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1、会计学1固定床反应器的设计固定床反应器的设计(shj)与分析与分析第一页，共88页。重点重点(zhngdin)(zhngdin)掌握掌握n n固定床压力降的计算方法。 n n固定床催化反应器拟均相活塞流模型的建立(jinl)与应用，包括考虑内扩散的情况。 n n绝热式固定床催化反应器催化剂用量的计算方法。第1页/共87页第二页，共88页。深入深入(shnr)(shnr)理解理解 n n固定床催化反应器的主要(zhyo)类型及其结构特点。 n n换热式固定床催化反应器的设计优化问题、参数敏感性问题以及飞温和失控的现象。第2页/共87页第三页，共88页。广泛广泛(gungfn)(gungfn)了解
2、了解n n 固定床的轴向与径向(jn xin)传热与传质。 n n多段绝热式固定床催化反应器的优化原则。 n n实验室反应器的主要类型和特点。第3页/共87页第四页，共88页。7.1 概述概述(i sh) n n凡是流体通过不动的固体物料所凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器，其中尤以用气态的反应物料通过由固体应器，其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气催化剂所构成的床层进行反应的气- -固相催化反固相催化反应器占最主要的地位。如炼油工业中的催化重应器占最主要的地位。如炼油工业中的催化重整，异
3、构化，基本化学工业整，异构化，基本化学工业(huxugngy)(huxugngy)中中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。此外化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。此外还有不少非催化的气还有不少非催化的气 固相反应，如水煤气的固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2)(CaCN2)以及以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。第4页/共87页第五页，共88页。第5页/共87页第六页，共88页。1、固定床反应、固定床反应器优点器优
4、点(yudin)n n 固定床中催化剂不易磨损；n n 床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。n n 由于(yuy)停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大生产中尤为重要。 一、固定床反应器的优缺点一、固定床反应器的优缺点第6页/共87页第七页，共88页。 2、固定床反应、固定床反应器缺点器缺点(qudin) n n 固定床中的传热(chun r)较差；n n 催化剂的更换必须停产进行。 n n 第7页/共87页第八页，共88页。n n二、固定床反应器类型n n1.绝热式反应器
5、n n图是绝热床反应器的示意图。它的结构(jigu)简单，催化剂均匀堆置于床内，床内没有换热装置，预热到一定温度的反应物料流过床层进行反应就可以了。n n第8页/共87页第九页，共88页。图6.1-1 绝热床反应器第9页/共87页第十页，共88页。n n 典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。反应需供热140kJmol，是靠加入高温(710)水蒸汽来供应的(乙苯:水蒸汽=1: 2.6(质量)，混合后在630入床，离床时降到565。n n 在此，水蒸汽的作用是：n n 可以带入大量的显热；n n 起稀释作用，使反应的平衡(pnghng)向有利于生成苯乙烯的方向移动，提高单程转化率；n n 使催化剂可能产
6、生的结炭随时得到清除，从而保持反应器长期连续运转。第10页/共87页第十一页，共88页。n n除单层绝热床外，工业上还有用多段的，近代的除单层绝热床外，工业上还有用多段的，近代的大型合成氨反应器采用的是中间冷激的多段绝热床。总之，不论大型合成氨反应器采用的是中间冷激的多段绝热床。总之，不论是吸热或放热的反应，绝热床的应用相当广泛。特别对大型的，是吸热或放热的反应，绝热床的应用相当广泛。特别对大型的，高温的或高压的反应器，希望结构简单，同样大小的装置内能容高温的或高压的反应器，希望结构简单，同样大小的装置内能容纳尽可能多的催化剂以增加生产能力纳尽可能多的催化剂以增加生产能力( (少加换热空间少加
