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1、1 第六章 气固相催化固定床反应器 2 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的原则 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 苯酐及炼油厂中的铂重整等 3 流体在固定床反应器内的传递特性 气体在催化剂颗粒之间的孔隙中流动 较在管内流动更容易达到湍流 气体自上而下流过床层 4 床层空隙率 B 单位体积床层内的空隙体积 没有被催化剂占据的体积 不含催化剂颗粒内的体积 若不考虑壁效应 装填有均匀颗粒的床层 其空隙率与颗粒大小无关 5 壁效应 靠近壁面处的空隙率比其它部位大 为减少壁效应的影响 要求床层直径至少要
2、大于颗粒直径的8倍以上 6 颗粒的定型尺寸 最能代表颗粒性质的尺寸为颗粒的当量直径 对于非球形颗粒 可将其折合成球形颗粒 以当量直径表示 方法有三 体积 外表面积 比表面积 体积 非球形颗粒折合成同体积的球形颗粒应当具有的直径 外表面积 非球形颗粒折合成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径 7 比表面积 非球形颗粒折合成相同比表面积的球形颗粒应当具有的直径 混合粒子的平均直径 各不同粒径的粒子直径的加权平均 8 气体流动通过催化剂床层 将产生压降 压降计算通常利用厄根 Ergun 方程 9 可用来计算床层压力分布 如果压降不大 在床层各处物性变化不大 可视为常数 压降将呈线性分布 大多数情况
3、10 例6 1在内径为50mm的管内装有4m高的催化剂层 催化剂的粒径分布如表所示 催化剂为球体 空隙率 B 0 44 在反应条件下气体的密度 g 2 46kg m 3 粘度 g 2 3 10 5kg m 1s 1 气体的质量流速G 6 2kg m 2s 1 求床层的压降 11 解 求颗粒的平均直径 计算修正雷诺数 12 计算床层压降 13 固定床催化反应器的设计 绝热型换热型 14 15 16 操作方式 绝热 换热两种 操作方式的不同 反应器的结构就不同 操作方式由反应的热效应和操作范围的宽窄及反应的经济效益等决定 从反应器的设计 制造及操作考虑 绝热型比较简单 从设计上讲 基本方程是一样的
4、 17 设计固定床反应器的要求 1生产强度尽量大2气体通过床层阻力小3床层温度分布合理4运行可靠 检修方便计算包括三种情况 1设计新反应器的工艺尺寸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 达到最大生产强度 18 模型化 对于一个过程 进行合理的简化 利用数学公式进行描述 在一定的输入条件下 预测体系输出的变化 对同一个体系 根据不同的简化和假定 可以构造不同的模型 不同的简化和假定 也决定了模型必然含有一些参数 以修正模型与实际体系的差异 根据不同的简化和假定 分为几种不同层次的模型 19 对于固定床反应器 一般有以下模型 一维拟均相平推流模型一维拟均相带有轴向返混的模型二维
5、拟均相模型二维非均相模型二维非均相带有颗粒内梯度的模型 20 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 带有轴向返混的模型 在平推流模型的基础上叠加了轴向返混 21 一维拟均相平推流模型 质量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FAFA dFA RA 1 B Aidl0 22 整理得 对照平推流反应器模型二者相同 23 热量衡算 仍然是那块体积 输入热量 输出热量 反应热效应 与外界的热交换 积累输入 GcpTG质量流量 c
6、p恒压热容输出 Gcp T dT 反应热效应 RA 1 B H Aidl热交换 U T Tr didldi反应器直径积累 0U 气流与冷却介质之间的换热系数Tr 环境温度 24 将各式代入 得动量衡算 仍然是Ergun方程 25 将三个方程联立 边界条件 L 0 p p0 xA xA0 T T0 26 需要注意的问题 1从解题的角度看 一般壁温恒定 实际情况并非如此 2对于低压系统 压降十分重要 3U不是物性参数 需实验确定 4注意u0 u um的关系 5如果多根管子并联 体系将自动调节各管的流量 使压降相同 此时各管的处理量不同 转化率不同 造成生产能力和产品质量下降 27 典型模拟结果 2
7、8 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 29 2绝热 若绝热 则T Tr 或者认为U 0 此时 将物料衡算式与热量衡算式合并 可得 绝热温升 如果在一定范围内视物性为常数 将不随x及T变化 则 T T0 x x0 温度与转化率形成一一对应关系 中 温度可以由T T0 x x0 代替 30 31 可逆放热反应绝热反应器的最优化 以SO2 1 2O2 SO3为例 32 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 最优化目的 在完成一定生产任务的条件下 使用的催化剂最少 已知条件 第一段入口和最后一
