第七章：气固相催化反应固定床反应器

1、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 =111PB B B PV V =-=-=-空 隙 体 积 颗 粒 体 积床 层 体 积 床 层 体 积PB, 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 3/1Sv V 6(d = d 61V (3v s =式中 S V 为颗粒的体积。 b. 面积当量直径(a d 2/1Sa S(d = d S (2a s =式中 S S 为颗粒的外表面积。 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 SSVS

2、SV 6S6d =d 6R3V S S (sss v =VS 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 iimix 是直径为 id 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VBBeS1(44d -=浸润周边截面积由于 SV d6S =SBBed 1(32d -= (可见朱炳陈 P 109b .床层压降 由化工原理中的结果g2e2uddldp =- 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 =将 e d , u ,代入 7.1 7式中3BBS g 2m 1d u dldp -=- 7.

3、1 8 式中 =43为摩察系数与 e R 有关。 1(3u d 2u d R B g g m S gg e e -=令 1(u d R B g g m S em -=为修正雷诺数测得:75. 1R 150em+=则 3BB S g 2m em 1d u 75. 1R 150(dl dp -+=- (厄根公式 7.1 10 当压降较低时,则3BB S g 2m em 1d u 75. 1R 150(L p -+=- 7.1 117.2固定床催化反应器的设计 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

4、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。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

5、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。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

6、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3BB S g 2m em 1d u 75. 1R 150(dl dp -+=- (2物料衡算方程 入-出=反+积 0dV 1(R ( dF F (F R B A A A A +-=+- dl A dV t R = A 0A 0m t A0A A dX C u A dXF dF -=-=dl 1(R (A dF B A t A -=- dl 1(R (A dXC u A B A t A0A 0m t -=A 0m B A AC u 1(R (dldX -=(2 热 量衡算方程流入-流出+反=导出+积累 流入=GC P T

7、 流出=GC P (T+dT反=dl 1(R (A H (B A t - 导出 dl d T T (h t w 0-=h 0床层对器壁的给热系数 s m /J 2dl d T T (h dl A 1(R (H ( dT T (GC T GC t W 0t B A P P +-=-+-注意:g t m A u G =dl T T (d h 41(R (H (C u 1dldT w t0B A Pg m -=边界条件 0A 0T T ,0X ,P P ,0L =2.等温反应器的计算0dldT =(反应速率常数 k 为定值出口压力 3BB S g 2m em 01d u 75. 1R 150(L P

8、 P -+-= 床层高度(由0A 0m B A C u 1(R (dldx -=-=Ax 0A AB0A 0m L0R (dx1C u dl L式中 C (kf R (AS A =-工业上等温操作很难实现原因如下:0dldT =则dlh 4dx(d C u T h 4R (d 1(T T 0At 0A 0m 0A t B W H-=-H-=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3BBS g 2m em1d u 75. 1R 150(dldp -+=- 0A 0m B A A

9、C u 1(R (dl dX -=7.2 5Pg m B A C u 1(R (H (dldT -=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 3BB S g 2m em0-+-= 7.2 7 =H-H-=Pg 0A mP g 0m 0A AC C (u C u (C dxdT 52. 762. 7 7.2 8称为绝热温升在一定工况下近似为常数。x x (T T 0A A 0-+=由(7.2 5-=Ax 0A AR 0A 0m R (dx1(C u Lx , C (f ek R A 0A RT/E 0-= 的物理意义:(由

10、 x x (T T 0A A 0-+=知 , 当 1x ,0x A 0A =时=-=0max T T T 4.多段绝热反应器的计算 最优的进出口 T , x目标函数为催化剂装填量最小。对第 I 段反应床-=-=-=AifAi AifAi AifAi x xB 0A 0Ri R x xA AB 0A 0x xB 0A 0m t i t Ri 1(C V V V R (dx1(C V 1(C u A L A V 令0x V ,0T V iR iR =求得:i i T , x 使 R V 最小R (dxR (dxR (dxR (dx R (dxx 1F x V AnfAn f1i (A 01i (A

