反應(yīng)工程課件第七章課件

1、第七章第七章 多相催化反應(yīng)器的設(shè)計與分析多相催化反應(yīng)器的設(shè)計與分析本章內(nèi)容：本章內(nèi)容： 固定床反應(yīng)器的分類固定床反應(yīng)器的分類 固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象 固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型 絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器 換熱式固定床反應(yīng)器換熱式固定床反應(yīng)器 自熱式固定床反應(yīng)器自熱式固定床反應(yīng)器 參數(shù)敏感性參數(shù)敏感性3固定床反應(yīng)器的分類固定床反應(yīng)器的分類絕熱反應(yīng)器絕熱反應(yīng)器換熱反應(yīng)器換熱反應(yīng)器自熱式自熱式徑向反應(yīng)塔徑向反應(yīng)塔列管式固定床反應(yīng)器列管式固定床反應(yīng)器單段絕熱反應(yīng)器單段絕熱反應(yīng)器多段絕熱反應(yīng)器多段絕熱反應(yīng)器段內(nèi)絕熱，段間換熱段內(nèi)絕熱，段間換熱換熱式固定床反應(yīng)器

2、換熱式固定床反應(yīng)器生產(chǎn)能力反應(yīng)器 反應(yīng)器設(shè)計內(nèi)容 化工設(shè)計：1）工藝操作條件；2）設(shè)備選型； 3）催化床及換熱器的工藝尺寸 機械設(shè)計：1）機械結(jié)構(gòu)設(shè)計；2）強度校核8 反應(yīng)器設(shè)計基本條件 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：1）熱力學(xué)數(shù)據(jù)（如平衡常數(shù)、熱效應(yīng)等）；2）基本物性數(shù)據(jù)（Cp、DAB等） 動力學(xué)數(shù)據(jù)：1）本征動力學(xué)；2）宏觀動力學(xué)；3）顆粒參數(shù)；4）傳遞參數(shù)1、 設(shè)計基礎(chǔ)點：根據(jù)工藝條件和工程實際，用反應(yīng)工程觀點確定最佳工藝操作條件 2、催化床類型和結(jié)構(gòu)要適宜：涉及制造、檢修和催化劑裝卸等 3、反應(yīng)器內(nèi)件設(shè)置要合理：床層結(jié)構(gòu)、內(nèi)管布置、流體分布、測溫測壓元件布置等 4、機械結(jié)構(gòu)要可靠：如高溫高壓下的機械強度和

3、溫差應(yīng)力等 氣體自上而下流過床層 催化劑床層內(nèi)的流動是通過顆粒之間的空隙進(jìn)行的，易達(dá)到湍流，但與圓管內(nèi)的流動狀況不完全相同 基本單元：裝有固體顆粒的均勻直圓管固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象 =顆粒間空隙體積顆粒間空隙體積床層體積床層體積1. 固定床內(nèi)的流體流動固定床內(nèi)的流體流動影響影響因素因素顆粒形狀 粒度分布 顆粒與床層直徑比 顆粒的裝填方式固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象1. 固定床內(nèi)的流體流動固定床內(nèi)的流體流動小結(jié)：小結(jié)： 真實床層徑向空隙率分布真實床層徑向空隙率分布是不均勻的，在距壁面約是不均勻的，在距壁面約12倍粒徑處，空隙率最大。倍粒徑處，空隙率最大。壁效應(yīng)壁效應(yīng) 床層直

4、徑與顆粒直徑之比床層直徑與顆粒直徑之比越大，空隙率分布越均勻。越大，空隙率分布越均勻。 由于空隙率分布不均勻。由于空隙率分布不均勻。造成徑向流速分布不同于空造成徑向流速分布不同于空管。管。 為了消除壁效應(yīng)，一般，為了消除壁效應(yīng)，一般，管徑與粒徑之比應(yīng)大于管徑與粒徑之比應(yīng)大于8。固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象1. 固定床內(nèi)的流體流動固定床內(nèi)的流體流動壓力降計算公式壓力降計算公式2031rsL upfd 75. 1150eRf110udRseu0、ppsaVd6流動阻力流動阻力顆粒的粘滯曳力顆粒的粘滯曳力局部阻力局部阻力回顧：空管中流動阻力回顧：空管中流動阻力13在內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)裝有4

