第七章多相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析

第七章多相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析演示文稿當(dāng)前1頁，總共41頁。（優(yōu)選）第七章多相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析當(dāng)前2頁，總共41頁。7.1固定床反應(yīng)器的分類列管式固定床反應(yīng)器單段絕熱反應(yīng)器多段絕熱反應(yīng)器絕熱反應(yīng)器換熱反應(yīng)器當(dāng)前3頁，總共41頁。列管式固定床反應(yīng)器7.1固定床反應(yīng)器的分類（續(xù)1）當(dāng)前4頁，總共41頁。段內(nèi)絕熱，段間換熱7.1固定床反應(yīng)器的分類（續(xù)2）當(dāng)前5頁，總共41頁。換熱式固定床反應(yīng)器7.1固定床反應(yīng)器的分類（續(xù)3）當(dāng)前6頁，總共41頁。=顆粒間空隙體積床層體積影響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7.2固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象

7.2.1固定床內(nèi)的流體流動(dòng)當(dāng)前7頁，總共41頁。小結(jié)：真實(shí)床層徑向空隙率分布是不均勻的，在距壁面約1～2倍粒徑處，空隙率最大。－壁效應(yīng)床層直徑與顆粒直徑之比越大，空隙率分布越均勻。由于空隙率分布不均勻。造成徑向流速分布不同于空管。為了消除壁效應(yīng)，一般管徑與粒徑之比應(yīng)大于8。7.2.1固定床內(nèi)的流體流動(dòng)（續(xù)1）當(dāng)前8頁，總共41頁。壓力降計(jì)算公式u0、流動(dòng)阻力顆粒的粘滯曳力局部阻力回顧：空管中流動(dòng)阻力7.2.1固定床內(nèi)的流體流動(dòng)（續(xù)2）當(dāng)前9頁，總共41頁。2氣體0.3～1液體0.6回顧7.2.2質(zhì)量和熱量的軸向擴(kuò)散當(dāng)前10頁，總共41頁。固定床反應(yīng)器的徑向溫度分布粒內(nèi)傳熱粒子與流體間的傳熱床層與器壁的傳熱固定床的徑向傳熱熱阻大7.2.2質(zhì)量和熱量的軸向擴(kuò)散（續(xù)）當(dāng)前11頁，總共41頁。床層本身的導(dǎo)熱+床層與器壁的對(duì)流傳熱床層本身的導(dǎo)熱熱阻靠近內(nèi)壁的層流邊界層徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)er關(guān)聯(lián)式很多壁膜傳熱系數(shù)hw無滿意關(guān)聯(lián)式床層傳熱系數(shù)ht徑向傳熱包括7.2.3質(zhì)量和熱量的徑向擴(kuò)散當(dāng)前12頁，總共41頁。ht的關(guān)聯(lián)式球形顆粒圓柱形顆粒

徑向傳質(zhì)5～13多數(shù)≈107.2.3質(zhì)量和熱量的徑向擴(kuò)散（續(xù)）當(dāng)前13頁，總共41頁。軸向：等溫時(shí)，若用N個(gè)等體積的全混釜來描述固定床內(nèi)氣體的流動(dòng)狀況，則N等于50或更大。對(duì)工業(yè)固定床反應(yīng)器，大多數(shù)Lr/dp值遠(yuǎn)大于50，故可采用活塞流模型表示等溫固定床內(nèi)氣體的流動(dòng)狀況。非等溫時(shí)，以Lr/dp值大于150作為準(zhǔn)則較穩(wěn)妥。7.2.4小結(jié)當(dāng)前14頁，總共41頁。徑向：若用N個(gè)等體積的全混釜來描述固定床內(nèi)氣體的流動(dòng)狀況，則N不可能為1，即徑向濃度梯度總是存在。減小dt/dp，則徑向濃度梯度降低，但當(dāng)dt/dp＜5，則床內(nèi)流動(dòng)極不均勻。（壁效應(yīng)嚴(yán)重，且流體易短路）7.2.4小結(jié)（續(xù)）當(dāng)前15頁，總共41頁。平推流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擬均相模型非均相模型一維模型二維模型7.3固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型

7.3.1概述當(dāng)前16頁，總共41頁。物料衡算熱量衡算動(dòng)量衡算初始條件7.3.2活塞流模型當(dāng)前17頁，總共41頁。7.3.3軸向擴(kuò)散模型當(dāng)前18頁，總共41頁。7.4絕熱式固定床反應(yīng)器