11、 AifAi f2A 20A f1A 10A x xA Ax xA Ax xA Ax xA Ax x A AifB0A ifR =-+-+-+-+-=+由于间接换热0 1i (A Aif x x +=所以0 R (1 R (11F x V 01i (A ifA B 0A ifR =-=+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=-=-=+-+-=Aif 0Ai Aif 0Ai Aif 0Ai f 1A 10A x x AifA B0A x x A AifB 0A x x A Ax x A Aif B

12、 0A if R 0dxT R (11F R (dxT 1F R (dxR (dxT 1F T V 按积分中值定理有=-=-=AifAi AmAx x x xif A 0Ai Aif AifA 0T R (1x x (dxT R (1即在 0Ai x 和 Aif x 之间必有一点使0T R (1ifA =-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=-+-=-AifAi Aif AimAi x x x x AifA ximx AifA Aif A 0dxT R (1dx T R (1dx T R (1即 -=-Aim 0Ai AifA

13、imx x x x A ifA AifA dxT R (1dxT 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 ,x 确定第一出口转化率 和条件(d .由 f 1x 及条件(I 确定第二段入口温度 20T本章重点1.拟均相一维模型2.三段间壁段间换热绝热式反应器的 T x 图 3.绝热温升4.最优化 i i T , x 使 R V 最小。7.3固定床反应器模型评

14、述物理模型基本假定:在一维拟均相模型上加了一个轴(逆向向涡流扩散 数学模型1. 动量衡算方程:即厄根方程3BBS g 2m em1d u 75. 1R 150(dl dp -+=- 2.物料衡算方程对 R dV 微元衡算 : 入 -出 =反 +积dlA 1(R (dldC E A dF F dl lC C dld E A F t B A Azt A A A A zt A -=+-+由 A t A dC uA dF =代入上式 , 得 :R (1(dldC udlC d E A B A2A 2z-=-3.热量衡算 入 -出 +反 =积dl A H (1(R (dl T T (h d dldT A

15、 dl lT T (GC dl lT T dld A T GC t B A W 0t zt P z t P =-+-+-+整理得 :( g t uA G =T T (d h 4 H (1(R (dldT C u dlz d w t0B A Pg 22z-+-=-z 为轴向有效导热系数边界条件dldT T T (C u dl dC E C C (u ,0l z0P g 0Az A 0A 0=-=-=L l =时,0dldT ,0dldC A=物理模型a 均相b 轴向流动+轴向扩散+径向扩散 数学模型 对微元:dV=2 r(dr(dl衡算得: 1.物料衡算 入-出=反+积rC E (rdl 2 l

16、C E (rdr 2rdruC2A rA zA-+-+ l 面流动带入 l 面扩散代入 r 面扩散带入dl lC C (lE rdr 2 dl lC C (rdru 2A A zA A +-+- l+dl面流出量 l+dl扩散出的量dr rC C (rE dl dr r (r 2A A r+-+-r+dr面扩散出的量0 R (1(rdrdl 2A B +-=反应量 积累量 或写成微分的形式R (1( uC (llC E (lrC rE (rr 1A B A A zA r-=-+如果 u , E , E z r 为常数R (1(lC ulC E rC r 1rC E A B A 2A 2zA 2

17、A 2r -=-+2. 热量衡算 (流入 -流出 +导入 +反应 =积累输入微元的热量rT (rdl 2 lT (rdr 2T c rdru 2rzp g -+-+l 面轴向流动带入 l 面轴向热传导 r 面径向热传导 由微元输出的的热量dl lT T (lrdr 2 dl l T T (c rdru 2zp g +-+ l+dl面流动带出 l+dl面轴向热传导带出dr rT T (rdl dr r (2r+-+r+dr面径向热传导导出 微元内的反应热rdrdl 2(H (1(R (B A -稳定操作,热积累为零 或写成微分的形式H (R (1( T u C (llT (lrT r (rr 1A B g