化學(xué)反應(yīng)工程-第六章-固定床反應(yīng)器

第六章

固定床反應(yīng)器

概述固定床中的傳遞過程絕熱床反應(yīng)器6.1概述

固定床反應(yīng)器的定義

固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)

固定床反應(yīng)器的型式

固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型

固定床反應(yīng)器的定義

凡是流體通過不動(dòng)的固體物料所形成的床層，而進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器型式尤以用氣態(tài)的反應(yīng)物料通過由固體催化劑所構(gòu)成的床層進(jìn)行反應(yīng)的氣-固相催化反應(yīng)器占最主要地位

固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)

催化劑顆粒不易磨損

床層內(nèi)流體的流動(dòng)接近于平推流可用較少量的催化劑和較少的反應(yīng)器容積來獲得較大的生產(chǎn)能力

停留時(shí)間可嚴(yán)格控制，溫度分布可適當(dāng)調(diào)整有利于達(dá)到高的選擇性和轉(zhuǎn)化率

固定床中傳熱較差對(duì)強(qiáng)放熱反應(yīng)，傳熱與控溫成為難點(diǎn)和關(guān)鍵所在

催化劑更換必須停產(chǎn)進(jìn)行催化劑必須有足夠長(zhǎng)的壽命

固定床反應(yīng)器的型式

絕熱床反應(yīng)器

單層：

多層：層間換熱：

間接換熱（教材p185圖6-1-2a，b，c）

直接冷激（教材p185圖6-1-2d，e）

換熱式反應(yīng)器：列管式：管內(nèi)放催化劑，管間走載熱體(高壓水或高壓蒸汽)管間走載熱體，管內(nèi)放催化劑

自熱式反應(yīng)器：

合成氨、合成甲醇

雙套管式、三套管式

流體流向：軸向、徑向

固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型擬均相數(shù)學(xué)模型：忽略床層中顆粒與流體之間溫度和濃度的差別

平推流的一維模型

軸向返混的一維模型

同時(shí)考慮徑向混合和徑向溫差的二維模型

非均相模型：6.2固定床中的傳遞過程

顆粒層的若干物理特性參數(shù)

床層壓降

固定床反應(yīng)器中的傳熱

固定床中的傳質(zhì)與混合

一、顆粒層的若干物理特性參數(shù)密度顆粒密度ρp包括粒內(nèi)微孔在內(nèi)的全顆粒密度；固體真密度ρs除去微孔容積的顆粒密度；床層密度/堆積密度ρB單位床層容積中顆粒的質(zhì)量（包括了微孔和顆粒間的空隙）；一、顆粒層的若干物理特性參數(shù)粒徑

體積相當(dāng)直徑：相同體積的球形粒子的直徑；

面積相當(dāng)直徑：相同外表面積的球形粒子直徑；比表面積相當(dāng)直徑：相同比表面積的球形粒子直徑；

一、顆粒層的若干物理特性參數(shù)顆粒形狀系數(shù)

對(duì)非球形粒子，（同體積球形粒子的外表面積），因此定義顆粒形狀系數(shù)（球形系數(shù)）：粒徑的測(cè)定：篩分法

二、床層壓降

um：空床平均流速

當(dāng)Rem<10，第二項(xiàng)可忽略；

當(dāng)Rem>1000，第一項(xiàng)可忽略。

一般而言，若床內(nèi)操作壓力為P，則床層阻力降ΔP<15%P。

三、固定床反應(yīng)器中的傳熱

三個(gè)方面

粒內(nèi)傳熱；

顆粒與流體之間的傳熱；

床層與器壁之間的傳熱。

顆粒與流體間的給熱系數(shù)hp

關(guān)聯(lián)式1：傳熱JH因子該式適用范圍：

顆粒與流體間的給熱系數(shù)hp關(guān)聯(lián)式2式中，固定床的有效導(dǎo)熱系數(shù)λe

是粒子與流體間對(duì)流傳熱、粒子與流體本身的導(dǎo)熱、床層內(nèi)輻射傳熱的綜合表現(xiàn)。

床層與器壁間的給熱系數(shù)hw和h0

四、固定床中的傳質(zhì)與混合

顆粒與流體間的傳質(zhì)：

固定床中流體的混合擴(kuò)散：

6.3絕熱床反應(yīng)器

基本處理方法

平衡溫度與最優(yōu)溫度分布

單層絕熱床的計(jì)算

多層絕熱床的計(jì)算

多層床的最優(yōu)化問題一、基本處理方法

一般可作平推流處理；

床層與器壁間無傳熱；（絕熱）

只考慮在軸向上的溫度、濃度變化；徑向上無溫度、濃度變化；

(一維)固體與流體間無溫度、濃度變化，即看作均一相。(擬均相)——擬均相一維平推流模型

二、平衡溫度與最優(yōu)溫度分布

不可逆或可逆的吸熱反應(yīng)溫度升高，反應(yīng)速率增加最高允許操作溫度取決于催化劑、設(shè)備材質(zhì)性能等因素

可逆放熱反應(yīng)正、逆反應(yīng)速率均隨溫度的升高而增加，其凈反應(yīng)速率將出現(xiàn)一極大值溫度的進(jìn)一步升高，將最終使得正、逆反應(yīng)速率相等而達(dá)到化學(xué)平衡

二、平衡溫度與最優(yōu)溫度分布以為例：正反應(yīng)速率：逆反應(yīng)速率：達(dá)到平衡時(shí)：r=r1-r2=0，同時(shí)，(-ΔH)=E2-E1

二、平衡溫度與最優(yōu)溫度分布最優(yōu)溫度Topt下，r

→max：

Teq、Topt的關(guān)系：且Teq、Topt的變化趨勢(shì)相同

根據(jù)最優(yōu)操作溫度線，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，轉(zhuǎn)化率增加，相應(yīng)的應(yīng)該降低反應(yīng)溫度三、單層絕熱床的計(jì)算

若以A組分為著眼組分，則有：

物料衡算式當(dāng)為等溫操作時(shí)，有：用于求解等溫操作的固定床反應(yīng)器所需的催化劑床高及用量

dWdxA能量衡算式

積分得：絕熱床中,T與xA

成線性關(guān)系

12xAT121/(-rA)xA12W/FA0四、多層絕熱床的計(jì)算

兩層絕熱，層間間接冷卻的情形

兩層絕熱，層間直接冷激的情形

兩層絕熱，層間間接冷卻xAT123456123456加熱冷卻冷卻反應(yīng)反應(yīng)兩層絕熱，層間直接冷激1xAT23456123456多層床的最優(yōu)化問題在一定數(shù)目的床層內(nèi)，對(duì)于一定的進(jìn)料和最終轉(zhuǎn)化率，要選定各段的進(jìn)出口溫度和轉(zhuǎn)化率以求總的催化劑用量為最少以中間間接冷卻的多段絕熱床反應(yīng)器為例說明多層床的最優(yōu)化問題對(duì)第i段對(duì)整個(gè)床層多層床的最優(yōu)化問題優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)也即多層床的最優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟根據(jù)進(jìn)口條件，在圖上確定一段催化劑床層進(jìn)口點(diǎn)根據(jù)絕熱操作線方程，作出操作線以最優(yōu)化溫度條件確定一段出口終點(diǎn)以最優(yōu)化轉(zhuǎn)化率條件確定下一段進(jìn)口條件