固定床反應器設計計算課件

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1、2016“ ”固定床反應器及其設計計算劉 恩 周 , 講 師西北大學化工學院2015年4月24日 Enzhou Liu, Northwest University, Xian Page 1 2016“ ” Page 2 主要內(nèi)容1. 概 念2. 分 析 （ 換 熱 ）3. 傳 遞 過 程4. 擬 均 相 一 維 模 型5. 設 計 實 例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 2016“ ” Page 3 1. 固定床反應器-概念 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 又 稱 填 充 床 反 應 器 ， 裝 填 有

2、 固 體 催 化 劑 或 固 體 反 應物 用 以 實 現(xiàn) 多 相 反 應 過 程 的 一 種 反 應 器 。 固 體 物 通 常 呈 顆粒 狀 ， 粒 徑 2 15mm左 右 ,堆 積 成 一 定 高 度 （ 或 厚 度 ） 的 床層 。 床 層 靜 止 不 動 ， 流 體 通 過 床 層 進 行 反 應 。實 驗 室 ： 石 英 管 、 不 銹 鋼 管催 化 劑 顆 粒 放 在 等 溫 區(qū) ， 其 余 填 充 石 英 砂 ， 兩 端 用 玻 璃 棉封 口 防 止 石 英 砂 被 吹 出 。用 D6或 D8的 不 銹 鋼 管 做 反 應 管 較 寬 、 催 化 劑 較 少 時 ， 用 更細

3、的 不 銹 鋼 管 作 支 撐 管 ， 上 墊 不 銹 鋼 網(wǎng) ， 可 作 800度 以 下的 反 應 。 2016“ ” Page 4 1. 固定床反應器-概念 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 與 流 化 床 反 應 器 及 移 動 床 反 應 器 的 區(qū) 別 在 于固 體 顆 粒 處 于 靜 止 狀 態(tài) 。 固 定 床 反 應 器 主 要 用 于實 現(xiàn) 氣 固 相 催 化 反 應 ， 如 氨 合 成 塔 、 二 氧 化 硫 接觸 氧 化 器 、 烴 類 蒸 汽 轉(zhuǎn) 化 爐 等 。 用 于 氣 固 相 或 液 固 相 非 催 化 反 應 時 ，

4、床 層 則填 裝 固 體 反 應 物 。 涓 流 床 反 應 器 也 可 歸 屬 于 固 定床 反 應 器 ， 氣 、 液 相 并 流 向 下 通 過 床 層 ， 呈 氣 液固 相 接 觸 。 2016“ ” Page 5 2.固定床反應器-分類（換熱） Enzhou Liu, Northwest University, Xian絕熱床反應器對外換熱式反應器多段絕熱床反應器 2016“ ” Page 6 2.固定床反應器-分類（換熱） Enzhou Liu, Northwest University, Xian自熱式反應器傳熱和溫度控制是難點，固定列管式固定床反應器性能較好反應物流處于湍流狀態(tài)

5、時，空管的長徑比大于50; 填充段長與粒徑之比大于100(氣體)或200(液體) 2016“ ” Page 7 3.固定床反應器傳遞過程基本概念 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 1.粒 子 直 徑 (3種 ， da ds dv P162)2.形 狀 系 數(shù) s3.床 層 空 隙 率 B4.床 層 當 量 直 徑 de5.床 層 壓 降 P 2016“ ” Page 8 3.固定床反應器傳遞過程基本概念 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 6.傳 熱 系 數(shù) (3種 v P166) 顆 粒 與 流 體 間 傳

6、 熱 系 數(shù) (hp) 固 定 床 中 的 有 效 熱 傳 導 (e) 床 層 與 器 壁 間 的 給 熱 系 數(shù) h0(一 維 模 型 )和 hw (二 維 模 型 ) 7.傳 質(zhì) 系 數(shù) (P170) 顆 粒 與 流 體 間 的 傳 質(zhì) 流 體 的 混 合 擴 散 （ Ez和 Er） 2016“ ” Page 9 4.擬均相一維模型 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 一 、 擬 均 相 模 型 忽 略 床 層 中 催 化 劑 顆 粒 與 流 體 之 間 溫 度 與 濃 度 差 別 ， 將 氣相 反 應 物 與 催 化 劑 看 成 均 勻 連 續(xù)