7、换热空间) )，而绝热床，而绝热床正好能符合这种要求。不过绝热床的温度变化总是比较大的，而正好能符合这种要求。不过绝热床的温度变化总是比较大的，而温度对反应结果的影响也是举足轻重的，因此如何取舍，要综合温度对反应结果的影响也是举足轻重的，因此如何取舍，要综合分析并根据实际情况来决定。此外还应注意到绝热床的高径比分析并根据实际情况来决定。此外还应注意到绝热床的高径比不宜过大，床层填充务必均匀不宜过大，床层填充务必均匀(jnyn)(jnyn)，并注意气流的预分布，并注意气流的预分布，以保证气流在床层内的均匀以保证气流在床层内的均匀(jnyn)(jnyn)分布。分布。 第11页/共87页第十二页，共
8、88页。第12页/共87页第十三页，共88页。第13页/共87页第十四页，共88页。2. 换热式反应器换热式反应器n n换热式反应器以列管式为多。通常是在换热式反应器以列管式为多。通常是在管内放催化剂，管间走热载体管内放催化剂，管间走热载体( (在用高压水在用高压水或用高压蒸汽或用高压蒸汽(zhnq)(zhnq)作热载体时，则把作热载体时，则把催化剂放在管间，而使管内走高压流体催化剂放在管间，而使管内走高压流体) )。 第14页/共87页第十五页，共88页。图乙炔(y qu)法合成氯乙烯反应器第15页/共87页第十六页，共88页。第16页/共87页第十七页，共88页。 管径：一般为管径：一般为
9、252550mm50mm的管子，但不小于的管子，但不小于25mm25mm。 催化剂粒径：应小于管径的催化剂粒径：应小于管径的8 8倍，通常固定床用的粒径倍，通常固定床用的粒径约为约为2 26mm6mm，不小于。，不小于。 传热所用的热载体：传热所用的热载体：沸水可以用于沸水可以用于100100300300的温度范围。的温度范围。联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分能用联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分能用于于200200350350的范围。的范围。无机熔盐无机熔盐( (硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物) )可用于可用于30030040040
10、0的情况。的情况。对于对于600600700700左右的高温反应左右的高温反应(fnyng)(fnyng)，只能用烟道气，只能用烟道气作为热载体。作为热载体。第17页/共87页第十八页，共88页。列管式反应器优点列管式反应器优点列管式反应器优点列管式反应器优点(yudin)(yudin)(yudin)(yudin)：n n 传热较好，管内温度较易控制；n n 返混小、选择性较高；n n 只要增加管数，便可有把握地进行放大；n n 对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物料来稀释催化剂n n 适用 原料成本高，副产物价值低以及分离不是十分(shfn)容易的情况。第18页/共87页第十九页，共8
11、8页。3.自热式反应器自热式反应器n n反应前后(qinhu)的物料在床层中自己进行换热称作自热式反应器。n n图6.1-3自热式反应器示意图第19页/共87页第二十页，共88页。第20页/共87页第二十一页，共88页。第21页/共87页第二十二页，共88页。7.2 7.2 固定床中的传递固定床中的传递固定床中的传递固定床中的传递(chund)(chund)过过过过程程程程 n n一、床层空隙率一、床层空隙率n n表征床层结构的主要参数为床层空隙率，床层空隙率表征床层结构的主要参数为床层空隙率，床层空隙率的大小与颗粒形状、粒度的大小与颗粒形状、粒度(ld)(ld)分布、颗粒直径与床直径之比以及
12、分布、颗粒直径与床直径之比以及颗粒的充填方法等有关。颗粒的充填方法等有关。n n固定床中同一横截面上的空隙率是不均匀的，对于粒固定床中同一横截面上的空隙率是不均匀的，对于粒度度(ld)(ld)均一的颗粒所构成的床层，在与器壁距离为均一的颗粒所构成的床层，在与器壁距离为1 12 2倍颗粒直倍颗粒直径处，空隙率最大，床层中心较小，这种影响，叫做壁效应。径处，空隙率最大，床层中心较小，这种影响，叫做壁效应。第22页/共87页第二十三页，共88页。第23页/共87页第二十四页，共88页。n n在非球颗粒充填的床层中，同一截面上的在非球颗粒充填的床层中，同一截面上的值，除壁效应影响所及的范围外，都是均匀
13、的。值，除壁效应影响所及的范围外，都是均匀的。n n但球形或圆柱形颗粒充填的床层，在同一横但球形或圆柱形颗粒充填的床层，在同一横截面上的截面上的值，除壁效应影响所及的范围外，还在一平值，除壁效应影响所及的范围外，还在一平均值上下均值上下(shngxi)(shngxi)波动波动. .n n由于壁效应的影响，床层直径与颗粒直径之由于壁效应的影响，床层直径与颗粒直径之比越大，床层空隙率的分布越均匀。比越大，床层空隙率的分布越均匀。第24页/共87页第二十五页，共88页。床层空隙床层空隙床层空隙床层空隙(kngx)(kngx)率率率率 B B( (床层自由体积床层自由体积床层自由体积床层自由体积)/(