5、m高的催化劑層，催化劑的粒度分布如下表所示。催化劑為球體，空隙率B0.44。在反應(yīng)條件下的氣體密度g=2.46kg/m3，粘度g=2.310-5kg/(ms)，氣體的質(zhì)量流速G=6.2kg/(m2s)。求床層壓降。1901)44. 01 (103 . 22 . 61096. 3)1 ( 2 96. 390. 615. 060. 425. 040. 360. 0 15311BgsemiisGdRmmdxd）計算修正雷諾準(zhǔn)數(shù)（）求顆粒的平均直徑解：（14PaLdGRLduRpgsBBemsmgBBem5323232310898. 1 446. 2)1096. 3(2 . 644. 044. 017

6、5. 11901150 175. 1150 175. 1150- 3 ）計算床層壓降（固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象2. 質(zhì)量和熱量的軸向擴散質(zhì)量和熱量的軸向擴散apmeaDudPeappheacudP2 氣體氣體0.31 液體液體0.6 areDuLP 回顧回顧10udRpe固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象2. 質(zhì)量和熱量的徑向擴散質(zhì)量和熱量的徑向擴散固定床反應(yīng)器的徑向溫度分布固定床反應(yīng)器的徑向溫度分布粒粒內(nèi)內(nèi)傳傳熱熱粒粒子子與與流流體體間間的的傳傳熱熱床床層層與與器器壁壁的的傳傳熱熱固定床的徑向傳熱固定床的徑向傳熱熱阻大熱阻大床層本身的導(dǎo)熱床層本身的導(dǎo)熱 + 床層與器壁的對流傳熱

7、床層與器壁的對流傳熱床層本身的導(dǎo)熱熱阻床層本身的導(dǎo)熱熱阻靠近內(nèi)壁的層流邊界層靠近內(nèi)壁的層流邊界層徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)徑向有效導(dǎo)熱系數(shù) er關(guān)聯(lián)式很多關(guān)聯(lián)式很多壁膜傳熱系數(shù)壁膜傳熱系數(shù)hw無滿意關(guān)聯(lián)式無滿意關(guān)聯(lián)式床層傳熱系數(shù)床層傳熱系數(shù)ht固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象2. 質(zhì)量和熱量的徑向擴散質(zhì)量和熱量的徑向擴散徑向傳熱包括徑向傳熱包括 ht的關(guān)聯(lián)式的關(guān)聯(lián)式tpefttddRdh6exp26. 195. 0tpefttddRdh6exp03. 28 . 0球形顆粒球形顆粒圓柱形顆粒圓柱形顆粒2. 質(zhì)量和熱量的徑向擴散質(zhì)量和熱量的徑向擴散固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象 徑向傳質(zhì)徑向傳質(zhì)r

8、prerDudP513多數(shù)多數(shù)10固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象 軸向：軸向： 等溫時，若用等溫時，若用N N個等體積的全混釜來描述固定床內(nèi)氣個等體積的全混釜來描述固定床內(nèi)氣體的流動狀況，則體的流動狀況，則N N等于等于5050或更大?；蚋?。 對工業(yè)固定床反應(yīng)器，大多數(shù)對工業(yè)固定床反應(yīng)器，大多數(shù)L Lr r/d/dp p值遠(yuǎn)大于值遠(yuǎn)大于5050，故可，故可采用活塞流模型表示等溫固定床內(nèi)氣體的流動狀況。采用活塞流模型表示等溫固定床內(nèi)氣體的流動狀況。 非等溫時，以非等溫時，以L Lr r/d/dp p值大于值大于150150作為準(zhǔn)則較穩(wěn)妥。作為準(zhǔn)則較穩(wěn)妥。prdLN 軸向擴散：ptddN5

9、 徑向擴散： 徑向：徑向： 若用若用N N個等體積的全混釜來描述固定床內(nèi)氣體的流動個等體積的全混釜來描述固定床內(nèi)氣體的流動狀況，則狀況，則N N不可能為不可能為1 1，即徑向濃度梯度總是存在。，即徑向濃度梯度總是存在。 減小減小dt/dpdt/dp，則徑向濃度梯度降低，但當(dāng)，則徑向濃度梯度降低，但當(dāng)dt/dp dt/dp 5 5，則床內(nèi)流動極不均勻。（壁效應(yīng)嚴(yán)重，且流體易短路）則床內(nèi)流動極不均勻。（壁效應(yīng)嚴(yán)重，且流體易短路）小結(jié)小結(jié)固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型平推流的一維模型平推流的一維模型有軸向返混的一維模型有軸向返混的一維模型有徑向混合和徑向溫差的二維模型有徑向混合和徑向溫

