《反应过程》李绍芬版第七章多相催化反应器的设计与分析

1、第七章第七章催化反应器的设计与分析催化反应器的设计与分析本章内容本章内容 固定床反应器的分类 固定床内的传递现象 固定床反应器的数学模型 绝热式固定床反应器 换热式固定床反应器 自热式固定床反应器 参数敏感性7.1 固定床反应器的分类固定床反应器的分类列管式固定床反应器列管式固定床反应器单段绝热反应器单段绝热反应器多段绝热反应器多段绝热反应器绝热反应器绝热反应器换热反应器换热反应器列管式固定床反应器列管式固定床反应器7.1 固定床反应器的分类（续固定床反应器的分类（续1）段内绝热，段间换热段内绝热，段间换热7.1 固定床反应器的分类（续固定床反应器的分类（续2）换热式固定床反应器换热式固定床反

2、应器7.1 固定床反应器的分类（续固定床反应器的分类（续3） =颗粒间空隙体积颗粒间空隙体积床层体积床层体积影响因素影响因素颗粒形状颗粒形状 粒度分布粒度分布 颗粒与床层直径比颗粒与床层直径比 颗粒的装填方式颗粒的装填方式7.2 固定床内的传递现象固定床内的传递现象7.2.1 固定床内的流体流动固定床内的流体流动小结：小结： 真实床层径向空隙率分布是真实床层径向空隙率分布是不均匀的，在距壁面约不均匀的，在距壁面约1 12 2倍倍粒径处，空隙率最大。壁效粒径处，空隙率最大。壁效应应 床层直径与颗粒直径之比越床层直径与颗粒直径之比越大，空隙率分布越均匀。大，空隙率分布越均匀。 由于空隙率分布不均匀

3、。造由于空隙率分布不均匀。造成径向流速分布不同于空管。成径向流速分布不同于空管。 为了消除壁效应，一般管径为了消除壁效应，一般管径与粒径之比应大于与粒径之比应大于8 8。7.2.1 固定床内的流体流动（续固定床内的流体流动（续1）压力降计算公式301srduLfp75. 1150eRf110udRseu0、ppsaVd6流动阻力流动阻力颗粒的粘滞曳力局部阻力回顾：空管中流动阻力7.2.1 固定床内的流体流动（续固定床内的流体流动（续2）apmeaDudPeappheacudP2 气体气体0.31 液体液体0.6 areDuLP 回顾回顾10udRpe7.2.2质量和热量的轴向扩散质量和热量的轴

4、向扩散固定床反应器的径向温度分布粒粒内内传传热热粒粒子子与与流流体体间间的的传传热热床床层层与与器器壁壁的的传传热热固定床的径向传热固定床的径向传热热阻大热阻大7.2.2质量和热量的轴向扩散（续）质量和热量的轴向扩散（续）床层本身的导热 + 床层与器壁的对流传热床层本身的导热热阻靠近内壁的层流边界层径向有效导热系数er关联式很多壁膜传热系数hw无满意关联式床层传热系数ht径向传热包括7.2.3质量和热量的径向扩散质量和热量的径向扩散 ht的关联式的关联式tpefttddRdh6exp26. 195. 0tpefttddRdh6exp03. 28 . 0球形颗粒球形颗粒圆柱形颗粒圆柱形颗粒 径向

5、传质rprerDudP513多数107.2.3质量和热量的径向扩散（续）质量和热量的径向扩散（续） 轴向： 等温时，若用N个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动状况，则N等于50或更大。 对工业固定床反应器，大多数Lr/dp值远大于50，故可采用活塞流模型表示等温固定床内气体的流动状况。 非等温时，以Lr/dp值大于150作为准则较稳妥。prdLN 轴向扩散：7.2.4小结小结ptddN5 径向扩散： 径向： 若用N个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动状况，则N不可能为1，即径向浓度梯度总是存在。 减小dt/dp，则径向浓度梯度降低，但当dt/dp 5，则床内流动极不均匀。（壁效应严重，

6、且流体易短路）7.2.4小结（续）小结（续）平推流的一维模型有轴向返混的一维模型有径向混合和径向温差的二维模型拟均相模型拟均相模型非均相模型非均相模型一维模型二维模型7.3固定床反应器的数学模型固定床反应器的数学模型7.3.1概述概述)(4)(0ctrAbptTTdUHdZdTGC)(00AbAAAdZdXMGw32)1 (pdfGdZdp00 , , 0 , 0PPTTXZA物料衡算热量衡算动量衡算初始条件7.3.2活塞流模型活塞流模型0)(0022AbAAadZdcudZcdD0)(4)(0022ctrAbptfeaTTdUHdZdTCudZTddZdTTTCueaptf)(00dZdcD

7、CCuZAaAA)( , 0000 ,dZdTdZdcLZA7.3.3轴向扩散模型轴向扩散模型TrAbptHdZdTGC)(0)(00AbAAAdZdXMGwptATrAACMHwdXdT)(0ALAXXAAAAbArTXTXdXFV0),(),(00ptATrAACMHwXTT0)(00ALAXXAAAAbAArTXTXdXMGwL0),(),(007.4绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器7.4.1单段单段产品原料TXA平衡曲线最佳温度线T=XA7.4.2多段多段NirirVVV1min,0)()()(2211ANANAAAAXXAAAXXAAAXXAAAbArTXdXTXdXTXdXFV

