化學反應工程第七章完整版

1、27.1 固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象o 固定床催化劑內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱固定床催化劑內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱o 固定床催化劑與流體相間的傳質(zhì)與傳熱固定床催化劑與流體相間的傳質(zhì)與傳熱o 固定床床層內(nèi)徑向傳質(zhì)與傳熱固定床床層內(nèi)徑向傳質(zhì)與傳熱o 固定床床層內(nèi)軸向傳質(zhì)與傳熱固定床床層內(nèi)軸向傳質(zhì)與傳熱37.1.1 7.1.1 固定床內(nèi)的流體流動固定床內(nèi)的流體流動l 固定床同一橫截面處徑向空隙率不相等固定床同一橫截面處徑向空隙率不相等l 床層直徑與顆粒直徑比越大，床層空隙率分布越均勻床層直徑與顆粒直徑比越大，床層空隙率分布越均勻l 空隙率其它影響因素：催化劑形狀、粒度分布以及裝空隙率其它影響因素：催化劑形狀、粒

2、度分布以及裝填方式填方式圖圖7.1 7.1 固定床空隙率的徑向分布固定床空隙率的徑向分布4固定床徑向流速分布固定床徑向流速分布5固定床壓降的計算固定床壓降的計算流體流動的壓力損失流體流動的壓力損失層流層流顆粒的粘滯曳力，即流體與顆粒表面間的摩擦顆粒的粘滯曳力，即流體與顆粒表面間的摩擦湍流湍流o流體流動過程中孔道截面積突然擴大和收縮流體流動過程中孔道截面積突然擴大和收縮o流體對催化劑顆粒的碰撞流體對催化劑顆粒的碰撞o流體的再分布流體的再分布u0、 320)1( srduLfp 75. 1Re150 f 11Re0uds（7.17.1）P188,P188,例例7.17.167.1.2 固定床內(nèi)軸向

3、質(zhì)量和熱量擴散固定床內(nèi)軸向質(zhì)量和熱量擴散軸向質(zhì)擴散與熱擴散軸向質(zhì)擴散與熱擴散結(jié)論結(jié)論工業(yè)固定床反應器流動大多數(shù)可采用活塞流描述工業(yè)固定床反應器流動大多數(shù)可采用活塞流描述實驗室固定床反應器流動可能不能滿足活塞流的要求實驗室固定床反應器流動可能不能滿足活塞流的要求50 prdL apmaDudPe 2 氣體氣體0.31 液體液體 eapphaCudPe 0.6150 prdL77.1.3 固定床內(nèi)徑向傳質(zhì)與傳熱固定床內(nèi)徑向傳質(zhì)與傳熱8固定床內(nèi)徑向傳熱熱阻固定床內(nèi)徑向傳熱熱阻 （1 1）床層本身）床層本身 （2 2）器壁上層流邊界層）器壁上層流邊界層 （壁膜傳熱系數(shù)（壁膜傳熱系數(shù)hw） 顆粒接觸處的

4、熱傳導顆粒接觸處的熱傳導 相鄰顆粒周圍的邊界層的傳導相鄰顆粒周圍的邊界層的傳導 顆粒間的輻射顆粒間的輻射 顆粒內(nèi)的傳導顆粒內(nèi)的傳導 流體流動的貢獻流體流動的貢獻床層總熱阻床層總熱阻（總傳熱系數(shù)（總傳熱系數(shù)ht）固定床固定床的傳熱的傳熱粒內(nèi)傳熱粒子與流體間的傳熱床層與器壁的傳熱 熱阻大熱阻大er 徑向徑向有效有效導熱導熱系數(shù)系數(shù)9徑向總傳熱系數(shù)徑向總傳熱系數(shù)ht的關(guān)聯(lián)式的關(guān)聯(lián)式球形顆粒球形顆粒圓柱形顆粒圓柱形顆粒徑向傳質(zhì)徑向傳質(zhì)513多數(shù)多數(shù)1010 rpmrDudPe 徑向濃度梯度徑向濃度梯度ptddN5 )/6exp(Re03. 28 . 0tpfttdddh )/6exp(Re26. 19

5、5.0tpfttdddh 107.2 固定床反應器的數(shù)學模型固定床反應器的數(shù)學模型l模型分類依據(jù)模型分類依據(jù) 催化劑顆粒內(nèi)部催化劑顆粒內(nèi)部 催化劑外表面催化劑外表面 與流體相主體與流體相主體 反應器徑向反應器徑向 反應器軸向反應器軸向（擬）均相與非均（擬）均相與非均相模型相模型一維與二維模型一維與二維模型（3 3）有徑向濃度和溫度分布的二維模型）有徑向濃度和溫度分布的二維模型非均相模非均相模型分類型分類（1 1）活塞流模型（一維）活塞流模型（一維）（2 2）有軸向返混的一維模型）有軸向返混的一維模型111.活塞流模型活塞流模型)(00AbAAAdZdXMGw )(4)(0ctrAbptTTdU

