固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析

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1、 l 固定床壓力降的計算方法。 l 固定床催化反應(yīng)器擬均相活塞流模型的建立與應(yīng)用，包括考慮內(nèi)擴散的情況。 l 絕熱式固定床催化反應(yīng)器催化劑用量的計算方法。 l固定床催化反應(yīng)器的主要類型及其結(jié)構(gòu)特點。 l換熱式固定床催化反應(yīng)器的設(shè)計優(yōu)化問題、參數(shù)敏感性問題以及飛溫和失控的現(xiàn)象。 l 固定床的軸向與徑向傳熱與傳質(zhì)。 l多段絕熱式固定床催化反應(yīng)器的優(yōu)化原則。 l實驗室反應(yīng)器的主要類型和特點。 二 、固定床反應(yīng)器類型 物料氣 產(chǎn)物 催化劑 圖6.1-1 絕熱床反應(yīng)器 2. 換熱式反應(yīng)器n 換熱式反應(yīng)器以列管式為多。通常是在管內(nèi)放催化劑，管間走熱載體(在用高壓水或用高壓蒸汽作熱載體時，則把催化劑放在管間

2、，而使管內(nèi)走高壓流體)。 蒸汽 原料 調(diào)節(jié)閥 催化劑 補充水 產(chǎn)物 圖6.1-2乙炔法合成氯乙烯反應(yīng)器 l 反應(yīng)前后的物料在床層中自己進行換熱稱作自熱式反應(yīng)器。l 圖6.1-3 自熱式反應(yīng)器示意圖 TC T f Tf T0 逆流 并流 T0 1 bP 20 3(1 )SLuP f d 0150 11.75 ReRe 1Sd uf 三、質(zhì)量和熱量的軸向擴散v 在第五章中，探討了軸向擴散流動問題，其中用彼克列準數(shù)來衡量返混程度，其定義為 （見148）：v v 對于固定床內(nèi)的流體流動，使用類似的方法描述流體的返混程度，即軸向傳質(zhì)的彼克列準數(shù)： v 軸向傳熱的彼克列準數(shù)： pa m audPe Dra

3、uLPe D p Pa h eaud CPe 三、質(zhì)量和熱量的軸向擴散 理論推導(dǎo)和實驗證明： 對于氣體：當Re10時，（Pea）m=2. 對于液體： （Pea）m=0.31 討論 一般認為，彼克列準數(shù)的倒數(shù)是表征返混大小的一個無因次群。而且當1/Pea0.01時，流體的流動類型接近于平推流模型。在固定床內(nèi)，一般認為當1/Pe a150dp 。 7.3固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型一、 幾個術(shù)語非均相模型 對于工業(yè)催化反應(yīng)，在絕大多數(shù)情況下必須考慮顆粒內(nèi)外傳遞過程對反應(yīng)的影響即考慮氣流主體、催化劑外表面及內(nèi)部存在的溫度差及濃度差對反應(yīng)的影響。這種計入傳遞對反應(yīng)速率的影響的模型稱為非均相模型。 一、 幾個

4、術(shù)語擬均相模型 對于化學動力學控制的催化反應(yīng)，可以忽略傳遞對反應(yīng)的影響即認為催化劑外表面及內(nèi)部存在的溫度及濃度同氣流主體完全相同，反應(yīng)過程的計算如同均相反應(yīng)。這種不計入傳遞對反應(yīng)速率影響的模型稱為非均相模型。 一、 幾個術(shù)語 一維模型 只考慮沿著氣體流動方向上的濃度差和溫度差，垂直于流向上的溫度分布和濃度分布可忽略不計的模型。 二維模型 必須同時考慮軸向和徑向上的濃度分布和溫度分布的模型。 非均相模型和擬均相模型是對催化劑顆粒內(nèi)外氣體混合物的濃度分布和溫度分布的處理方法。 一維和二維模型是對反應(yīng)器內(nèi)氣流主體中的濃度分布和溫度分布的處理方法。 一維、擬均相、活塞流模型是處理氣固相催化固定床反應(yīng)器

