ddALAAA2A2LA对一级反应，可得：，边界条件：clcclrlcDiGLpApAicBLcAiGLpApAicBLcAi反应面RiiclccclccllcARAiAARAA2A20, 00ddBLBLBR2B2

23、,0,0ddcclcllcRRLBLLRRBLRLBLBlcclccBLLALBRLRBAALALBRLBLBARABLBBAALAddddcDDcDDcclcDlcDiiiiiicckkccDDccDDDDccABLLALBBAABLLALBBAABLLALBBARLLALBRLBLBARA1111ALBLALAGAABBL临AGAABBL临LLB00pDDkkcpkcDGLpApAicBL临cBLcBLcAi气液反应器有许多类型，常见的有：uVd4内12A12AAtAAAthmkmol:ddhmkmol:ddddddtnFYFtnAtnYYFAFYAAt因次：输入输出反应传递HF,YA出F

24、,YA进L,XA进L,XA出dlldSd42内AAA1 YYPp总SkHkcHptnLAAGAALAAA1ddALALAAAGAAddccSkppSktnii出进出进总内出进总内在全塔为常数，得：积分上式并视边界条件：AAAALAAGA2AAAALAAGA2ln140d114dYYYYkHkPdFHYYHlYYlYYYkHkPdFlAldlYA出F,YA入出进边界条件：AAAAAAtAAAtAt01ddd1dYYHlYYlrlYFlArYYFAFYA 00RrAW221p0RrAW22p01p0VHrTTKATTcVVHrTTKATcVTcV整理得：积累量应的热效应反应器内反境的热交换反应器与环出热量物流携入热量物流携器进行热量衡算：在定常态下以整个反应W2rAfA021p0rAf0A0W221p0RAf0A0RAfA0Af1AAf1AAf0AR00TTKAHxcTTcVHxcVTTKATTcVVxcVVxFrxrxxFV：代入热量衡算方程，得，当进口物流不含产物时：全混流反应器基本方程可以用来推算达到一定转化率所需要补充或移走的热量。 RTERTERTERTERTEekVVekVVxxekxVVxcekVxcVxxcekxkckcr00R00RAA0A0RAA00RAA001AA0A0A0AAA111011：方程且考虑代入全混流反应器基本热。