化学反应工程省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖

第5章气固相催化固定床反应器11/106第一节：概述一、固定床反应器固定床反应器：凡是流体经过不动固体物料所形成床层而进行反应装置。22/106二、催化固定床反应器优缺点1.优点：（1）催化剂不易磨损，能够长久使用（除非失活）；（2）高径比较大时，床层中流体流动靠近平推流；（3）停留时间能够严格控制，温度分布能够调整，有利于到达较高转化率和选择性。33/1062.缺点：（1）传热较差；（2）催化剂更换必须停车，浪费人力、物力，要求催化剂有足够寿命；（3）催化剂有效系数低。三、催化固定床反应器类型44/106固定床催化反应器类型绝热型换热型55/10666/10677/106操作方式：绝热、换热两种；操作方式不一样，反应器结构就不一样。操作方式由反应热效应和操作范围宽窄及反应经济效益等决定。从反应器设计、制造及操作考虑，绝热型比较简单。从设计上讲，基本方程是一样。还有径向反应器、滴流床反应器、移动床反应器等都是固定床反应器。88/106径向反应器特点：气体留道短，流速低，可大为降低催化床层压降，为使用小颗粒催化剂提供了条件。设计关键：合理设计流道使各横截面上气体流量均等。99/1061010/106四、基本设计标准1.设计条件（1）掌握反应过程热力学数据和热容、粘度、导热系数及扩散系数等物性数据。（2）尽可能取得反应动力学及传递过程数据。A.本征动力学B.工业催化剂1111/1062.基本设计标准（1）确定催化剂用量，WWmin；（2）确定传热方式，算出床层温度分布，使之趋于最正确温度曲线上分布；（3）确定最正确工艺操作参数及固定床类型和结构。1212/106五、固定床反应器数学模型同时关联物料衡算、热量衡算、动力学方程。1313/106六、基本问题温度、浓度分布，气相压降，转化率及催化剂用量选择固定床反应器标准－－什么反应需要用固定床反应器？气固相催化反应首选－－非常普遍如，合成氨、硫酸、合成甲醇、环氧乙烷乙二醇、苯酐及炼油厂中铂重整等。1414/106第二节：固定床反应器内传递特征气体在催化剂颗粒之间孔隙中流动，较在管内流动更轻易到达湍流。气体自上而下流过床层。1515/106一、颗粒层若干物理特征参数1.床层密度和空隙率（1）粒子密度ρp－－包含粒内微孔在内全颗粒密度；（2）真密度（材料密度）ρs－－除去微孔容积颗粒密度；（3）床层密度ρB：－－单位床层体积中颗粒质量。1616/1064.床层空隙率εB：单位体积床层内空隙体积（没有被催化剂占据体积，不含催化剂颗粒内体积）。若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒床层，其空隙率与颗粒大小无关。1717/106壁效应：靠近壁面处空隙率比其它部位大。为降低壁效应影响，要求床层直径最少要大于颗粒直径8倍以上。1818/1062.粒径颗粒定型尺寸－－最能代表颗粒性质尺寸为颗粒当量直径。对于非球形颗粒，可将其折合成球形颗粒，以当量直径表示。（1）体积当量直径：(非球形颗粒折合成同体积球形颗粒应该含有直径）1919/106（3）比表面积当量直径：(非球形颗粒折合成相同比表面积球形颗粒应该含有直径）（2）外表面积当量直径：(非球形颗粒折合成相同外表面积球形颗粒应该含有直径）2020/106（4）混合粒子平均直径：（各不一样粒径粒子直径加权平均）2121/1062222/106二、床层压降气体流动经过催化剂床层，将产生压降.2323/1062424/106压降计算通常利用厄根（Ergun）方程：2525/106例6.1在内径为50mm管内装有4m高催化剂层，催化剂粒径分布如表所表示。催化剂为球体，空隙率εB=0.44。在反应条件下气体密度ρg=2.46kg.m-3，粘度μg=2.3×10-5kg.m-1s-1，气体质量流速G=6.2kg.m-2s-1。求床层压降。2626/106解：①求颗粒平均直径。②计算修正雷诺数。2727/106③计算床层压降。2828/106三、固定床中传热固定床中传热：（1）粒内传热（2）颗粒与流体间传热（3）床层与器壁传热表征传热参数：（1）颗粒本身导热系数λp（有试验测定）（2）颗粒与流体间传热给热系数hp（3）管壁处给热系数hw2929/106（4）总给热系数h0（固定床单纯作为换热装置时，以床层平均温度与管壁温差为推进力）；（5）有效导热系数λe（在拟均相模型中，把包含颗粒与流体床层视为均相）因为混合扩散情况差异，需要深入区分轴向和径向有效导热系数。如：轴向λez和径向λer。3030/1063131/1063232/1063333/1063434/1063535/1063636/106四、固定床中传质与混合1.粒子与流体间传质3737/1063838/1062.固定床中流体间混合扩散当流体流经填充床时，不停发生着发散和汇合，在径向比轴向更为显著。混合扩散（包含三类不一样物理现象）：A.浓度差引发扩散作用；B.紊流产生流体流动；C.固体颗粒使流体改变流向产生流动。3939/106当流体流经填充床时，不停发生着发散和汇合，在径向比轴向更为显著。混合扩散（包含三类不一样物理现象）：A.浓度差引发扩散作用；B.紊流产生流体流动；C.固体颗粒使流体改变流向产生流动。4040/106在固定床反应器中，其粒内、外传递过程主要性次序：传质：粒内阻力>床层内阻力>流体与粒子间阻力；传热：床层内阻力>流体与粒子间阻力>粒内阻力。在工业装置中，因为流速较高，流体与粒子间温度差和浓度差，除少数快速强放热反应外，都能够忽略。研究重点：传质：粒内扩散（催化剂有效系数η）传热：床层内传热（床层中有效导热系数λe）