7.4.1單段當(dāng)前19頁，總共41頁。產(chǎn)品原料ⅠⅡⅢTXA平衡曲線最佳溫度線T=XA7.4.2多段當(dāng)前20頁，總共41頁。目標(biāo)函數(shù)催化劑用量最少**產(chǎn)品成本最低產(chǎn)量最大7.4.2多段（續(xù)1）當(dāng)前21頁，總共41頁。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)化率應(yīng)等于下一段進(jìn)口的轉(zhuǎn)化率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，使催化劑總用量最少7.4.2多段（續(xù)2）當(dāng)前22頁，總共41頁。7.5換熱式固定床反應(yīng)器

7.5.1催化劑用量當(dāng)前23頁，總共41頁。熱點(diǎn)XA最佳溫度曲線平衡曲線絕熱線7.5.2熱點(diǎn)概念當(dāng)前24頁，總共41頁。7.5.2熱點(diǎn)概念（續(xù)1）當(dāng)前25頁，總共41頁?？赡娣艧岱磻?yīng)絕熱反應(yīng)器的最優(yōu)化（以SO2＋1/2O2=SO3為例）XT平衡線等速率線0二氧化硫氧化反應(yīng)T－X圖示意7.5.2熱點(diǎn)概念（續(xù)2）當(dāng)前26頁，總共41頁。二氧化硫氧化反應(yīng)－－氣固相催化反應(yīng)，用于硫酸生產(chǎn)，可逆，強(qiáng)放熱，絕大多數(shù)生產(chǎn)過程采用多段絕熱操作。最優(yōu)化目的：在完成一定生產(chǎn)任務(wù)的條件下，使用的催化劑最少。已知條件：第一段入口和最后一段出口轉(zhuǎn)化率；第一段入口反應(yīng)物濃度，各物性參數(shù)；段與段間采用間接冷卻?？梢愿淖兊膮?shù)：各段的入口溫度；段與段之間的轉(zhuǎn)化率。7.5.2熱點(diǎn)概念（續(xù)3）當(dāng)前27頁，總共41頁。以四段為例：催化劑用量為：（基于擬均相平推流模型）基于某一動(dòng)力學(xué)方程，適當(dāng)選取各段的入口溫度；段與段之間的轉(zhuǎn)化率共7個(gè)（N段為2N－1個(gè)）參數(shù)，使W最小。7.5.2熱點(diǎn)概念（續(xù)4）當(dāng)前28頁，總共41頁。X1in,T1inX1out,T2inX2outT3inX3outT4inX4out第一段第二段第三段第四段7.5.2熱點(diǎn)概念（續(xù)5）當(dāng)前29頁，總共41頁。XT0二氧化硫氧化反應(yīng)T－X圖示意斜線為段內(nèi)操作線，斜率為1/λ。水平線表示段間為間接冷卻，只是溫度降低，轉(zhuǎn)化率不變。在T－X圖上看：7.5.2熱點(diǎn)概念（續(xù)6）當(dāng)前30頁，總共41頁。調(diào)用最優(yōu)化程序，就可以求得W最小值？可以，但很困難。進(jìn)一步數(shù)學(xué)處理：在任意一段內(nèi)，當(dāng)Xin及Xout確定之后，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)倪M(jìn)口溫度Tin，使催化劑量最小。7.5.2熱點(diǎn)概念（續(xù)7）當(dāng)前31頁，總共41頁。在任意相鄰兩段間：7.5.2熱點(diǎn)概念（續(xù)8）當(dāng)前32頁，總共41頁。

匯總：()()()()01,,01,,01332333322222222221111121332211=??==??==??òòòdxTrrTXrTXrdxTrrTXrTXrdxTrrinXXininoutoutinXXininoutoutinXXoutinoutinoutin第三段：第二、三段之間：第二段：第一、二段之間：第一段：7.5.2熱點(diǎn)概念（續(xù)9）當(dāng)前33頁，總共41頁。7.5.2熱點(diǎn)概念（續(xù)10）()()01,,442444433344=??=òdxTrrTXrTXrinXXininoutoutoutin第四段：第三、四段之間：七個(gè)方程，七個(gè)未知數(shù)，可能是唯一解。討論：從T－X圖上看：當(dāng)前34頁，總共41頁。XT0二氧化硫氧化反應(yīng)T－X圖示意7.5.2熱點(diǎn)概念（續(xù)11）當(dāng)前35頁，總共41頁。7.5.2熱點(diǎn)概念（續(xù)12）當(dāng)前36頁，總共41頁。7.5.2熱點(diǎn)概念（續(xù)13）當(dāng)前37頁，總共41頁。7.5.2熱