固定床反应器的设计与分析

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1、 l 固定床压力降的计算方法。 l 固定床催化反应器拟均相活塞流模型的建立与应用，包括考虑内扩散的情况。 l 绝热式固定床催化反应器催化剂用量的计算方法。 l固定床催化反应器的主要类型及其结构特点。 l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。 l 固定床的轴向与径向传热与传质。 l多段绝热式固定床催化反应器的优化原则。 l实验室反应器的主要类型和特点。 二 、固定床反应器类型 物料气 产物 催化剂 图6.1-1 绝热床反应器 2. 换热式反应器n 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(在用高压水或用高压蒸汽作热载体时，则把催化剂放在管间

2、，而使管内走高压流体)。 蒸汽 原料 调节阀 催化剂 补充水 产物 图6.1-2乙炔法合成氯乙烯反应器 l 反应前后的物料在床层中自己进行换热称作自热式反应器。l 图6.1-3 自热式反应器示意图 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、质量和热量的轴向扩散v 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）：v v 对于固定床内的流体流动，使用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： v 轴向传热的彼克列准数： pa m audPe Dra

3、uLPe D p Pa h eaud CPe 三、质量和热量的轴向扩散 理论推导和实验证明： 对于气体：当Re10时，（Pea）m=2. 对于液体： （Pea）m=0.31 讨论 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1/Pea0.01时，流体的流动类型接近于平推流模型。在固定床内，一般认为当1/Pe a150dp 。 7.3固定床反应器的数学模型一、 几个术语非均相模型 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的影响即考虑气流主体、催化剂外表面及内部存在的温度差及浓度差对反应的影响。这种计入传递对反应速率的影响的模型称为非均相模型。 一、 几个

4、术语拟均相模型 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。 一、 几个术语 一维模型 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。 二维模型 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。 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。 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。 一维、拟均相、活塞流模型是处理气固相催化固定床反应器

5、的最基本模型，一般反应的设计计算可采用此模型。 ( )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、固定床反应器的数学模型n 2、物料衡算n 在P112式4.27的基础上进修正，得到固定床反应器的物料衡算式：n n 对于大多

6、数多相催化反应，外扩散问题都可解决，即仅考虑内扩散的影响。 n 0 0A A b AAG dXM dZ 0A A b AAG dXM dZ 三、固定床反应器的数学模型n 3. 热量衡算n 若不考虑轴向热扩散n 由P112式4.26可得：n n 若流体通过床层时压力变化较大时，其动量衡算： n 初值条件：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、固定床反应器的数学模型n 若冷却介质的温度在床层中不能视为常数，则需：n若流体在床层中流动不满足活塞流假定，则要在上述方程中迭加轴向扩散，详见P19

7、2193。n 若反应中有多个反应，则需使用物质的量，并且要考虑关键组分A的总消耗。详见P192。 n 4CC pc ctdT UG C T TdZ d 三、固定床反应器的数学模型n 上述模型方程的基础数据：n 1）反应动力学数据n 2）热力学数据n 3）传递速率数据，如黏度等，n 4）催化剂的宏观数据，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 热 T a xA=0 最佳温度线 1/rA W2/FA0 Tb xA2 d 等速率线 W1/FA0 冷 x A1 冷却 却 xA1 b TC 冷却 c 加热 T a T 0 xA1 xA2 Td 冷 xA2 却 Te W1 W2 进 1 2 x Ai-1 Ti-1 i x Ai Ti N 出 图6.3-2 多段绝热床示意图 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、对于换热式列管反应器，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稳定的关键。l 载热

10、体的温度与床层反应温度之间的温度差宜小，但又必须将反应放出的热量带走，因此须有较大的传热系数。 l 2、反应管直径一般较小，多为2035mm。其原因：一是为了减小催化剂床层的径向温度差，二是使单位床层体积具有较大的换热面积。l 3、与绝热式固定床相比，床层轴向温度分布比较均匀。特别适合于强放热反应。 l1、热量衡算与绝热固定床反应器相比的区别l2、解读P202图7.6，自学。l3、重点掌握：l1）、热点-P203l2）、最佳进料温度的选择l三 、 进 行 复 合 反 应 时 的 分 析 -介绍l1、处理该工程问题的方法l2、重要概念-飞温、敏感性参数 l3、进料温度选择原则。 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 参数敏感性v绝热式、换热式或自热式固定床反应器进行放热反应时，床层内部存在热点。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多因

12、素有关。v热点过高的危害：不仅使副反应增多和加强，导致目的产物的选择性和收率降低，催化剂失活，而且可能发生爆炸等事故。 7.7 参数敏感性v影响热点的因素v 在热点时，dT/dZ=0,有v 或v 从该式可知：W A0、Tc、T0、U/dt都可能影响热点温度，即都可能敏感性参数。 0 m4 0b A r ctUH T Td 0m 4b A r tc H dT T U 一级不可逆反应的热点温度v假设 ，冷却介质的温度恒定且等于物料的入口温度。 A 0 AA exp E/RT C 0 1 mAm 04C A exp E/RTr t bU T TH d 热点对应的浓度：令dCAm/dTm=0,有 2m

13、axE Tmax Tc 1RT max cRT 4RT1 1 1E 2 E 经验判据 e pt t c4UN C d k e emax c N N1T T e e 设A为关键组分，以G表示以单位床层截面为基准的气体总的质量流量；wA0表示进口处A的质量分率；S1表示床层截面积；d t1表示床层直径；T1、T2分别表示床层温度与预热管温度。 催化剂床层微元段物料平衡式为： (6.4-1) 催化剂床层内的热量衡算式为： (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 预热管内的热量

14、衡算式为： (6.4-3)边界条件为 (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