7、的 均 相 物 系 。 （ 1） 一 維 擬 均 相 模 型 只 考 慮 沿 氣 體 流 動 方 向 的 溫 度 和 濃 度 變 化 。 根 據(jù) 流 動 形 式 分 為 平 推 流 一 維 模 型 和 軸 向 分 散 一 維 模 型 。（ 2） 二 維 擬 均 相 模 型 同 時 考 慮 軸 向 和 徑 向 的 溫 度 和 濃 度 分 布 。 2016“ ” Page 10Enzhou Liu, Northwest University, Xian 4.1 等 溫 反 應 器 的 計 算 (P173) 床 層 溫 度 均 勻 一 致 ， 反 應 速 率 常 數(shù) 為 常 數(shù) ， 反 應 速 度僅

8、 與 濃 度 有 關 。 按 一 維 擬 均 相 處 理 ， 設 計 方 法 與 PFR相 似 。對 右 圖 固 定 床 反 應 器 取 一 微 元 段 進 行 物 料 衡 算 AAA dxFdWr 0)( AfAxx AAW AA rdxFWFdW 0 )(0 00BW 為 床 層 密 度 或 堆 積 密 度為 催 化 劑 質(zhì) 量 2016“ ” Page 11Enzhou Liu, Northwest University, Xian AAA dxFdWr 0)( AfAxx AAW AA rdxFWFdW 0 )(0 00設 計 方 程床 層 高 度 BSWL 一 般 ， 固 定 床 反

9、 應 器 換 熱 比 較 困 難 ， 很 難 做 到 等 溫 操 作 ，此 法 僅 用 于 對 反 應 器 進 行 估 算 ?；?等 溫 反 應 器 ( )A B AdCu rdl 0 00 AL C AC AdCuL dl r 2016“ ” Page 12Enzhou Liu, Northwest University, Xian 4.2單 層 絕 熱 式 固 定 床 反 應 器 定 常 態(tài) 操 作 時 ， 與 流 動 方 向 垂 直 的 截 面 上 溫 度 、 濃 度 均勻 一 致 ， 且 不 隨 時 間 變 化 。 體 系 的 溫 度 和 濃 度 僅 隨 流 動 方 向的 空 間 位

10、置 變 化 。 取 反 應 器 內(nèi) 一 微 元 段 進 行 物 料 衡 算 和 熱 量衡 算 得 ： AABtAA dxFdldrdWr 024)()( )()( 0 AAAAAPpii HdxFdWrHdTcFdTcF （ 6-55）（ 6-59） 2016“ ” Page 13Enzhou Liu, Northwest University, Xian 式 （ 6-55） 和 （ 6-59） 分 別 積 分 并 整 理 得 ： )()()( 0000 AAAA P AA xxxxc HyTT （ 6-60） AfAxx AAA rdxFW 0 )(0設 計 方 程操 作 方 程 設 計 方

11、 程 和 操 作 方 程 聯(lián) 立 求 解 ， 可 求 W。 當 動 力 學 方 程 比較 復 雜 時 ， 難 以 得 到 解 析 解 。 一 般 采 用 數(shù) 值 積 分 或 圖 解 法 計 算 。 2016“ ” Page 14Enzhou Liu, Northwest University, Xian 圖 解 法 步 驟1） 由 式 （ 6-60） 在 xAT 圖 中 作 絕 熱 操 作 線 ；2） 在 絕 熱 操 作 線 上 讀 出 若 干 組 （ xAi， Ti ） 數(shù) 據(jù) ；3） 由 （ xAi， Ti ） 數(shù) 據(jù) 計 算 （ -rAi） 和 1/（ -rAi） ；4） 作 1/（ -

