第七章：气固相催化反应固定床反应器.doc
第七章：气固相催化反应固定床反应器7.1流体在固定床内的传递特性1床层空隙率与流体的流动空隙率：（利用）分别是颗粒密度和颗粒的堆积密度。2颗粒的当量直径a体积当量直径（） 式中为颗粒的体积。b. 面积当量直径（） 式中为颗粒的外表面积。c. 比表面积当量直径（） 即与颗粒具有相同比表面积的球体直径 为单位颗粒体积具有的外表面积。d. 对混合粒子的平均直径 是直径为的粒子的质量分率。3流体通过床层的压降 a床层的当量直径 由于 （可见朱炳陈P109） b床层压降由化工原理中的结果 7.17式中的u为实际流速、若um为空塔流速，则：将，u，代入7.17式中 7.18式中为摩察系数与有关。令为修正雷诺数测得：则 (厄根公式)7.110当压降较低时，则 7.1117.2固定床催化反应器的设计7.2.1气固催化固定床反应器的基本类型和特点催化剂1绝热式气固催化反应器 主要用于放热反应a单段绝热反应器 如甲烷化炉，低变炉等，适合反应物浓度较低和反应热较小的体系。B多段绝热催化反应器（a） 多段间壁换热式催化反应器换热时不变 产品 I X III 原料 II II 平衡线 I III 最佳温度曲线 A T 多段间壁换热式催化反应器及其操作曲线（b） 多段原料气直接冷激式 换热时 xA 产物 G F D 平衡线原料气 冷 B 激 最 气 E 佳 温 C 度 线 H(x0,T0) A T多段原料气冷激反应器及其操作曲线示意图（c） 多段非原料气冷激反应器，但由于冷激气中含有辅助反应组合，如：CO变换用水蒸气或软水冷激；SO2氧化时用空气冷激等。 原料 xA 平衡线 冷 激 最 佳 温 度 线产物 T多段非原料气冷激反应器及其操作曲线示意图采用不同的段间换热方式，最终转化率的高低顺序为对X，非原料气冷激>间接换热>原料气冷激2连续换热反应器a内冷自热式，如并流三套管氨合成塔床层深度TbTa冷气 热气 冷气T1L TaL TbL T并流三套管氨合成塔及温度变化示意图图 7-8 双套管并流式反应器及床层温度分布 进气冷出冷进 出气b外冷列管式外冷指冷介质在管外，列管指催化剂装在一组管子中如：甲醇合成塔，萘气化制邻苯二甲酸酐等。7.2.2气固催化固定床反应器的数学模型1模型a非均相模型考虑催化剂颗粒内外传质传热对反应的影响。b. 拟均相模型对化学动力学控制的催化反应，可以忽略传递对反应的影响，即认为催化剂表面及内部的温度，浓度同气流主体完全相同，反应过程的计算如同均相反应，这种不考虑传递对反应速率影响的模型就称为拟均相模型。c. 一维模型只考虑沿气体流动方向上的浓度差与温度差，垂直于流向的浓度及温度分布可忽略不计。d. 二维模型同时考虑轴向及径向上的浓度及温度分布。注意：非均相与拟均相是对催化剂颗粒内外气体混合物的浓度及温度分布的处理方法，而一维与二维模型是对反应器内气流主体中的浓度及温度分布的处理方法。7.2.2采用一维拟均相流动模型对反应器的设计计算1一维拟均相理想流动模型基本假定：a. 均相 b. 平推流 c. 径向位置温度、浓度一致（不随r变）基本方程（1） 动量衡算方程（即厄根方程）(2)物料衡算方程 入出反积dt FA, T, XA dVR=Atdl dl FA+dFA, T+dT, XA+dXA（2） 热量衡算方程 流入流出反导出积累 流入GCPT 流出GCP(T+dT) 反 导出 h0床层对器壁的给热系数注意：边界条件2等温反应器的计算 （反应速率常数k为定值）出口压力床层高度（由）式中工业上等温操作很难实现原因如下：则由于X随l不是线性变化，因此床壁温度沿床高亦非线性变化，而需按一定的规律加以改变，因此实际上很难做到。3单层绝热床的计算绝热操作时的数学模型 7.25 7.26边界条件其解为： 7.277.28称为绝热温升在一定工况下近似为常数。由（7.25）的物理意义：（由知，当时进 x10,T10 x1f,T1f x20,T20 x2f,T2f xi0,Ti0 xif,Tif xn0,Tn0 xnf,Tnf出x(i-1)f=xi0或xif= x(i+1)0 VR1VRnVR2VRi4多段绝热反应器的计算最优的进出口T，x目标函数为催化剂装填量最小。对第I段反应床令求得：使最小由于间接换热所以即 （条件式I）用于确定后一段的入口温度(即各段入口的最优温度) X r=0 T对Tif求导按积分中值定理有即在和之间必有一点使或者说各段入口操作点位于最佳温度曲线的低温一侧，而出口位于高温一侧，并满足此式，将上式进一步写成即上式称为条件式II用于确定各段最优出口浓度各段T，x的确定a根据初始气体组成，动力学参数（E1，E2）及热力学参数（KPf(T)）作出整个反应过程的平衡线及最佳温度曲线b根据起始活性温度确定T10c由d由及条件（I）确定第二段入口温度本章重点1拟均相一维模型2三段间壁段间换热绝热式反应器的Tx图3绝热温升4最优化使最小。7.3固定床反应器模型评述7.3.1一维拟均相非理想流动模型物理模型基本假定：在一维拟均相模型上加了一个轴（逆向）向涡流扩散数学模型1 动量衡算方程：即厄根方程2物料衡算方程 CA0 CAFA0 FAXA0=0 XAV0 V dl L FA FA+dFA dVR 对微元衡算: 入-出=反+积由代入上式,得:3热量衡算入-出+反=积整理得:( )为轴向有效导热系数边界条件时，7.3.2二维拟均相模型物理模型a均相b轴向流动轴向扩散径向扩散数学模型 r+dr r dl 床壁 Rr+drrldrdll+dl对微元：dV=2pr(dr)(dl)衡算得：1物料衡算 入出反积l面流动带入 l面扩散代入 r面扩散带入 l+dl面流出量 l+dl扩散出的量 r+dr面扩散出的量 反应量 积累量或写成微分的形式如果为常数2 热量衡算 （流入-流出+导入+反应=积累）输入微元的热量l面轴向流动带入 l面轴向热传导 r面径向热传导由微元输出的的热量 l+dl面流动带出 l+dl面轴向热传导带出 r+dr面径向热传导导出微元内的反应热稳定操作，热积累为零或写成微分的形式如果为常数3动量衡算即厄根方程边界条件任一截面上流体的平均温度和浓度为：