5、的最基本模型，一般反應(yīng)的設(shè)計計算可采用此模型。 ( )t m Wq h A t t 0.82.03Re exp( 6 / )t t P tfhd d d 0.951.26Re exp( 6 / )t t P tfhd d d / (Re)(Pr)er f a b ( )W R Wq h A t t ( )A A P m G S P mH r h a t t h a t 2/3(Pr) /A A HP mH rt Q jh a A AP m PH rQ h a C G 三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型n 2、物料衡算n 在P112式4.27的基礎(chǔ)上進修正，得到固定床反應(yīng)器的物料衡算式：n n 對于大多

6、數(shù)多相催化反應(yīng)，外擴散問題都可解決，即僅考慮內(nèi)擴散的影響。 n 0 0A A b AAG dXM dZ 0A A b AAG dXM dZ 三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型n 3. 熱量衡算n 若不考慮軸向熱擴散n 由P112式4.26可得：n n 若流體通過床層時壓力變化較大時，其動量衡算： n 初值條件：n Z=0 ， XA=0 ，n T=T0，p=p0n 2 21pfGdpdZ d 0 4pt b A r ctdT UGC H T TdZ d 三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型n 若冷卻介質(zhì)的溫度在床層中不能視為常數(shù)，則需：n若流體在床層中流動不滿足活塞流假定，則要在上述方程中迭加軸向擴散，詳見P19

7、2193。n 若反應(yīng)中有多個反應(yīng)，則需使用物質(zhì)的量，并且要考慮關(guān)鍵組分A的總消耗。詳見P192。 n 4CC pc ctdT UG C T TdZ d 三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型n 上述模型方程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：n 1）反應(yīng)動力學數(shù)據(jù)n 2）熱力學數(shù)據(jù)n 3）傳遞速率數(shù)據(jù)，如黏度等，n 4）催化劑的宏觀數(shù)據(jù)，如孔分布等。 0 0A A b AAG dXM dZ 0A r TA A ptHdTdX M C 0pt b A rdTGC HdZ 0 AT T X L0L0 L0 0r 00r 0 0 0r b 0, ,FV , , , AAAA AA xA AXA b A AxA AXb A A xA A

8、X A AG dxL M X T X TdxX T X TC u dxL X T X T 或： 加 熱 T a xA=0 最佳溫度線 1/rA W2/FA0 Tb xA2 d 等速率線 W1/FA0 冷 x A1 冷卻 卻 xA1 b TC 冷卻 c 加熱 T a T 0 xA1 xA2 Td 冷 xA2 卻 Te W1 W2 進 1 2 x Ai-1 Ti-1 i x Ai Ti N 出 圖6.3-2 多段絕熱床示意圖 10r bV ( )AiAixA Ai x A iF dxr N r r mini=1V= V Vi 1 11 1 0( ) ( )Ai AiAi Aix xA Ax xi

9、i A i i A iZ dx dxT T r T r 11 11 1( ) ( )Ai AiAi Aix xA Ax xAi Ai A i Ai A iZ dx dxx x r x r 11 1 0 1,2 1( ) ( ) A Ai A AiA i A ix x x x i Nr r 1 1 11 ( 1)1 1( ) 0( ) ( )AiAi A Ai Ai Aix A Ai Aixi A i i A i x x x xdx x xT r T r 1 0( ) i A iT r l一、概述l1、對于換熱式列管反應(yīng)器，載熱體的合理選擇，是控制反應(yīng)溫度和保持反應(yīng)器操作條件穩(wěn)定的關(guān)鍵。l 載熱