10、差的二維模型擬均相模型擬均相模型1.1.概述概述非均相模型非均相模型一維模型一維模型二維模型二維模型非均相：反應(yīng)屬于擴散和化學(xué)動力學(xué)共同控制時，則催化劑顆粒表面、內(nèi)部、外部濃度不均一，傳遞阻力或傳遞與動力學(xué)阻力不可忽略，應(yīng)計及催化劑的存在和計算宏觀反應(yīng)速率，稱為“非均相”模型。一般工業(yè)上的外擴散阻力可略而不計。一維模型：只考慮反應(yīng)器中沿氣流方向上的濃度梯度和溫度梯度（即傳遞和反應(yīng)效應(yīng)）。二維模型：除考慮反應(yīng)器中沿氣流方向上的濃度差和溫度差外，還考慮垂直于氣流方向上的濃度梯度和溫度梯度的反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型。)(4)(0ctrAbptTTdUHdZdTGC)(00AbAAAdZdXMGw2. 活塞流模

11、型活塞流模型32)1 (pdfGdZdp00 , , 0 , 0PPTTXZA物料衡算物料衡算熱量衡算熱量衡算動量衡算動量衡算初始條件初始條件固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型與一維擬均相不同3. 軸向擴散模型軸向擴散模型0)(0022AbAAadZdcudZcdD0)(4)(0022ctrAbptfeaTTdUHdZdTCudZTddZdTTTCueaptf)(00dZdcDCCuZAaAA)( , 0000 ,dZdTdZdcLZA固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：反應(yīng)動力學(xué)；熱力學(xué)；傳遞TrAbptHdZdTGC)(0絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)

12、器)(00AbAAAdZdXMGwptATrAACMHwdXdT)(0ALAXXAAAAbArTXTXdXFV0),(),(00ptATrAACMHwXTT0)(00ALAXXAAAAbAArTXTXdXMGwL0),(),(001.1.單段單段產(chǎn)品原料TXA平衡曲線最佳溫度線T=XA絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器2.2.多段多段NirirVVV1min,0)()()(2211ANANAAAAXXAAAXXAAAXXAAAbArTXdXTXdXTXdXFV目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)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)量最大絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式固定床反應(yīng)器2.

13、2.多段多段變量數(shù)：4N-2，減（N-1)，轉(zhuǎn)化率和溫度關(guān)系，減N=2N-1；進(jìn)口溫度及除第一段X，總數(shù)得，令： 0 ArXVNiTXTXiAiAiAiA, 3 , 2),() (,1,1,2 , 1, 0)(,AiAiXXAAAiNiTXdXT得，令： 0 irTV兩式含義：兩式含義：1. 為保證催化劑總用量最少，任何一段的出口轉(zhuǎn)化速率應(yīng)等于下一為保證催化劑總用量最少，任何一段的出口轉(zhuǎn)化速率應(yīng)等于下一段進(jìn)口的轉(zhuǎn)化速率段進(jìn)口的轉(zhuǎn)化速率2. 在規(guī)定的進(jìn)、出口轉(zhuǎn)化率下，存在一最佳的進(jìn)口溫度，使催化劑在規(guī)定的進(jìn)、出口轉(zhuǎn)化率下，存在一最佳的進(jìn)口溫度，使催化劑總用量最少總用量最少絕熱式固定床反應(yīng)器絕熱式

14、固定床反應(yīng)器2.2.多段多段換熱式固定床反應(yīng)器換熱式固定床反應(yīng)器換熱式固定床反應(yīng)器換熱式固定床反應(yīng)器)(00AbAAAdZdXMGw)()(4)(000AbptAtCAptArAACMdTTUwCMHwdXdT ALAXXAAAAbArTXTXdXFV0),(),(001. 催化劑用量催化劑用量)(4)(0ctrAbptTTdUHdZdTGCdZdXdXdTdZdTAA)(0rAbH)(4CtTTdU0dZdT熱點熱點XA最佳溫最佳溫度曲線度曲線平衡曲線平衡曲線絕熱線絕熱線2. 熱點概念熱點概念換熱式固定床反應(yīng)器換熱式固定床反應(yīng)器換熱式固定床反應(yīng)器換熱式固定床反應(yīng)器2. 熱點概念熱點概念自熱式固定床反應(yīng)器自熱式固定床反應(yīng)器流向流向單管逆流式單管逆流式單管并流式單管并流式雙管及三管逆流雙管及三管逆流式U管式管式1. 分類分類逆流并流單管逆流式單管逆流式單管并流式單管并流式逆流并流2. 設(shè)計方程設(shè)計方程自熱式固定床反應(yīng)器自熱式固定床反應(yīng)器)()()(000CCpcCptArAATTCGTTCGXHMGw反應(yīng)放熱 反應(yīng)氣升溫的熱量 原料氣升溫的熱量)()(000TTXCMHwCGCGTTAptArApcCptCC)(00TTXTTACCATTCGATTCGHXFCCpcCptr