8、目标函数目标函数催化剂用量最少催化剂用量最少* * *产品成本最低产品成本最低产量最大产量最大7.4.2多段（续多段（续1）得，令： 0 ArXVNiTXTXiAiAiAiA, 3 , 2),() (,1,1,2 , 1, 0)(,AiAiXXAAAiNiTXdXT得，令： 0 irTV两式含义：1. 为保证催化剂总用量最少，任何一段的出口转化率应等于下一段进口的转化率2. 在规定的进、出口转化率下，存在一最佳的进口温度，使催化剂总用量最少7.4.2多段（续多段（续2）)(00AbAAAdZdXMGwTrAbptHdZdTGC)(0)()(4)(000AbptAtCAptArAACMdTTUw

9、CMHwdXdTALAXXAAAAbArTXTXdXFV0),(),(007.5换热式固定床反应器换热式固定床反应器7.5.1催化剂用量催化剂用量dZdXdXdTdZdTAA)(0rAbH)(4CtTTdU0dZdT热点热点XA最佳温最佳温度曲线度曲线平衡曲线平衡曲线绝热线绝热线7.5.2热点概念热点概念7.5.2热点概念（续热点概念（续1）可逆放热反应绝热反应器的最优化（以SO21/2O2=SO3为例）XT平衡线等速率线0二氧化硫氧化反应TX图示意7.5.2热点概念（续热点概念（续2）v二氧化硫氧化反应气固相催化反应，用于硫酸生产，可逆，强放热，绝大多数生产过程采用多段绝热操作。v最优化目的

10、：在完成一定生产任务的条件下，使用的催化剂最少。v已知条件：第一段入口和最后一段出口转化率；第一段入口反应物浓度，各物性参数；段与段间采用间接冷却。v可以改变的参数：各段的入口温度；段与段之间的转化率。7.5.2热点概念（续热点概念（续3）以四段为例：v催化剂用量为：（基于拟均相平推流模型）v基于某一动力学方程，适当选取各段的入口温度；段与段之间的转化率共7个（N段为2N1个）参数，使W最小。out4in4out3in3out2in2out1in1xx4xx3xx2xx10ATxrdxTxrdxTxrdxTxrdxFW,7.5.2热点概念（续热点概念（续4）X1in,T1inX1out,T2i

11、nX2outT3inX3outT4inX4out第一段第二段第三段第四段7.5.2热点概念（续热点概念（续5）XT0二氧化硫氧化反应TX图示意斜线为段内操作线，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。在TX图上看：7.5.2热点概念（续热点概念（续6）v调用最优化程序，就可以求得W最小值？v可以，但很困难。v进一步数学处理：v在任意一段内，当Xin及Xout确定之后，应选取适当的进口温度Tin，使催化剂量最小。0,1,20dxTTxrrTxrdxTTxrdxFWinXXXXinXXAoutinoutinoutin7.5.2热点概念（续热点概念（续7）v在任意相邻两段间：

12、速率。等于前一段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TxrTxrTxrTxrTxrdxTxrdxxXXTxrdxTxrdxFWFWiniiioutiiniiioutiXXiXXiioutiniioutXXiXXiAiAioutiiniioutiinoutiiniioutiin,0,1,10,111111101011117.5.2热点概念（续热点概念（续8） 汇总：01,01,01332333322222222221111121332211dxTrrTXrTXrdxTrrTXrTXrdxTrrinXXininoutout

13、inXXininoutoutinXXoutinoutinoutin第三段：第二、三段之间：第二段：第一、二段之间：第一段：7.5.2热点概念（续热点概念（续9）7.5.2热点概念（续热点概念（续10）01,442444433344dxTrrTXrTXrinXXininoutoutoutin第四段：第三、四段之间：七个方程，七个未知数，可能是唯一解。讨论：从TX图上看：XT0二氧化硫氧化反应TX图示意7.5.2热点概念（续热点概念（续11）7.5.2热点概念（续热点概念（续12）7.5.2热点概念（续热点概念（续13）7.5.2热点概念（续热点概念（续14）7.5.2热点概念（续热点概念（续15

14、）流向流向单管逆流式单管逆流式单管并流式单管并流式双管及三管逆流双管及三管逆流式U管式管式7.6自热式固定床反应器自热式固定床反应器7.6.1分类分类7.6.2设计方程设计方程逆流并流单管逆流式单管并流式逆流并流)()()(000CCpcCptArAATTCGTTCGXHMGw反应放热 反应气升温的热量 原料气升温的热量)()(000TTXCMHwCGCGTTAptArApcCptCC)(00TTXTTACCATTCGATTCGHXFCCpcCptrAA000 并流为例推导并流为例推导pccptCGCG7.6.2设计方程（续）设计方程（续）逆流逆流并流并流)(24)(00TTXTdUHdZdTGCCAtbArpt)(4)(00TTXdUHdZdTGCCAtbArpt7.6.3小结小结)(4)(0CmtrAbTTdUHU