多相催化反应器的设计与分析.ppt

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1、,三门峡论坛,多相催化反应器的设计与分析编辑,三门峡论坛,本章内容,固定床反应器的分类 固定床内的传递现象 固定床反应器的数学模型 绝热式固定床反应器 换热式固定床反应器 自热式固定床反应器 参数敏感性,三门峡论坛,7.1 固定床反应器的分类,列管式固定床反应器,绝热反应器换热反应器,三门峡论坛,列管式固定床反应器,7.1 固定床反应器的分类（续1）,三门峡论坛,段内绝热，段间换热,7.1 固定床反应器的分类（续2）,三门峡论坛,换热式固定床反应器,7.1 固定床反应器的分类（续3）,三门峡论坛,影响因素,颗粒形状 粒度分布 颗粒与床层直径比 颗粒的装填方式,7.2 固定床内的传递现象7.2.

2、1 固定床内的流体流动,三门峡论坛,小结：真实床层径向空隙率分布是不均匀的，在距壁面约12倍粒径处，空隙率最大。壁效应 床层直径与颗粒直径之比越大，空隙率分布越均匀。由于空隙率分布不均匀。造成径向流速分布不同于空管。为了消除壁效应，一般，管径与粒径之比应大于8。,7.2.1 固定床内的流体流动（续1）,三门峡论坛,压力降计算公式,u0、,流动阻力,颗粒的粘滞曳力,局部阻力,回顾：空管中流动阻力,7.2.1 固定床内的流体流动（续2）,三门峡论坛,2 气体0.31 液体,0.6,回顾,7.2.2质量和热量的轴向扩散,三门峡论坛,固定床反应器的径向温度分布,粒内传热,粒子与流体间的传热,床层与器壁

3、的传热,固定床的径向传热,热阻大,7.2.2质量和热量的轴向扩散（续）,三门峡论坛,床层本身的导热+床层与器壁的对流传热,床层本身的导热热阻,靠近内壁的层流边界层,径向有效导热系数er关联式很多,壁膜传热系数hw无满意关联式,床层传热系数ht,径向传热包括,7.2.3质量和热量的径向扩散,三门峡论坛,ht的关联式,球形颗粒,圆柱形颗粒,径向传质,513多数10,7.2.3质量和热量的径向扩散（续）,三门峡论坛,轴向：等温时，若用N个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动状况，则N等于50或更大。对工业固定床反应器，大多数Lr/dp值远大于50，故可采用活塞流模型表示等温固定床内气体的流动状况。

4、非等温时，以Lr/dp值大于150作为准则较稳妥。,7.2.4小结,三门峡论坛,径向：若用N个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动状况，则N不可能为1，即径向浓度梯度总是存在。减小dt/dp，则径向浓度梯度降低，但当dt/dp 5，则床内流动极不均匀。（壁效应严重，且流体易短路）,7.2.4小结（续）,三门峡论坛,平推流的一维模型有轴向返混的一维模型有径向混合和径向温差的二维模型,拟均相模型,非均相模型,一维模型,二维模型,7.3固定床反应器的数学模型7.3.1概述,三门峡论坛,物料衡算,热量衡算,动量衡算,初始条件,7.3.2活塞流模型,三门峡论坛,7.3.3轴向扩散模型,三门峡论坛,7.

5、4绝热式固定床反应器7.4.1单段,三门峡论坛,7.4.2多段,三门峡论坛,7.4.2多段（续1）,三门峡论坛,两式含义：1.为保证催化剂总用量最少，任何一段的出口转化率应等于下一段进口的转化率2.在规定的进、出口转化率下，存在一最佳的进口温度，使催化剂总用量最少,7.4.2多段（续2）,三门峡论坛,7.5换热式固定床反应器7.5.1催化剂用量,三门峡论坛,热点,7.5.2热点概念,三门峡论坛,7.5.2热点概念（续1）,三门峡论坛,可逆放热反应绝热反应器的最优化（以SO21/2O2=SO3为例）,7.5.2热点概念（续2）,三门峡论坛,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

6、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。,7.5.2热点概念（续3）,三门峡论坛,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2N1个）参数，使W最小。,7.5.2热点概念（续4）,三门峡论坛,X1in,T1in,X1out,T2in,X2out,T3in,X3out,T4in,X4out,第一段,第二段,第

7、三段,第四段,7.5.2热点概念（续5）,三门峡论坛,X,T,0,二氧化硫氧化反应TX图示意,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。,在TX图上看：,7.5.2热点概念（续6）,三门峡论坛,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Xout确定之后，应选取适当的进口温度Tin，使催化剂量最小。,7.5.2热点概念（续7）,三门峡论坛,在任意相邻两段间：,7.5.2热点概念（续8）,三门峡论坛,汇总：,(,),(,),(,),(,),0,1,0,1,0,1,3,3,2,3,3,3,3,2,2,2,2,2

8、,2,2,2,2,2,1,1,1,1,1,2,1,3,3,2,2,1,1,=,=,=,=,=,dx,T,r,r,T,X,r,T,X,r,dx,T,r,r,T,X,r,T,X,r,dx,T,r,r,in,X,X,in,in,out,out,in,X,X,in,in,out,out,in,X,X,out,in,out,in,out,in,第三段：,第二、三段之间：,第二段：,第一、二段之间：,第一段：,7.5.2热点概念（续9）,三门峡论坛,7.5.2热点概念（续10）,(,),(,),0,1,4,4,2,4,4,4,4,3,3,3,4,4,=,=,dx,T,r,r,T,X,r,T,X,r,in,

9、X,X,in,in,out,out,out,in,第四段：,第三、四段之间：,七个方程，七个未知数，可能是唯一解。讨论：从TX图上看：,三门峡论坛,7.5.2热点概念（续11）,三门峡论坛,7.5.2热点概念（续12）,三门峡论坛,7.5.2热点概念（续13）,三门峡论坛,7.5.2热点概念（续14）,三门峡论坛,7.5.2热点概念（续15）,三门峡论坛,7.6自热式固定床反应器7.6.1分类,三门峡论坛,7.6.2设计方程,三门峡论坛,反应放热 反应气升温的热量 原料气升温的热量,并流为例推导,7.6.2设计方程（续）,三门峡论坛,逆流,并流,7.6.3小结,三门峡论坛,影响因素进料浓度，进料温度，冷却介质温度，空速（换热系数),7.7参数敏感性,三门峡论坛,本章习题,P2177.1 7.2 7.4 7.5 7.9 7.10 7.16 7.20,