14、)/(床层体积床层体积床层体积床层体积) ) = ( = (颗粒间的空隙颗粒间的空隙颗粒间的空隙颗粒间的空隙(kngx)(kngx)体积体积体积体积)/ )/( (床层体积床层体积床层体积床层体积) ) (6.2-1) (6.2-1) 通常通常通常通常(tngchng)(tngchng)所说的床层空隙率指的是平均空隙率。所说的床层空隙率指的是平均空隙率。所说的床层空隙率指的是平均空隙率。所说的床层空隙率指的是平均空隙率。第25页/共87页第二十六页，共88页。二、床层压降n n流体流动是通过床层空隙来实现的，流体的流通截面积为A。但不均匀，真实流速u（缝隙速度）也存在分布问题，缝隙速度在壁面附
15、近达到最大。n n固定床层内流体流动从层流状态到湍流状态的转折过程并不明显（与空管中的流体流动相比）。在相同的条件(tiojin)下，可能在床层的一部分处于层流状态，而其它部分则处于湍流状态。第26页/共87页第二十七页，共88页。n n流体流过固定床时所产生的压力损失主要来自两方面：n n一方面是由于颗粒的粘滞曳力，即流体与颗粒表面间的摩擦；n n另一方面是由于流体流动过程中孔道截面积突然扩大和收缩，以及流体对颗粒的撞击(zhungj)及流体的再分布而产生。n n当流体处于层流时，前者起主要作用；在高流速及薄床层中流动时，起主要作用的是后者。n n第27页/共87页第二十八页，共88页。压力
16、降的计算压力降的计算压力降的计算压力降的计算(jsun)(jsun)(jsun)(jsun) 流体流体流体流体(lit)(lit)在固定床中的流动，与空管在固定床中的流动，与空管在固定床中的流动，与空管在固定床中的流动，与空管中的流体中的流体中的流体中的流体(lit)(lit)流动相似，只是流道不规流动相似，只是流道不规流动相似，只是流道不规流动相似，只是流道不规则而已。故此可将空管中流体则而已。故此可将空管中流体则而已。故此可将空管中流体则而已。故此可将空管中流体(lit)(lit)流动流动流动流动的压力降计算公式修正后用于固定床。的压力降计算公式修正后用于固定床。的压力降计算公式修正后用于
17、固定床。的压力降计算公式修正后用于固定床。 固定床压力降计算公式：固定床压力降计算公式：固定床压力降计算公式：固定床压力降计算公式：(6.2-2)(6.2-2)第28页/共87页第二十九页，共88页。n n式中：式中：流体密度流体密度dSdS颗粒颗粒(kl)(kl)比外表面积相比外表面积相当直径当直径n nff摩擦系数摩擦系数LL床层高度床层高度n nu0u0空管流速空管流速床层空隙率床层空隙率n nn n(6.2-3)-(6.2-3)-流体的黏度流体的黏度n n当当ReRe1010时，时，f=150/Ref=150/Ren n当当ReRe10001000时，时，ff。 第29页/共87页第三
18、十页，共88页。n n从上可知：从上可知：n n催化剂的粒度大时，催化剂的粒度大时，PP，但催，但催化剂的有效因子化剂的有效因子较小；如果颗粒粉化、破较小；如果颗粒粉化、破碎，那么床层的压降碎，那么床层的压降PP。n n由于在生产流程中，流体的压头有限，床由于在生产流程中，流体的压头有限，床层压降往往有重要影响，因此一般固定床中的层压降往往有重要影响，因此一般固定床中的压降不宜超过床内压力的压降不宜超过床内压力的1515。所以颗粒不能。所以颗粒不能太细，而且最好都能做成圆球状，气流速太细，而且最好都能做成圆球状，气流速(li(lis)s)度也应适可而止，因为流速度也应适可而止，因为流速(lis
19、)(lis)与压降与压降是平方关系，它比其它因素对压降更为敏感。是平方关系，它比其它因素对压降更为敏感。第30页/共87页第三十一页，共88页。n n如果填充物料是一些不同尺寸的颗粒，或是一些细如果填充物料是一些不同尺寸的颗粒，或是一些细长形的颗粒，则易产生空隙率不均匀而形成偏流。对于列长形的颗粒，则易产生空隙率不均匀而形成偏流。对于列管式反应器，往往有上千根管子都要装填催化剂，因此要管式反应器，往往有上千根管子都要装填催化剂，因此要求各管装量相同，压降均等，否则求各管装量相同，压降均等，否则(fuz)(fuz)气体偏流的结气体偏流的结果，将使各管反应程度不一，温度不一，和失活速度不一，果，将
20、使各管反应程度不一，温度不一，和失活速度不一，从而使产品的数量和质量都受到严重影响。从而使产品的数量和质量都受到严重影响。第31页/共87页第三十二页，共88页。三、质量和热量三、质量和热量(rling)(rling)的轴向扩散的轴向扩散n n 在第五章中，探讨了轴向扩散流动问题，其中用彼克列准数来衡量返混程度，其定义为 （见148）：n n n n 对于固定床内的流体流动，使用(shyng)类似的方法描述流体的返混程度，即轴向传质的彼克列准数：n n 轴向传热的彼克列准数：第32页/共87页第三十三页，共88页。三、质量和热量三、质量和热量(rling)(rling)的轴的轴向扩散向扩散n