12、rA） xA曲 線 。 該 曲 線 下 方 介 于 0 xAf之 間 的 面 積大 小 即 W/FA0。5） 床 層 高 度 BSWL Ar1 2016“ ” Page 15Enzhou Liu, Northwest University, Xian 4.3 列 管 式 固 定 床 反 應 器 設 計 結(jié) 構(gòu) 與 列 管 式 換 熱 器 相 似 ， 反 應 氣 體 從 裝 填 催 化 劑 的管 內(nèi) 流 過 ， 管 間 通 入 換 熱 介 質(zhì) 進 行 換 熱 。 反 應 管 并 聯(lián) 連 接 ，只 需 計 算 其 中 一 根 管 的 長 度 和 催 化 劑 裝 填 量 。 2016“ ” Page

13、 16Enzhou Liu, Northwest University, Xian 一 維 擬 均 相 模 型 法 由 于 反 應 器 內(nèi) 存 在 換 熱 ， 計 算 中 要 考 慮 熱 量 傳 遞 的 影 響 。 床 層 與 管 壁 間 的 傳 熱 量式 中 ， 總 括 傳 熱 系 數(shù) h0可 由 Leva公 式 計 算 ： )(T WM T )(T WM T使 用 經(jīng) 驗 關 聯(lián) 式 時 要 注 意 條 件 和 式 中 各 參 數(shù) 的 單 位 。 “ ”床 層 與 管 外 傳 熱 介 質(zhì) 之 間 的 總 傳 熱 系 數(shù)管 內(nèi) 物 料 和 熱 量 衡 算 如 圖 ， 取 管 內(nèi) 微 元 長

14、度 對 組 分 A進 行 衡 算 得 ： “ ”整 理 得 該 方 程 組 就 是 列 管 式 固 定 床 反 應 器 的 一 維 擬 均 相 數(shù) 學 模型 ， 對 一 定 的 生 產(chǎn) 任 務 ， 可 計 算 出 床 層 中 軸 向 濃 度 和 溫 度 分布 。 “ ”四 階 龍 格 -庫 塔 法 求 解 步 驟（ 1） 將 微 分 方 程 組 化 成 差 分 方 程 組 “ ”（ 2） 給 定 邊 界 條 件 ， 00 , ,0 TTxxl AA ， 步 長 ， 計 算l（ 3） 將 x A1、 T1、 l1作 為 初 值 ， 重 復 （ 2） 的 計 算 ， 直 至 xA xAf。 201

15、6“ ” Page 21 5.設計實例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 草酸二甲酯加氫制備乙二醇列管式固定床反應器計算（一維擬均相等溫反應器）方程式主反應付反應總反應4 2 2016“ ” Page 22 5.設計實例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 反應機理速率控制步驟 2016“ ” Page 23 5.設計實例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 反應熱公式平衡常數(shù)公式4次方 “ ”范德霍夫方程 2016“ ” Page 25 5.設計實例 Enzhou

16、Liu, Northwest University, Xian 2016“ ” Page 26 5.設計實例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 物料衡算 2016“ ” Page 27 5.設計實例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 動力學方程 2016“ ” Page 28 5.設計實例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 2016“ ” Page 29 5.設計實例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 質(zhì)量傳遞建立數(shù)學模

17、型 2016“ ” Page 30 5.設計實例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 熱量傳遞第一個反應對反應器中溫度升高的貢獻第二個反應對反應器中溫度升高的貢獻向外界傳熱對反應器中溫度降低的貢獻 2016“ ” Page 31 5.設計實例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 管程中催化劑與殼程沸騰水總傳熱系數(shù)計算 2016“ ” Page 32 5.設計實例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 床 層 與 管 外 傳 熱 介 質(zhì) 之 間 的 總 傳 熱 系 數(shù) 20

18、16“ ” Page 33 5.設計實例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 動量傳遞 2016“ ” Page 34 5.設計實例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 反應工藝條件 2016“ ” Page 35 5.設計實例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 計算結(jié)果 2016“ ” Page 36 5.設計實例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 計算結(jié)果乙二醇分率0153.04.22 /142927 3 hNmw 07.62/6242.97 hkmol hhkg 8000/7.6052 年萬噸/84.4/48421625 akg “ ” 2016“ ” Page 38 謝謝!