10、體的溫度與床層反應(yīng)溫度之間的溫度差宜小，但又必須將反應(yīng)放出的熱量帶走，因此須有較大的傳熱系數(shù)。 l 2、反應(yīng)管直徑一般較小，多為2035mm。其原因：一是為了減小催化劑床層的徑向溫度差，二是使單位床層體積具有較大的換熱面積。l 3、與絕熱式固定床相比，床層軸向溫度分布比較均勻。特別適合于強放熱反應(yīng)。 l1、熱量衡算與絕熱固定床反應(yīng)器相比的區(qū)別l2、解讀P202圖7.6，自學。l3、重點掌握：l1）、熱點-P203l2）、最佳進料溫度的選擇l三 、 進 行 復(fù) 合 反 應(yīng) 時 的 分 析 -介紹l1、處理該工程問題的方法l2、重要概念-飛溫、敏感性參數(shù) l3、進料溫度選擇原則。 T2,in T

11、1,f xAf l=0 dl l=L T10 0 0 0b A r pt pc c cH GC T T GC T T 0 0A A b AAG XM 0 0 0pt A rc c Apc A ptGC HT T X T TGC M C 0 , ptA rA pt pcGCHM C GC 令： 0 0c c AT T X T T pt c pcGC G C 0 0c c AT T X T T 0 4pt b A r ctdT UGC H T TdZ d 7.7 參數(shù)敏感性v絕熱式、換熱式或自熱式固定床反應(yīng)器進行放熱反應(yīng)時，床層內(nèi)部存在熱點。絕熱固定床的熱點在固定床的出口，而換熱式固定床則與許多因

12、素有關(guān)。v熱點過高的危害：不僅使副反應(yīng)增多和加強，導(dǎo)致目的產(chǎn)物的選擇性和收率降低，催化劑失活，而且可能發(fā)生爆炸等事故。 7.7 參數(shù)敏感性v影響熱點的因素v 在熱點時，dT/dZ=0,有v 或v 從該式可知：W A0、Tc、T0、U/dt都可能影響熱點溫度，即都可能敏感性參數(shù)。 0 m4 0b A r ctUH T Td 0m 4b A r tc H dT T U 一級不可逆反應(yīng)的熱點溫度v假設(shè) ，冷卻介質(zhì)的溫度恒定且等于物料的入口溫度。 A 0 AA exp E/RT C 0 1 mAm 04C A exp E/RTr t bU T TH d 熱點對應(yīng)的濃度：令dCAm/dTm=0,有 2m

13、axE Tmax Tc 1RT max cRT 4RT1 1 1E 2 E 經(jīng)驗判據(jù) e pt t c4UN C d k e emax c N N1T T e e 設(shè)A為關(guān)鍵組分，以G表示以單位床層截面為基準的氣體總的質(zhì)量流量；wA0表示進口處A的質(zhì)量分率；S1表示床層截面積；d t1表示床層直徑；T1、T2分別表示床層溫度與預(yù)熱管溫度。 催化劑床層微元段物料平衡式為： (6.4-1) 催化劑床層內(nèi)的熱量衡算式為： (6.4-2) 0 1A A B AF dx r S dl 1 1 1 1 1 2( ) ( )P B A tGS C dT r H S dl U d dl T T 預(yù)熱管內(nèi)的熱量

14、衡算式為： (6.4-3)邊界條件為 (6.4-4)由(6.4-1)式得 (6.4-5)1 2 1 1 2( )P tGS C dT U d dl T T 1 2 10 00 0A Al T T T x x 1 1, 2 2,f in A A fl L T T T T x x 01A AA BF dxr S dl 1 1 0 1 2( )P A A PGS C dT F H dx GS C dT 01 2 01( )( )A A APF HT T x xGS C 0 1 01 1 0 01 1( )( ) ( )A t AP A A A A AB A PF U d F HGS C dT H F dx x x dxS r GS C 21 00 1 14AA tAGS wF S dM 0 0 01 1( ) 41 A A A AA A p A t p B Aw H w x xdT Udx M C M d C r 001 AAxA AxB AF dxL S r