21、n 理论推导和实验理论推导和实验(shyn)(shyn)证明：证明：n n 对于气体：当对于气体：当Re10Re10时，（时，（PeaPea）m=2.m=2.n n 对于液体：对于液体： （PeaPea）m=0.31m=0.31n n 讨论讨论n n 一般认为，彼克列准数的倒数是表征返混一般认为，彼克列准数的倒数是表征返混大小的一个无因次群。而且当大小的一个无因次群。而且当1/Pea1/Pea时，流体时，流体的流动类型接近于平推流模型。在固定床内，的流动类型接近于平推流模型。在固定床内，一般认为当一般认为当1/Pea1/Pea时，就可以不考虑轴向混合时，就可以不考虑轴向混合和扩散的影响。和扩散
22、的影响。第33页/共87页第三十四页，共88页。n n当Re10时，（Pea）m=2.有n n所以，当床层高度Lr100dp时，可以忽略床层内轴向混合扩散，即将流体在床层内的轴向流动(lidng)似为平推流流动(lidng)。在实际反应器，能够满足该前提条件，而实验反应器往往不能达到，希注意。第34页/共87页第三十五页，共88页。对于对于对于对于(duy)(duy)(duy)(duy)非等温过程，非等温过程，非等温过程，非等温过程，(Pea)h(Pea)h(Pea)h(Pea)h（固定床）（固定床）（固定床）（固定床）n n对于均相系统，假设质扩散和热扩散的机对于均相系统，假设质扩散和热扩散
23、的机理相同，则有理相同，则有(Pea)m=(Pea)h(Pea)m=(Pea)h。n n对于非等温固定床，判定对于非等温固定床，判定(pndng)(pndng)其间流其间流体是否达到活塞流，则需满足体是否达到活塞流，则需满足Lr150dpLr150dp。第35页/共87页第三十六页，共88页。n n四、固定床中的径向传质与传热四、固定床中的径向传质与传热n n固定床内沿床层径向的温度固定床内沿床层径向的温度(wnd)(wnd)变化变化情况如下图所示了。情况如下图所示了。 第36页/共87页第三十七页，共88页。固定床中的传热固定床中的传热固定床中的传热固定床中的传热(chunr)(chunr)
24、(chunr)(chunr)方式方式方式方式n n热量通过空隙中的流体以对流、传导和辐射(fsh)的方式向外传递；n n热量通过固体颗粒向外传递，其中包括 (a)颗粒接触面处的传导；(b)相邻颗粒周围的边界层的传导；(c)颗粒间的辐射(fsh)；(d)颗粒内的传导。n n床层与器壁的传热-壁膜热阻n n 第37页/共87页第三十八页，共88页。径向径向径向径向(jnxin)(jnxin)(jnxin)(jnxin)传质传质传质传质n n由于固定床反应器存在径向温度分布和流速分布，因此径向浓度分布也必然存在。n n该问题的解决思路(sl)同轴向质扩散，可采用径向彼克列准数来描述。请同学们自学。P
25、190191。第38页/共87页第三十九页，共88页。固定床反应器的数学模固定床反应器的数学模型型n n一、一、 几个术语几个术语n n非均相模型非均相模型(mxng)(mxng)n n对于工业催化反应，在绝大多数情对于工业催化反应，在绝大多数情况下必须考虑颗粒内外传递过程对反应况下必须考虑颗粒内外传递过程对反应的影响的影响即考虑气流主体、催化剂外即考虑气流主体、催化剂外表面及内部存在的温度差及浓度差对反表面及内部存在的温度差及浓度差对反应的影响。这种计入传递对反应速率的应的影响。这种计入传递对反应速率的影响的模型影响的模型(mxng)(mxng)称为非均相模型称为非均相模型(mxng)(mx
26、ng)。第39页/共87页第四十页，共88页。一、一、 几个几个(j)(j)术语术语n n拟均相模型拟均相模型n n对于化学动力学控制的催化反应，可以忽略传对于化学动力学控制的催化反应，可以忽略传递对反应的影响递对反应的影响即认为催化剂外表面及内部存即认为催化剂外表面及内部存在的温度及浓度同气流主体完全相同，反应过程在的温度及浓度同气流主体完全相同，反应过程(guchng)(guchng)的计算如同均相反应。这种不计入传递的计算如同均相反应。这种不计入传递对反应速率影响的模型称为非均相模型。对反应速率影响的模型称为非均相模型。第40页/共87页第四十一页，共88页。一、一、 几个几个(j)(j