6、HdZdTGC 32)1( pdfGdZdp 000, , , 0 , 0:ccATTPPTTXZBC )(4ctcpccTTdUdZdTCG 模型模型假設(shè)假設(shè) 考慮內(nèi)外擴散考慮內(nèi)外擴散 考慮軸向濃度溫度壓力分布（忽略擴散）考慮軸向濃度溫度壓力分布（忽略擴散） 忽略徑向濃度溫度速度分布忽略徑向濃度溫度速度分布模型模型方程方程120)(0022 AbAAadZdcudZcdD 0)(4)(0022 ctrAbptfeaTTdUHdZdTCudZTd dZdTTTCueaptf )(00dZdcDccuZAaAA )( , 0000 , dZdTdZdcLZA邊界邊界條件條件2.軸向擴散模型軸向擴

7、散模型137.3 絕熱式固定床反應器絕熱式固定床反應器7.3.1 絕熱反應器的類型絕熱反應器的類型14 ALAXXAAAAbArTXTXdXFV0),(),(00 ALAXXAAAAbAArTXTXdXMGwL0),(),(00 ptATrAACMHwdXdT)(0 ptATrAACMHwXTT000)( 7.3.2 絕熱式固定床反應器催化劑用量（單段）絕熱式固定床反應器催化劑用量（單段）TrAbptHdZdTGC)(0 )(00AbAAAdZdXMGw 15例例7.2 某固定床反應器某固定床反應器0.1013MPa下燃燒處理含苯酚廢下燃燒處理含苯酚廢氣，處理量氣，處理量Q=1200m3/h，

8、苯酚質(zhì)量分數(shù)為，苯酚質(zhì)量分數(shù)為800mg/kg，T0=403K，要求燃燒后苯酚質(zhì)量分數(shù)為，要求燃燒后苯酚質(zhì)量分數(shù)為100mg/kg。催。催化劑直徑化劑直徑8mm，該催化劑上苯酚燃燒為，該催化劑上苯酚燃燒為一級一級反應，反應，k=7.03*106exp(-5000/T),min。忽略外擴散阻力，試計。忽略外擴散阻力，試計算催化劑用量。算催化劑用量。 AfAXXAAAAbArTXTXdXFV0),(),(0 TXA, TXkDeAp, 00AAXXTT 思路思路16 1/TkTkpggaSVr/2 cm 10 10013. 1/013. 1-55 107 .162 ar sTTDK/cm ,100

9、03. 694/1069700247 sTDVDDKmpgKmpe/cm ,10564. 725 31)3tanh(11 eppDTkR3 （1）求有效擴散系數(shù)）求有效擴散系數(shù)（2）求內(nèi)擴散有效因子）求內(nèi)擴散有效因子17AXT7973473 AfAXXAAAAArTXTXdXFV00),(),( KcyHptAr73.791000/300008. 029900 （3）溫度與轉(zhuǎn)化率關(guān)系）溫度與轉(zhuǎn)化率關(guān)系6 .115, 1;07.56, 0 AAXX )73.79473/(2500exp)73.79473(5162634/1AAppXXDkR )73.79473/(2500exp)73.79473

10、(5162614/1AAXX 3m.315187.3.3 多段絕熱式固定床反應器多段絕熱式固定床反應器產(chǎn)品產(chǎn)品原料原料IIIIIITXA平衡曲線平衡曲線最佳溫最佳溫度線度線 T= XA圖圖7.4 間接換熱式三段間接換熱式三段固定床反應器固定床反應器T-XA圖圖19 NirirVVV1min ,0)()()(2211ANANAAAAXXAAAXXAAAXXAAAbArTXdXTXdXTXdXFV 0 AirXVNiTXTXiAiAiAiA, 3 , 2)() (,1, 催化劑用量最少催化劑用量最少* * *產(chǎn)品成本最低產(chǎn)品成本最低產(chǎn)量最大產(chǎn)量最大目標函數(shù)目標函數(shù)0 irTV 1,2 , 10)(

11、,AiAiXXAAAiNiTXdXTNiXAi, 2NiTi,120l在規(guī)定的進、出口轉(zhuǎn)在規(guī)定的進、出口轉(zhuǎn)化率下，存在一最佳的化率下，存在一最佳的進口溫度，使催化劑總進口溫度，使催化劑總用量最少。用量最少。01AXXXAAdXTTXAAiAi!)(,)() (,1,iAiAiAiATXTX TXA平衡曲線平衡曲線最佳溫最佳溫度線度線 T= XAABCDEFl為保證催化劑總用量最為保證催化劑總用量最少，任何一段的出口轉(zhuǎn)少，任何一段的出口轉(zhuǎn)化速率應等于下一段進化速率應等于下一段進口的轉(zhuǎn)化速率；口的轉(zhuǎn)化速率；217.4 換熱式固定床換熱式固定床圖圖7.5 換熱式固換熱式固定床反應器定床反應器)(00

