第七章多相催化反应器的设计与分析

1、第七章第七章 多相催化反应器的设计与分析多相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反应器的分类 固定床内的传递现象固定床内的传递现象 固定床反应器的数学模型固定床反应器的数学模型 绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器 换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自热式固定床反应器 参数敏感性参数敏感性固定床反应器的分类固定床反应器的分类绝热反应器绝热反应器换热反应器换热反应器自热式自热式径向反应塔径向反应塔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段内绝热，段间换热段内绝热，段间换热换热式固定床反应器换

2、热式固定床反应器固定床内的传递现象固定床内的传递现象 =颗粒间空隙体积颗粒间空隙体积床层体积床层体积1. 固定床内的流体流动固定床内的流体流动影响影响因素因素颗粒形状 粒度分布 颗粒与床层直径比 颗粒的装填方式固定床内的传递现象固定床内的传递现象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真实床层径向空隙率分布是不均匀的，在距壁面约是不均匀的，在距壁面约12倍粒径处，空隙率最大。倍粒径处，空隙率最大。壁效应壁效应 床层直径与颗粒直径之比床层直径与颗粒直径之比越大，空隙率分布越均匀。越大，空隙率分布越均匀。 由于空隙率分布不均匀。由于空隙率分布不均匀。造成径向流

3、速分布不同于空造成径向流速分布不同于空管。管。 为了消除壁效应，一般，为了消除壁效应，一般，管径与粒径之比应大于管径与粒径之比应大于8。固定床内的传递现象固定床内的传递现象1. 固定床内的流体流动固定床内的流体流动压力降计算公式压力降计算公式301srduLfp75. 1150eRf110udRseu0、ppsaVd6流动阻力流动阻力颗粒的粘滞曳力颗粒的粘滞曳力局部阻力局部阻力回顾：空管中流动阻力回顾：空管中流动阻力固定床内的传递现象固定床内的传递现象2. 质量和热量的轴向扩散质量和热量的轴向扩散apmeaDudPeappheacudP2 气体气体0.31 液体液体0.6 areDuLP 回顾

4、回顾10udRpe固定床内的传递现象固定床内的传递现象2. 质量和热量的径向扩散质量和热量的径向扩散固定床反应器的径向温度分布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床层本身的导热床层本身的导热 + 床层与器壁的对流传热床层与器壁的对流传热床层本身的导热热阻床层本身的导热热阻靠近内壁的层流边界层靠近内壁的层流边界层径向有效导热系数径向有效导热系数 er关联式很多关联式很多壁膜传热系数壁膜传热系数hw无满意关联式无满意关联式床层传热系数床层传热系数ht固定床内的传递现象固定床内的传递

5、现象2. 质量和热量的径向扩散质量和热量的径向扩散径向传热包括径向传热包括 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2. 质量和热量的径向扩散质量和热量的径向扩散固定床内的传递现象固定床内的传递现象 径向传质径向传质rprerDudP513多数多数10固定床内的传递现象固定床内的传递现象 轴向：轴向： 等温时，若用等温时，若用N N个等体积的全混釜来描述固定床内气个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动状况，则体的流动状况，则N N等于等于5050或更大。或更大。 对工业固定床反

6、应器，大多数对工业固定床反应器，大多数L Lr r/d/dp p值远大于值远大于5050，故可，故可采用活塞流模型表示等温固定床内气体的流动状况。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，以非等温时，以L Lr r/d/dp p值大于值大于150150作为准则较稳妥。作为准则较稳妥。prdLN 轴向扩散：ptddN5 径向扩散： 径向：径向： 若用若用N N个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动状况，则状况，则N N不可能为不可能为1 1，即径向浓度梯度总是存在。，即径向浓度梯度总是存在。 减小减小dt/dpdt/dp，则径向浓度梯度降

7、低，但当，则径向浓度梯度降低，但当dt/dpdt/dp 5 5，则床内流动极不均匀。（壁效应严重，且流体易短路）则床内流动极不均匀。（壁效应严重，且流体易短路）小结小结固定床反应器的数学模型固定床反应器的数学模型平推流的一维模型平推流的一维模型有轴向返混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1.1.概述概述非均相模型非均相模型一维模型一维模型二维模型二维模型)(4)(0ctrAbptTTdUHdZdTGC)(00AbAAAdZdXMGw2. 活塞流模型活塞流模型32)1 (pdfGdZdp00 , , 0 , 0PPTTX

8、ZA物料衡算物料衡算热量衡算热量衡算动量衡算动量衡算初始条件初始条件固定床反应器的数学模型固定床反应器的数学模型3. 轴向扩散模型轴向扩散模型0)(0022AbAAadZdcudZcdD0)(4)(0022ctrAbptfeaTTdUHdZdTCudZTddZdTTTCueaptf)(00dZdcDCCuZAaAA)( , 0000 ,dZdTdZdcLZA固定床反应器的数学模型固定床反应器的数学模型TrAbptHdZdTGC)(0绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器)(00AbAAAdZdXMGwptATrAACMHwdXdT)(0ALAXXAAAAbArTXTXdXFV0),(),(00p

9、tATrAACMHwXTT0)(00ALAXXAAAAbAArTXTXdXMGwL0),(),(001.1.单段单段产品原料TXA平衡曲线最佳温度线T=XA绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器2.2.多段多段NirirVVV1min,0)()()(2211ANANAAAAXXAAAXXAAAXXAAAbArTXdXTXdXTXdXFV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绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器2.2.多段多段得，令： 0 ArXVNiTXTXiAiAiAiA, 3 , 2),() (,1,1,2 , 1, 0)(,AiAiX

10、XAAAiNiTXdXT得，令： 0 irTV两式含义：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总用量最少绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器2.2.多段多段换热式固定床反应器换热式固定床反应器)(00AbAAAdZdXMGwTrAbptHdZdTGC)(0)()(4)(000AbptAtCAptArAACMdTTUwCMHwdXdT ALAXXAAAAbA

11、rTXTXdXFV0),(),(001. 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2. 热点概念热点概念换热式固定床反应器换热式固定床反应器换热式固定床反应器换热式固定床反应器2. 热点概念热点概念自热式固定床反应器自热式固定床反应器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1. 分类分类逆流并流单管逆流式单管逆流式单管并流式单管并流式逆流并流2. 设计方程设计方程自热式固定床反应器自热式固定床反应器)()()(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pccptCGCG自热式固定床反应器自热式固定床反应器逆流逆流并流并