27、)术语术语n n一维模型(mxng)n n只考虑沿着气体流动方向上的浓度差和温度差，垂直于流向上的温度分布和浓度分布可忽略不计的模型(mxng)。n n二维模型(mxng)n n必须同时考虑轴向和径向上的浓度分布和温度分布的模型(mxng)。第41页/共87页第四十二页，共88页。n n 非均相模型和拟均相模型是对催化剂颗粒内外气体混合物的浓度分布和温度分布的处理方法。n n 一维和二维模型是对反应器内气流主体中的浓度分布和温度分布的处理方法。n n 一维、拟均相、活塞(husi)流模型是处理气固相催化固定床反应器的最基本模型，一般反应的设计计算可采用此模型。第42页/共87页第四十三页，共8
28、8页。n n在拟均相模型(mxng)中，把包括颗粒与流体的床层看作为均一的固体物质，用一个有效导热系数e来表征其传热特性，e是流体流速的函数(流体静止时的值以e0表示)。通常固定床的热量主要是在中心与管壁间作径向的传递，除少数强放热等情况外，流动方向的轴向导热影响常可忽略不计。因此e一般常是指er二、固定床二、固定床的传热的传热(chun(chunr)r)计算计算1.1.按拟均按拟均相处理相处理第43页/共87页第四十四页，共88页。 一维模一维模型型(mxng)n n在一维模型中，床层径向温度被认为是相同的。床层热阻和壁膜热阻合并作为一个热阻来考虑，用床层与器壁间的给热系数h0来表示，给热速
29、率式以床层平均温度tm与壁温tW之差来定义：n n(6.2-4)n n式中A为传热(chunr)面积，一般情况下，ht值大致为320kJ(m2hK)。下面推荐两个计算ht的关联式，第44页/共87页第四十五页，共88页。床层的传热系数床层的传热系数床层的传热系数床层的传热系数hthththt的经验的经验的经验的经验(jngyn)(jngyn)(jngyn)(jngyn)计算式计算式计算式计算式对于球形颗粒：对于球形颗粒： (6.2-5)(6.2-5)此式的适用条件为此式的适用条件为 20 20ReRe7600 7600 及及 dPdPd d t t。d td t为床层直径，为床层直径，dPdP
30、为颗粒比外表面积相为颗粒比外表面积相当直径。当直径。ff为流体的导热系数。为流体的导热系数。若颗粒为圆柱形若颗粒为圆柱形 (6.2-6)(6.2-6) 此式的应用范围是此式的应用范围是2020ReRe800800，dPdPd td t。 hf hf不能用以计算床层的径向温度不能用以计算床层的径向温度(wnd)(wnd)分布。分布。第45页/共87页第四十六页，共88页。 二维二维模型模型(mxng)n n二维模型需要考虑径向温度分布。在计算径向温度分布时，通常把固定床径向传热的热阻看成是由两部分组成：一是床层本身，另一是器壁上的层流边界层。n n床层热阻用径向有效导热系数er来描述。其确定方法
31、是先测定床层中的温度分布，后根据传热方程式来反算求出er。由于er与反应(fnyng)无关，因此可在无反应(fnyng)的情况下进行测定。第46页/共87页第四十七页，共88页。n n实验测得的er值一般常归纳为Re与Pr的函数关系，已有若干关于计算(jsun)er的关联式发表。其形式如下：n n(6.2-8)n n式中f是流体的导热系数，a及b为实验常数。第47页/共87页第四十八页，共88页。n n内壁上的层流边界层热阻，可用壁膜传热系数hW来描述。但已发表的实测数据极其分散(fnsn)，不同作者的实验结果相差甚大，还没有一个公认比较满意的关联式。可根据实际情况查找相关文献。n n给热速率
32、式以靠近器壁流体温度tR与壁温tW之差来定义：n n(6.2-9)第48页/共87页第四十九页，共88页。2.颗粒颗粒(kl)与流体间的传热与流体间的传热n n将颗粒与流体间的给热系数以hP表示，利用给热系数hP可以算出粒子与流体间的温差。如反应速率及反应热分别为rA(以单位质量催化剂为基准(jzhn)及HA，则根据单位质量催化剂的热量平衡，有n n(6.2-10)n n式中：am=Sa/B，单位质量催化剂的外表面积第49页/共87页第五十页，共88页。n n将传热系数用传热因子jH（P161，式）的代替，可得粒子与流体间的温差(wnch)：n n(6.2-11)n n式中，称为传热数。n n
33、对于气体，Pr，液体Pr2400第50页/共87页第五十一页，共88页。三、固定床反应器的数学模型三、固定床反应器的数学模型n n1、假定n n绝大多数固定床反应器呈圆柱形，即与管式反应器相似，不同点在于比管式反应器多固体催化剂。n n若用径向平均温度、平均浓度代替径向温度分布和浓度分布，则可将该反应器的问题简化(jinhu)为一个一维问题。n n流体在固定床中的流动状况看作是平推流式的，没有返混。n n固定床反应器的物料、热量衡算方法按照平推流反应器处理方法进行。第51页/共87页第五十二页，共88页。三、固定床反应器的数三、固定床反应器的数学模型学模型n n2 2、物料衡算、物料衡算n n
