固定床反应器设计计算课件

2016“ ”固定床反应器及其设计计算刘 恩 周 , 讲 师西北大学化工学院2015年4月24日 Enzhou Liu, Northwest University, Xian Page 1 2016“ ” Page 2 主要内容1. 概 念2. 分 析 （ 换 热 ）3. 传 递 过 程4. 拟 均 相 一 维 模 型5. 设 计 实 例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 2016“ ” Page 3 1. 固定床反应器-概念 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 又 称 填 充 床 反 应 器 ， 装 填 有 固 体 催 化 剂 或 固 体 反 应物 用 以 实 现 多 相 反 应 过 程 的 一 种 反 应 器 。 固 体 物 通 常 呈 颗粒 状 ， 粒 径 2 15mm左 右 ,堆 积 成 一 定 高 度 （ 或 厚 度 ） 的 床层 。 床 层 静 止 不 动 ， 流 体 通 过 床 层 进 行 反 应 。实 验 室 ： 石 英 管 、 不 锈 钢 管催 化 剂 颗 粒 放 在 等 温 区 ， 其 余 填 充 石 英 砂 ， 两 端 用 玻 璃 棉封 口 防 止 石 英 砂 被 吹 出 。用 D6或 D8的 不 锈 钢 管 做 反 应 管 较 宽 、 催 化 剂 较 少 时 ， 用 更细 的 不 锈 钢 管 作 支 撑 管 ， 上 垫 不 锈 钢 网 ， 可 作 800度 以 下的 反 应 。 2016“ ” Page 4 1. 固定床反应器-概念 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 与 流 化 床 反 应 器 及 移 动 床 反 应 器 的 区 别 在 于固 体 颗 粒 处 于 静 止 状 态 。 固 定 床 反 应 器 主 要 用 于实 现 气 固 相 催 化 反 应 ， 如 氨 合 成 塔 、 二 氧 化 硫 接触 氧 化 器 、 烃 类 蒸 汽 转 化 炉 等 。 用 于 气 固 相 或 液 固 相 非 催 化 反 应 时 ， 床 层 则填 装 固 体 反 应 物 。 涓 流 床 反 应 器 也 可 归 属 于 固 定床 反 应 器 ， 气 、 液 相 并 流 向 下 通 过 床 层 ， 呈 气 液固 相 接 触 。 2016“ ” Page 5 2.固定床反应器-分类（换热） Enzhou Liu, Northwest University, Xian绝热床反应器对外换热式反应器多段绝热床反应器 2016“ ” Page 6 2.固定床反应器-分类（换热） Enzhou Liu, Northwest University, Xian自热式反应器传热和温度控制是难点，固定列管式固定床反应器性能较好反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50; 填充段长与粒径之比大于100(气体)或200(液体) 2016“ ” Page 7 3.固定床反应器传递过程基本概念 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 1.粒 子 直 径 (3种 ， da ds dv P162)2.形 状 系 数 s3.床 层 空 隙 率 B4.床 层 当 量 直 径 de5.床 层 压 降 P 2016“ ” Page 8 3.固定床反应器传递过程基本概念 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 6.传 热 系 数 (3种 v P166) 颗 粒 与 流 体 间 传 热 系 数 (hp) 固 定 床 中 的 有 效 热 传 导 (e) 床 层 与 器 壁 间 的 给 热 系 数 h0(一 维 模 型 )和 hw (二 维 模 型 ) 7.传 质 系 数 (P170) 颗 粒 与 流 体 间 的 传 质 流 体 的 混 合 扩 散 （ Ez和 Er） 2016“ ” Page 9 4.拟均相一维模型 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 一 、 拟 均 相 模 型 忽 略 床 层 中 催 化 剂 颗 粒 与 流 体 之 间 温 度 与 浓 度 差 别 ， 将 气相 反 应 物 与 催 化 剂 看 成 均 匀 连 续 的 均 相 物 系 。 （ 1） 一 维 拟 均 相 模 型 只 考 虑 沿 气 体 流 动 方 向 的 温 度 和 浓 度 变 化 。 根 据 流 动 形 式 分 为 平 推 流 一 维 模 型 和 轴 向 分 散 一 维 模 型 。（ 2） 二 维 拟 均 相 模 型 同 时 考 虑 轴 向 和 径 向 的 温 度 和 浓 度 分 布 。 2016“ ” Page 10Enzhou Liu, Northwest University, Xian 4.1 等 温 反 应 器 的 计 算 (P173) 床 层 温 度 均 匀 一 致 ， 反 应 速 率 常 数 为 常 数 ， 反 应 速 度仅 与 浓 度 有 关 。 按 一 维 拟 均 相 处 理 ， 设 计 方 法 与 PFR相 似 。对 右 图 固 定 床 反 应 器 取 一 微 元 段 进 行 物 料 衡 算 AAA dxFdWr 0)( AfAxx AAW AA rdxFWFdW 0 )(0 00BW 为 床 层 密 度 或 堆 积 密 度为 催 化 剂 质 量 2016“ ” Page 11Enzhou Liu, Northwest University, Xian AAA dxFdWr 0)( AfAxx AAW AA rdxFWFdW 0 )(0 00设 计 方 程床 层 高 度 BSWL 一 般 ， 固 定 床 反 应 器 换 热 比 较 困 难 ， 很 难 做 到 等 温 操 作 ，此 法 仅 用 于 对 反 应 器 进 行 估 算 。或 等 温 反 应 器 ( )A B AdCu rdl 0 00 AL C AC AdCuL dl r 2016“ ” Page 12Enzhou Liu, Northwest University, Xian 4.2单 层 绝 热 式 固 定 床 反 应 器 定 常 态 操 作 时 ， 与 流 动 方 向 垂 直 的 截 面 上 温 度 、 浓 度 均匀 一 致 ， 且 不 随 时 间 变 化 。 