固定床反应器设计和放大能够采取拟均相模型处理。4141/106第三节：固定床催化反应器设计模型4242/106设计固定床反应器要求：1生产强度尽可能大2气体经过床层阻力小3床层温度分布合理4运行可靠，检修方便计算包含三种情况：1设计新反应器工艺尺寸2对现有反应器，校核工艺指标3对现有反应器，改进工艺指标，到达最大生产强度。4343/106模型化对于一个过程，进行合理简化，利用数学公式进行描述，在一定输入条件下，预测体系输出改变。对同一个体系，依据不一样简化和假定，能够结构不一样模型。不一样简化和假定，也决定了模型必定含有一些参数，以修正模型与实际体系差异。依据不一样简化和假定，分为几个不一样层次模型。4444/106对于固定床反应器，普通有以下模型：一维拟均相平推流模型一维拟均相带有轴向返混模型二维拟均相模型二维非均相模型二维非均相带有颗粒内梯度模型…………4545/106一维：参数只随轴向位置而变。二维：参数随轴向和径向位置而变。拟均相：流相和固相结合，视为同一相。非均相：流相和固相分别考虑。平推流：不考虑轴向返混。带有轴向返混模型：在平推流模型基础上叠加了轴向返混。4646/106一、拟均相一维平推流模型（1）物料衡算在管式反应器中垂直于流动方向取一个微元，以这个微元对A组份做物料衡算：dv输入－输出=反应＋积累FA

FA+dFA(-RA)(1-εB)Aidl04747/106整理得：对照平推流反应器模型二者相同4848/106（2）热量衡算：（依然是那块体积）输入热量－输出热量+反应热效应=与外界热交换+积累输入：Gcp

T

G质量流量,cp恒压热容输出：Gcp(T+dT)反应热效应：(-RA)(1-εB)(-ΔH)Aidl热交换：U(T-Tr)nπdidldi反应器直径积累：0U:气流与冷却介质之间换热系数Tr：环境温度4949/106将各式代入，得（3）动量衡算：依然是Ergun方程5050/106将三个方程联立：边界条件：L=0,p=p0,xA=xA0,T=T05151/106需要注意问题1从解题角度看，普通壁温恒定，实际情况并非如此。2对于低压系统，压降十分主要。3U不是物性参数，需试验确定。4注意u0,u,um