34、 在在P112P112式的基础上进修正，得到固式的基础上进修正，得到固定床反应器的物料衡算式：定床反应器的物料衡算式：n n n n 对于大多数多相催化反应，外扩散对于大多数多相催化反应，外扩散问题问题(wnt)(wnt)都可解决，即仅考虑内扩散的都可解决，即仅考虑内扩散的影响。影响。n n 第52页/共87页第五十三页，共88页。三、固定床反应器的数学模型三、固定床反应器的数学模型n n3. 3. 热量衡算热量衡算n n 若不考虑轴向热扩散若不考虑轴向热扩散n n 由由P112P112式可得：式可得：n n n n 若流体通过床层时压力若流体通过床层时压力(yl)(yl)变化较变化较大时，其
35、动量衡算：大时，其动量衡算：n n 初初值条件：值条件：n n Z=0 Z=0 ， XA=0 XA=0 ，n n T=T0T=T0，p=p0p=p0n n 第53页/共87页第五十四页，共88页。三、固定床反应器的数学模型三、固定床反应器的数学模型n n 若冷却介质的温度在床层中不能视若冷却介质的温度在床层中不能视为常数，则需：为常数，则需：n n 若流体在床层中流动不满足活塞流若流体在床层中流动不满足活塞流假定假定(jidng)(jidng)，则要在上述方程中迭，则要在上述方程中迭加轴向扩散，详见加轴向扩散，详见P192193P192193。n n 若反应中有多个反应，则需使用物若反应中有多
36、个反应，则需使用物质的量，并且要考虑关键组分质的量，并且要考虑关键组分A A的总的总消耗。详见消耗。详见P192P192。n n 第54页/共87页第五十五页，共88页。三、固定床反应器的数学模型三、固定床反应器的数学模型n n 上述模型方程的基础数据：n n 1）反应动力学数据n n 2）热力学数据n n 3）传递速率(sl)数据，如黏度等，n n 4）催化剂的宏观数据，如孔分布等。第55页/共87页第五十六页，共88页。7.4 7.4 绝热床反应器绝热床反应器绝热床反应器绝热床反应器 n n绝热床反应器没有向径向床壁传热，一般可以当作(dnzu)平推流处理，因此只考虑在流体流动的方向(轴向
37、)上有温度和浓度的变化，用拟均相一维模型来计算。第56页/共87页第五十七页，共88页。一、平衡温度一、平衡温度(wnd)(wnd)及最优温度及最优温度(wnd)(wnd)分布分布n n对于不可逆或可逆的吸热反应，反应速率均随温度(wnd)的升高而加快。最高允许温度(wnd)取决于催化剂或设备材质的性能等因素，然而对可逆的放热反应，则由于逆反应也随着温度(wnd)的升高而加强，净反应速率将出现一极大值。第57页/共87页第五十八页，共88页。二、单层绝热床的计算二、单层绝热床的计算(jsun)(jsun)以以以以A A组分组分组分组分(zfn)(zfn)为关键组分为关键组分为关键组分为关键组分
38、(zfn)(zfn)，作物，作物，作物，作物料、热量衡算：料、热量衡算：料、热量衡算：料、热量衡算： 第58页/共87页第五十九页，共88页。n n床层高度(god)L为n n第59页/共87页第六十页，共88页。三、多层绝热床的计算三、多层绝热床的计算(jsun)(jsun)n n 对于多层(或多台串联)的绝热床，每一层的计算方法，原则上都与上面所介绍的一样，只不过从一层出来的物料在进入到下一层去之前，如果由于放热( 或吸热 )的关系使其温度升高(或降低(jingd)而需要的中间加以冷却( 或加热)时，或者直接引入另一股物料使之混合，同时改变了它的温度和浓度时，那么就要根据层间所进行的这种调
39、节措施，通过简单的物料衡算和热量衡算，求出这时物料的温度和浓度(或转化率)来作为下一层的进料状态。 第60页/共87页第六十一页，共88页。n n图：两层绝热，层间间接冷却图：两层绝热，层间间接冷却(lngqu)(lngqu)的的情况情况第61页/共87页第六十二页，共88页。n n图表示了层间间接冷却的两层绝热床的情况。经过第一层绝热反应，物料状态从a点沿绝热升温线达到b点。间接冷却时，因只有温度的降低而无组成(zchn)的改变，故bc是水平线。第62页/共87页第六十三页，共88页。四、多层床的最优四、多层床的最优化问题化问题(wnt)(wnt)n n 对于可逆放热反应，要使反应速率尽可能
40、地保持最大，以便使催化剂的用量尽可能地少，随着转化率的增高， 就必须按(最优)温度曲线相应地降低温度，这样就必须有尽可能多的层数。可是层数愈多， 装置结构 等方面 所花的费用也愈多，而且层数的继续增加，效果(xiogu)也越来越微，所以一般很少有超过四层的。n n 多层绝热床的最优化问题通常是在一定数目的床层内，对于一定的进料和最终转化率，要选定各段的进出口温度和转化率以求总的催化剂用量为最少。 第63页/共87页第六十四页，共88页。n n图代表一中间图代表一中间(zhngjin)(zhngjin)冷却的多段绝热床的情冷却的多段绝热床的情况。况。 对于第对于第II段而言，该段所需的段而言，该