8、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 可以改变的参数 各段的入口温度 段与段之间的转化率 33 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 适当选取各段的入口温度 段与段之间的转化率共7个 N段为2N 1个 参数 使W最小 34 x1in T1in x1out T2in x2out T3in x3out T4in x4out 第一段 第二段 第三段 第四段 35 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 36 调用最优化程序 就可以求得W最小值 可以 但很困难 进一步数学处理 在任意一段内 当xin及
9、xout确定之后 应选取适当的进口温度Tin 使催化剂量最小 37 在任意相邻两段间 38 汇总 39 七个方程 七个未知数 可能是唯一解 讨论 从T x图上看 40 例6 3 1 任务书在管式反应器中进行的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 以有催化作用的硅胶为载体 活性温度范围 610 700K粒径 dP 3mm堆积密度 B 1300kg m 3催化剂有效因子 0 67催化剂比活性 LR 0 92反应器管长 L 3m 41 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
10、反应器之前蒸发 并与空气混合 为保持在爆炸极限以外 控制邻二甲苯的摩尔分数低于1 操作压力接近常压 p 1267kPa 42 原料气中邻二甲苯的初摩尔分数 yA0 0 9空气的初摩尔分数 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 650K 43 化学反应式 宏观反应动力学 44 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的转化率分布 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63
11、0 650K 床层对流给热系数hW 561kJ m 2h 1K 1颗粒的有效导热系数 S 2 80kJ m 1h 1K 1 45 总括给热系数一方面可以进行反应器设计的优化 多方案比较 另一方面可以进行反应器参数的灵敏性分析 即通过改变如下参数 考虑测算结果的变化 46 47 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 48 4 计算结果根据计算结果绘制xA l T l曲线 如图 按照设计要求改变诸参数看其影响 49 固定床反应器模型评述 一 带有轴向返混的一维模型非理想模型 当平推流模型描述不够满意时采用 修正轴向热量 质量返混带来的与平推流模型的偏离
12、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 中介绍的返混模型相同 但增加热扩散的考虑 50 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 L dl cA0 FA0 xA0 0 V0 cA FA xA V FA xA FA dFA xA dxA dVR 51 将以上三式合并 得 式中 EZ为轴向有效扩散系数 相应 在同样条件下 对dVR做热量衡算 52 反应 散热 输入 放热 输出 散热整理得 Z为轴向有效导热系数 53 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 54 讨论 1轴向扩散的引入 可以导致温度 浓度分布趋于平缓 2许多不确定
13、因素可以归结到轴向扩散中 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的函数关系 5经验证明 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的影响可以忽略不计 55 6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的贡献 7轴向扩散系数和轴向导热系数需通过实验求取或参考文献值及通过经验公式求取 56 二 二维拟均相模型 二维 轴向和径向对于径向存在较大的温度差 浓度差的反应器 一维模型有时不能满足要求 需要考虑径向的温度浓度分布 与一维模型相比 考虑的因素更多 得到的结果更复杂 各有优缺点 57 模型假定 1反应在圆管式反
14、应器中进行 2流体在催化剂管内为非理想流动 存在着轴 径向的质量和热量扩散 3流固相之间没有温度 浓度差 4扩散遵循Fick扩散定律 58 在管式反应器中取一微元 59 定常态条件下就环形微元对A做物料衡算 60 输入 输出 反应整理得 61 热量衡算 62 输入 输出 反应与质量衡算类似 轴向热扩散项可以忽略 动量衡算方程与一维模型相同 63 边界条件 l 0 l L 64 在任意截面上流体的平均温度浓度 65 关于模型参数 模型参数是模型的一个重要组成部分 与模型紧密结合 模型参数包含轴径向有效导热系数与扩散系数及流体与管壁之间的给热系数 模型参数的取得 与实验条件有关 在具体应用时 要选择尽可能接近应用条件的文献值 66 径向温度分布 67 非均相模型 考虑到流体与催化剂颗粒之间有较大的温度差和浓度差 流固相不能当成一个虚拟的均相处理 派生出了非均相模型 如果再考虑到颗粒内部的温度与浓度梯度 又会产生考虑到粒内温度浓度梯度的模型 68 69 固体相 70 71 模型评述 考虑的因素越多 模型越复杂 模型参数就越多 模型参数的可靠性就越重要 并非模型越复杂越好 模型复杂增加了实验 计算工作量 增加了出错的概率 以简单实用为好 如返混严重 宜用带轴向返混的一维模型 径向温差大 宜用拟均相二维模型等 非均相模型慎用 非不得已 不用过于复杂的模型