关系。5假如多根管子并联，体系将自动调整各管流量，使压降相同，此时各管处理量不一样，转化率不一样，造成生产能力和产品质量下降。5252/106经典模拟结果5353/106两种特殊情况：(1)等温：反应热效应不大，管径较小，传热很好时，可近似按等温计算。等温时，5454/1065555/106(2)绝热：若绝热，则T=Tr，或者认为QS=0。5656/106A.单段绝热床反应器此时，将物料衡算式与热量衡算式合并，可得：Λ

：绝热温升，T2－T1=Λ(xA2－xA1)当xA2－xA1＝1时，则Λ

=T2－T1。即在绝热反应中，当组分A完全反应时反应混合物温度上升数值。Λ---温度可能上升或下降极限。

吸热反应：绝热温降放热反应：绝热温升5757/106由此可见，对于给定反应系统，绝热温升Λ决定于反应物组成含量和热效应大小。对于反应热效应较大时，其绝热温升Λ可达数百K,若不采取方法往往会使反应终了温度超出催化剂所能承受温度范围。为此，有时采取降低进口初始浓度方法来调整反应器出口浓度或在每段床层之间进行换热多段绝热固定床反应器来完成预定任务。5858/1065959/106B.多段绝热床反应器中间间接换热式中间原料冷激式中间非原料冷激式对于多段（或多台串联）绝热固定床，每一段计算方法，标准上与A中介绍方法一样，只是每一层进料状态有改变。6060/1066161/106abcdefg平衡线理想温度线x(或c)t/℃abcdefghh原料气冷剂冷剂冷剂中间间接换热式6262/106abcdefg平衡线理想温度线x(或c)t/℃abcdefghh原料气冷激气中间原料冷激式6363/106由图能够看出，多段绝热固定床反应器，采取段数越多，反应越靠近于最正确温度下进行，最终转化率越高，但段数越多，造成设备复杂，操作不便，普通最多采取6-7段，其中3-4段惯用。6464/106C.可逆放热反应绝热反应器最优化

（以SO2＋1/2O2=SO3为例）xT平衡线等速率线0二氧化硫氧化反应T－x图示意6565/106二氧化硫氧化反应－－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取多段绝热操作。最优化目标：在完成一定生产任务条件下，使用催化剂最少。已知条件：第一段入口和最终一段出口转化率；第一段入口反应物浓度，各物性参数；段与段间采取间接冷却。能够改变参数：各段入口温度；段与段之间转化率。6666/106以四段为例：催化剂用量为：（基于拟均相平推流模型）基于某一动力学方程，适当选取各段入口温度；段与段之间转化率共7个（N段为2N－1个）参数，使W最小。6767/106x1in,T1inx1out,T2inx2outT3inx3outT4inx4out第一段第二段第三段第四段6868/106xT0二氧化硫氧化反应T－x图示意斜线为段内操作线，斜率为1/λ。水平线表示段间为间接冷却，只是温度降低，转化率不变。在T－x图上看：6969/106调用最优化程序，就能够求得W最小值？能够，但很困难。深入数学处理：在任意一段内，当xin及xout确定之后，应选取适当进口温度Tin，使催化剂量最小。7070/106在任意相邻两段间：7171/106

汇总：()()()()()()01,,01,,01,,01442444433333233332222222222111112144332211=¶¶==¶¶==¶¶==¶¶òòòòdxTrrTxrTxrdxTrrTxrTxrdxTrrTxrTxrdxTrrinxxininoutoutinxxininoutoutinxxininoutoutinxxoutinoutinoutinoutin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：7272/106七个方程，七个未知数，可能是唯一解。讨论：从T－x图上看：xT0二氧化硫氧化反应T－x图示意最正确温度曲线7373/106例6-3(1)任务书在管式反应器中进行邻二甲苯催化氧化制邻苯二甲酸酐是强放热反应过程，催化剂为V2O5，以有催化作用硅胶为载体。活性温度范围：610～700K粒径：dP=3mm堆积密度：ρB=1300kg.m-3