12、AbAAAdZdXMGw )(4)(0ctrAbptTTdUHdZdTGC )(AbptAtcAACMdTTUwdXdTR0047.4.2 單一反應單一反應22)(0rAbH)(4CtTTdU0AdXdTXA最佳溫最佳溫度曲線度曲線平衡曲線平衡曲線絕熱絕熱操作線操作線dZdXdXdTdZdTAA0dZdT熱點熱點237.4.3 進行復合反應時的分析進行復合反應時的分析CH3CH3+ 3O2COCOO+3H2O215CH3CH3 O2+HCCOHCCOO + 4C O2+ 4H2OCH3CH3 O2+ CO2+ 2H2O3COOH221CH3CH3 O2+8CO2+ 5H2O213CH3CH3

13、O2+8C O+ 5H2O鄰二甲苯（A）苯酐（B）k1k3k28(CO, CO2)(C)TkppkrOA13500exp04017. 0 ,111TkppkrOB15500exp1175. 0 ,222TkppkrOA14300exp01688. 0 ,33324鄰二甲苯（A）苯酐（B）k1k3k28(CO, CO2)(C)BbBmAdZdYMGyR0CbCmAdZdYMGyR08 )(4ctCrCbBrBbptTTdUHHdZdTGCRRBCBOABYkYYkpyy21200)1 (RBCBOACYkYYkpyy23200)1 (8RBCBObmBYkYYkpyGMdZdY2120)1 (B

14、CBObmCYkYYkpyGMdZdY2120)1 (pttcCrBCBBrBCBptOAbGCdTTUHYkYYkHYkYYkGCpyydZdT)(4)1 ()1 (2321200cCBTTTYYZ00025T/K267.5自熱式固定床自熱式固定床逆流并流圖圖7.9 不同流向自熱式固定床反應器軸向溫度分布不同流向自熱式固定床反應器軸向溫度分布27)()()(000CCpcCptArAATTCGTTCGXHMGw反應放熱反應放熱 反應氣升溫的熱量反應氣升溫的熱量 原料氣升溫的熱量原料氣升溫的熱量)()(000TTXCMHwCGCGTTAptArApcCptCC000 CCpcCptrAATTC

15、GTTCGHXAF并流并流T0,TC0T0,TC,XA28逆流逆流并流并流)(24)(00TTXTdUHdZdTGCCAtbArpt)(4)(00TTXdUHdZdTGCCAtbArpt)(00TTXTTACCpccptCGCGtAbArptdXUHdZdTGC4)(逆流自逆流自熱式熱式29)(4)(0CmtrAbTTdUHUdHTTtrAbCm4)(0影響因素：影響因素：進料濃度，進料溫度，冷卻介質(zhì)溫度，進料濃度，進料溫度，冷卻介質(zhì)溫度，空速（換熱系數(shù)空速（換熱系數(shù)) )7.6 參數(shù)敏感性參數(shù)敏感性熱點411 21maxERTERTCeNeNTTCCC1max冷卻介質(zhì)溫度冷卻介質(zhì)溫度進料濃度

16、進料濃度一級不一級不可逆放可逆放熱反應熱反應307.8 實驗室催化反應器實驗室催化反應器7.8.1 氣固催化反應動力學測定基本要求氣固催化反應動力學測定基本要求o 固定床催化劑內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱固定床催化劑內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱o 固定床催化劑與流體相間的傳質(zhì)與傳熱固定床催化劑與流體相間的傳質(zhì)與傳熱o 固定床床層內(nèi)徑向傳質(zhì)與傳熱固定床床層內(nèi)徑向傳質(zhì)與傳熱o 固定床床層內(nèi)軸向傳質(zhì)與傳熱固定床床層內(nèi)軸向傳質(zhì)與傳熱l 等穩(wěn)操作等穩(wěn)操作l 反應氣體保持理想流型全混流最理想，其次活塞流反應氣體保持理想流型全混流最理想，其次活塞流317.8.2 動力學研究常用催化反應器類型動力學研究常用催化反應器類型1. 積分反應器積分反應器方法：改變方法：改變F FA0A0，其它條件如溫度、進料組成等，其它條件如溫度、進料組成等保持不變，測定出口轉(zhuǎn)化率與保持不變，測定出口轉(zhuǎn)化率與W/ FW/ FA0A0的關(guān)系的關(guān)系2. 2. 微分反應器微分反應器WXXFWXFdWdXFrAAAAAAAA)(0000dWdXFrA