41、段所需的催化剂用量催化剂用量ViVi可根据式可根据式(6.3-10)(6.3-10)写出：写出：n n(6.3-13)(6.3-13)n n式中式中(rA)i(rA)i是是i i段床层中按绝热操段床层中按绝热操作时的原料中关键组分作时的原料中关键组分A A的实际反应的实际反应速率。速率。n n图6.3-2 多段绝热床示意图第64页/共87页第六十五页，共88页。n n将将VrVr分别对各段的分别对各段的xAxA及及T T微分微分(wifn)(wifn)，并令其等于，并令其等于零，以求极值，则有零，以求极值，则有n nn n第65页/共87页第六十六页，共88页。n n将上式按中值定律写成如下的
42、形式：n nn n此式即表示在xAi-1与xAi之间，必然(brn)有一点满足第66页/共87页第六十七页，共88页。n n根据上式可以得出总催化剂用量W最小的条件是:n n前一段出口时的反应速率与后一段进口时的反应速率相等。n n各段的入口操作点位于理想(lxing)操作线的低温一侧，而出口操作点则位于其高温一侧。当段数无限大时，这个差别趋于无限小，温度的变化则与理想(lxing)温度线一致。n n当反应存在有最高允许温度的限制时，则各段出口的温度应保证不超过此温度。第67页/共87页第六十八页，共88页。n n根据(gnj)以上的原则，参考P198图7.4，将设计的步骤归纳如下；n n根据
43、(gnj)进口条件的x，T，在图上定出点。n n根据(gnj)绝热操作线方程式，作直线ab，b点的位置在理想温度线之上，但不超过最高允许温度。第68页/共87页第六十九页，共88页。n n 从b点作水平线到c 点，要求c 点处的反应速率与b点处的反应速率相同， 这可由计算或从反应速率线图上查出。据此，可以确定对段间冷却的要求。n n 从c点再按(2)的步骤定出d点。n n 如此按前述顺序继续(jx)进行下去，一直到出口转化率达到要求为止。要求同时满足转化率与段数的规定。如果不符，重新调正b点，d点等位置，直到符合为止。第69页/共87页第七十页，共88页。7.5 换热式固定床反应换热式固定床反
44、应器器n n一、概述一、概述n n1 1、对于换热式列管反应器，、对于换热式列管反应器，载热体的合理选择，是控制反载热体的合理选择，是控制反应温度和保持反应器操作条件应温度和保持反应器操作条件稳定的关键稳定的关键(gunjin)(gunjin)。n n载热体的温度与床层反应载热体的温度与床层反应温度之间的温度差宜小，但又温度之间的温度差宜小，但又必须将反应放出的热量带走，必须将反应放出的热量带走，因此须有较大的传热系数。因此须有较大的传热系数。第70页/共87页第七十一页，共88页。一、概述一、概述(ish)(ish)n n2、反应管直径一般较小，多、反应管直径一般较小，多为为2035mm。其
45、原因：一是。其原因：一是为了减小催化剂床层的径向温为了减小催化剂床层的径向温度差，二是使单位床层体积度差，二是使单位床层体积(tj)具有较大的换热面积。具有较大的换热面积。n n3、与绝热式固定床相比，床、与绝热式固定床相比，床层轴向温度分布比较均匀。特层轴向温度分布比较均匀。特别适合于强放热反应。别适合于强放热反应。第71页/共87页第七十二页，共88页。二、进行单一二、进行单一二、进行单一二、进行单一(dny)(dny)(dny)(dny)反应时的分析反应时的分析反应时的分析反应时的分析n n1、热量衡算与绝热固定床反应器相比的区别n n2、解读P202图，自学。n n3、重点掌握：n n
46、1）、热点(r din)-P203n n2）、最佳进料温度的选择n n三、进行复合反应时的分析-介绍n n1、处理该工程问题的方法n n2、重要概念-飞温、敏感性参数n n3、进料温度选择原则。第72页/共87页第七十三页，共88页。7.6 自换热式固定床自换热式固定床反应器反应器 n n一、定义n n反应热传递给原料气使之预热到床层进口温度的情况称为(chnwi)自热式。n n二、反应物料的流向-P207。图：图： 自换热式反应器图示（逆流自换热式反应器图示（逆流(nli)(nli)）第73页/共87页第七十四页，共88页。三、逆流三、逆流(nli)(nli)和并流的区别和并流的区别n n逆
47、流式床层：优点气体温度很快达到热点温度（即接近最佳(zuji)温度），反应后期反应温度下降的速度很快，易出现过冷。n n并流式床层：与逆流式床层的刚好相反。n n四、数学模型n n换热式固定床的模型方程原则上可用于自热式固定床反应器。第74页/共87页第七十五页，共88页。第75页/共87页第七十六页，共88页。n n讨论讨论讨论讨论n n当当当当=0=0，则，则，则，则Tc=Tc0,Tc=Tc0,即冷却介质温度即冷却介质温度即冷却介质温度即冷却介质温度恒定；恒定；恒定；恒定；n n当当当当，则，则，则，则Gc=0Gc=0，属于绝热反应；，属于绝热反应；，属于绝热反应；，属于绝热反应；n n当