体 系 的 温 度 和 浓 度 仅 随 流 动 方 向的 空 间 位 置 变 化 。 取 反 应 器 内 一 微 元 段 进 行 物 料 衡 算 和 热 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 别 积 分 并 整 理 得 ： )()()( 0000 AAAA P AA xxxxc HyTT （ 6-60） AfAxx AAA rdxFW 0 )(0设 计 方 程操 作 方 程 设 计 方 程 和 操 作 方 程 联 立 求 解 ， 可 求 W。 当 动 力 学 方 程 比较 复 杂 时 ， 难 以 得 到 解 析 解 。 一 般 采 用 数 值 积 分 或 图 解 法 计 算 。 2016“ ” Page 14Enzhou Liu, Northwest University, Xian 图 解 法 步 骤1） 由 式 （ 6-60） 在 xAT 图 中 作 绝 热 操 作 线 ；2） 在 绝 热 操 作 线 上 读 出 若 干 组 （ xAi， Ti ） 数 据 ；3） 由 （ xAi， Ti ） 数 据 计 算 （ -rAi） 和 1/（ -rAi） ；4） 作 1/（ -rA） xA曲 线 。 该 曲 线 下 方 介 于 0 xAf之 间 的 面 积大 小 即 W/FA0。5） 床 层 高 度 BSWL Ar1 2016“ ” Page 15Enzhou Liu, Northwest University, Xian 4.3 列 管 式 固 定 床 反 应 器 设 计 结 构 与 列 管 式 换 热 器 相 似 ， 反 应 气 体 从 装 填 催 化 剂 的管 内 流 过 ， 管 间 通 入 换 热 介 质 进 行 换 热 。 反 应 管 并 联 连 接 ，只 需 计 算 其 中 一 根 管 的 长 度 和 催 化 剂 装 填 量 。 2016“ ” Page 16Enzhou Liu, Northwest University, Xian 一 维 拟 均 相 模 型 法 由 于 反 应 器 内 存 在 换 热 ， 计 算 中 要 考 虑 热 量 传 递 的 影 响 。 床 层 与 管 壁 间 的 传 热 量式 中 ， 总 括 传 热 系 数 h0可 由 Leva公 式 计 算 ： )(T WM T )(T WM T使 用 经 验 关 联 式 时 要 注 意 条 件 和 式 中 各 参 数 的 单 位 。 “ ”床 层 与 管 外 传 热 介 质 之 间 的 总 传 热 系 数管 内 物 料 和 热 量 衡 算 如 图 ， 取 管 内 微 元 长 度 对 组 分 A进 行 衡 算 得 ： “ ”整 理 得 该 方 程 组 就 是 列 管 式 固 定 床 反 应 器 的 一 维 拟 均 相 数 学 模型 ， 对 一 定 的 生 产 任 务 ， 可 计 算 出 床 层 中 轴 向 浓 度 和 温 度 分布 。 “ ”四 阶 龙 格 -库 塔 法 求 解 步 骤（ 1） 将 微 分 方 程 组 化 成 差 分 方 程 组 “ ”（ 2） 给 定 边 界 条 件 ， 00 , ,0 TTxxl AA ， 步 长 ， 计 算l（ 3） 将 x A1、 T1、 l1作 为 初 值 ， 重 复 （ 2） 的 计 算 ， 直 至 xA xAf。 2016“ ” Page 21 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 草酸二甲酯加氢制备乙二醇列管式固定床反应器计算（一维拟均相等温反应器）方程式主反应付反应总反应4 2 2016“ ” Page 22 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 反应机理速率控制步骤 2016“ ” Page 23 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 反应热公式平衡常数公式4次方 “ ”范德霍夫方程 2016“ ” Page 25 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 2016“ ” Page 26 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 物料衡算 2016“ ” Page 27 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 动力学方程 2016“ ” Page 28 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 2016“ ” Page 29 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 质量传递建立数学模型 2016“ ” Page 30 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 热量传递第一个反应对反应器中温度升高的贡献第二个反应对反应器中温度升高的贡献向外界传热对反应器中温度降低的贡献 2016“ ” Page 31 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 管程中催化剂与壳程沸腾水总传热系数计算 2016“ ” Page 32 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 床 层 与 管 外 传 热 介 质 之 间 的 总 传 热 系 数 2016“ ” Page 33 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 动量传递 2016“ ” Page 34 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 反应工艺条件 2016“ ” Page 35 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 计算结果 2016“ ” Page 36 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 计算结果乙二醇分率0153.04.22 /142927 3 hNmw 07.62/6242.97 hkmol hhkg 8000/7.6052 年万吨/84.4/48421625 akg “ ” 2016“ ” Page 38 谢谢!