催化剂有效因子：η=0.67催化剂比活性：LR=0.92反应器管长：L=3m7474/106管内径：dt=25mm管数：n=2500根由邻苯二甲酸酐产量推算，原料气体混合物单管入口质量流速:G=9200kg.m-2h-1。烃在进入反应器之前蒸发，并与空气混合。为保持在爆炸极限以外，控制邻二甲苯摩尔分数低于1％。操作压力靠近常压：p=1267kPa。7575/106原料气中邻二甲苯初摩尔分数：yA0=0.9空气初摩尔分数：yB0=99.1混合气平均相对分子质量：M=30.14kg.kmol-1混合气平均热容：cP=1.071kJ.kg-1K-1混合气入口温度：640-650K7676/106化学反应式：宏观反应动力学：7777/106(2)设计要求按一维拟均相理想流模型分别测算在绝热式反应器和换热式反应器中转化率分布、温度分布，并绘制L-xA-T分布曲线。在换热条件下，反应器管间用熔盐循环冷却，并将热量传递给外部锅炉。管间热载体熔盐温度范围630~650K。床层对流给热系数hW=561kJ.m-2h-1K-1颗粒有效导热系数λS=2.80kJ.m-1h-1K-17878/106总括给热系数

首先能够进行反应器设计优化（多方案比较）；另首先能够进行反应器参数灵敏性分析，即经过改变以下参数，考虑测算结果改变。7979/1068080/106

(3)计算方法设定入口温度等于管壁温度，调用数值积分程序同时对以下两式进行数值积分。8181/106(4)计算结果依据计算结果绘制xA-l，T-l曲线，如图。按照设计要求改变诸参数看其影响。8282/106二、拟均相一维非理想流动模型非理想模型，当平推流模型描述不够满意时采取。修正轴向热量、质量返混带来与平推流模型偏离。物理模型：在拟均相平推流模型上迭加一个轴向返混，与‘非理想流动’中介绍返混模型相同，但增加热扩散考虑。8383/106（1）物料衡算：稳态，在dVR体积中对A组份做物料衡算：输入输出反应输入－输出＝反应LdlcA0,FA0,xA0=0,V0cA,FA,xA,VFA,xAFA+dFA,xA+dxAdVR8484/106将以上三式合并，得：式中，EZ为轴向有效扩散系数。（2）热量衡算：在一样条件下，对dVR做热量衡算：8585/106反应：散热：输入＋放热＝输出＋散热整理得：λe为轴向有效导热系数8686/106边值条件：二阶常微分方程组，两点边值问题。可调用程序求解8787/106讨论：1轴向扩散引入，能够造成温度、浓度分布趋于平缓。2许多不确定原因能够归结到轴向扩散中。3轴向扩散可能会造成多重态。4轴向扩散系数与轴向导热系数有一定函数关系。5经验证实，当床层厚度大于50倍颗粒直径时，轴向热质扩散（轴向返混）对出口转化率所造成影响能够忽略不计。8888/1066轴向扩散系数和轴向导热系数都不是物性参数。其中都包含了流体和固体颗粒双重贡献。7轴向扩散系数和轴向导热系数需经过试验求取或参考文件值及经过经验公式求取。8989/106三、二维拟均相模型二维：轴向和径向对于径向存在较大温度差、浓度差反应器，一维模型有时不能满足要求，需要考虑径向温度浓度分布。与一维模型相比，考虑原因更多，得到结果更复杂，各有优缺点。9090/106前面介绍拟均相一维模型其基本假定是在床层径向方向上无浓度、温度梯度存在。实际上若管径较大，反应热也较大，径向温度往往是相当可观。在设计中应同时考虑轴向和径向浓度和温度分布。如：在直径为50mm管式反应器内进行SO2氧化反应（放热反应），管外用加套冷却，使管壁温度维持在197度，而管中心部位温度可达520度，即T-TW=323度。9191/106模型假定：1反应在圆管式反应器中进行。2流体在催化剂管内为非理想流动，存在着轴、径