48、当当当=1=1，则，则，则，则 ， 即原料气为即原料气为即原料气为即原料气为冷却冷却冷却冷却n n n n 介质，为自然介质，为自然介质，为自然介质，为自然(zrn)(zrn)反应器。反应器。反应器。反应器。n n 并流时取正号，逆流时取负号。并流时取正号，逆流时取负号。并流时取正号，逆流时取负号。并流时取正号，逆流时取负号。n n 将上式代入下式，即可得自热式反将上式代入下式，即可得自热式反将上式代入下式，即可得自热式反将上式代入下式，即可得自热式反应器床层轴向温度分布微分方程。应器床层轴向温度分布微分方程。应器床层轴向温度分布微分方程。应器床层轴向温度分布微分方程。第76页/共87页第七十
49、七页，共88页。逆流和并流式反应器的轴向分布逆流和并流式反应器的轴向分布逆流和并流式反应器的轴向分布逆流和并流式反应器的轴向分布(fnb)(fnb)微分方程见微分方程见微分方程见微分方程见P208209P208209。第77页/共87页第七十八页，共88页。7.7 参数参数(cnsh)敏感性敏感性n n绝热式、换热式或自热式固定床绝热式、换热式或自热式固定床反应器进行放热反应反应器进行放热反应(fnr(fnrfnyng)fnyng)时，床层内部存在热时，床层内部存在热点。绝热固定床的热点在固定床点。绝热固定床的热点在固定床的出口，而换热式固定床则与许的出口，而换热式固定床则与许多因素有关。多因
50、素有关。n n热点过高的危害：不仅使副反应热点过高的危害：不仅使副反应增多和加强，导致目的产物的选增多和加强，导致目的产物的选择性和收率降低，催化剂失活，择性和收率降低，催化剂失活，而且可能发生爆炸等事故。而且可能发生爆炸等事故。第78页/共87页第七十九页，共88页。7.7 参数参数(cnsh)敏感性敏感性n n影响(yngxing)热点的因素n n 在热点时，dT/dZ=0,有n n 或n n 从该式可知：WA0、Tc、T0、U/dt都可能影响(yngxing)热点温度，即都可能敏感性参数。第79页/共87页第八十页，共88页。一级不可逆反应一级不可逆反应(kn-(kn-fnyng)fny
51、ng)的热点温度的热点温度n n假设假设 ，冷却介质的温度恒定且等于，冷却介质的温度恒定且等于(dngy)(dngy)物料的入口温度。物料的入口温度。热点(r din)对应的浓度：令dCAm/dTm=0,有第80页/共87页第八十一页，共88页。经验(jngyn)判据第81页/共87页第八十二页，共88页。n n设设A A为关键组分，以为关键组分，以G G表示以单位床层截面为基表示以单位床层截面为基准的气体总的质量流量；准的气体总的质量流量；wA0wA0表示进口处表示进口处A A的质量分率；的质量分率；S1S1表表示床层截面积；示床层截面积；dt1dt1表示床层直径；表示床层直径；T1T1、T
52、2T2分别表示床层温分别表示床层温度度(wnd)(wnd)与预热管温度与预热管温度(wnd)(wnd)。n n催化剂床层微元段物料平衡式为：催化剂床层微元段物料平衡式为：n n(6.4-1)(6.4-1)n n催化剂床层内的热量衡算式为：催化剂床层内的热量衡算式为：n n(6.4-2)(6.4-2)第82页/共87页第八十三页，共88页。n n预热(yr)管内的热量衡算式为：n n(6.4-3)n n边界条件为n n(6.4-4)n n由(6.4-1)式得n n(6.4-5)第83页/共87页第八十四页，共88页。n n将(6.4-5)、(6.4-3)代入(6.4-3)式，消去rA及dln n
53、积分(jfn)得：n n(6.4-6)n n将(6-4-5)代入(6-4-2)式中消去dl，并应用(6.4-6)式得第84页/共87页第八十五页，共88页。n n并注意n n所以有n n（）n n解此式，便得出T1与xA的关系。又因rA是T1与xA的函数(hnsh)；故从下式n n（）n n即可积分求出床层的高度。第85页/共87页第八十六页，共88页。n n对自热式反应器，由于床内发生的热量反馈给原料气，而原料气温度的升高又将导致反应速率的增加，从而进一步使发热量增加。故某些参数(如进料温度)的波动有可能使系统不稳定而出现多重态。另一方面，当某一参数变化到一定程度时就可能使床层温度迅速升高，这种现象俗称“飞温”，都是固定床反应器的设计(shj)和操作中所应当注意的。第86页/共87页第八十七页，共88页。内容(nirng)总结会计学。沸水可以用于100300的温度范围。因此e一般常是指er。此式的应用范围是20Re800，dPd t。以A组分为关键组分，作物料、热量衡算：。从c点再按(2)的步骤定出d点。故某些参数(如进料温度)的波动有可能(knng)使系统不稳定而出现多重态第八十八页，共88页。
