1、1第第5章章气固相催化固定床反应器气固相催化固定床反应器第1页，共106页。2第一节：概述第一节：概述 一、固定床反应器一、固定床反应器 固定床反应器：凡是流体通过不动的固体物料所形成固定床反应器：凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置。的床层而进行反应的装置。相催化固定床反应器，故本章重点介绍气固反应约占催化反应器。其中，气固相上述反应都采用固定床矿物的焙烧灰氮氮气与电石反应生成石水煤气的生产气固相非催化反应烯乙烷、乙苯脱氢制苯乙石油化工：乙烯制环氧、天然气转化基本化学工业：合成氨异构化炼油工业：催化重整、气固相催化反应80%第2页，共106页。3二、催化固定床反应器的优缺点
2、二、催化固定床反应器的优缺点1.优点：优点：（1）催化剂不易磨损，可以长期使用（除）催化剂不易磨损，可以长期使用（除非失活）；非失活）；（2）高径比较大时，床层中流体流动接近）高径比较大时，床层中流体流动接近平推流；平推流；（3）停留时间可以严格控制，温度分布可）停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，有利于达到较高的转化率和选以调节，有利于达到较高的转化率和选择性。择性。第3页，共106页。42.缺点：缺点：（1）传热较差；）传热较差；（2）催化剂的更换必须停车，浪费人力、物）催化剂的更换必须停车，浪费人力、物力，要求催化剂有足够的寿命；力，要求催化剂有足够的寿命；（3）催化剂的有效系数低。
3、）催化剂的有效系数低。三、催化固定床反应器的类型三、催化固定床反应器的类型内冷管式列管式换热式冷激式中间换热式多段单段绝热式按传热方式 第4页，共106页。5固定床催化反应器的类型固定床催化反应器的类型 绝热型 换热型第5页，共106页。6第6页，共106页。7第7页，共106页。8 操作方式：操作方式：绝热、换热两种；操作方式的不同，反应绝热、换热两种；操作方式的不同，反应器的结构就不同。器的结构就不同。操作方式由反应的热效应和操作范围的宽窄及操作方式由反应的热效应和操作范围的宽窄及反应的经济效益等决定。反应的经济效益等决定。从反应器的设计、制造及操作考虑，绝热从反应器的设计、制造及操作考虑
4、，绝热型比较简单。型比较简单。从设计上讲，基本方程是一样的。从设计上讲，基本方程是一样的。还有径向反应器、滴流床反应器、移动床还有径向反应器、滴流床反应器、移动床反应器等都是固定床反应器。反应器等都是固定床反应器。第8页，共106页。9 径向反应器特点：径向反应器特点：气体气体留道短，流速低，可大留道短，流速低，可大为降低催化床层压降，为降低催化床层压降，为使用小颗粒催化剂提为使用小颗粒催化剂提供了条件。供了条件。设计的关键：设计的关键：合理设合理设计流道使各横截面上计流道使各横截面上的气体流量均等。的气体流量均等。第9页，共106页。10第10页，共106页。11四、基本设计原则四、基本设计
5、原则 1.设计条件设计条件（1）掌握反应过程的热力学数据和热容、）掌握反应过程的热力学数据和热容、粘度、导热系数及扩散系数等物性数据。粘度、导热系数及扩散系数等物性数据。（2）尽可能获得反应动力学及传递过程）尽可能获得反应动力学及传递过程的数据。的数据。A.本征动力学本征动力学 B.工业催化剂工业催化剂第11页，共106页。12 2.基本设计原则基本设计原则（1）确定催化剂用量，）确定催化剂用量，W Wmin ；（2）确定传热方式，算出床层温度分布，使）确定传热方式，算出床层温度分布，使之趋于最佳温度曲线上分布；之趋于最佳温度曲线上分布；（3）确定最佳工艺操作参数及固定床的）确定最佳工艺操作参
6、数及固定床的类型和结构。类型和结构。第12页，共106页。13五、固定床反应器的数学模型五、固定床反应器的数学模型 同时关联物料衡算、热量衡算、动力学同时关联物料衡算、热量衡算、动力学方程。方程。3.2.1非理想流动模型理想流动模型按流体流动）二维模型（轴向和径向和轴向扩散模型）一维模型（平推流模型床层温度浑然一体的均相）流体与粒子为的温度和浓度差，假设和粒子表面间拟均相模型（忽略流体的温度和浓度差）和粒子表面间非均相模型（考虑流体按动力学第13页，共106页。14 六、基本问题六、基本问题 温度、浓度分布，气相压降，转化率及温度、浓度分布，气相压降，转化率及催化剂用量催化剂用量 选择固定床反
7、应器的原则什么反应选择固定床反应器的原则什么反应需要用固定床反应器？需要用固定床反应器？气固相催化反应首选非常普遍气固相催化反应首选非常普遍 如，合成氨、硫酸、合成甲醇、环氧乙如，合成氨、硫酸、合成甲醇、环氧乙烷乙二醇、苯酐及炼油厂中的铂重整等。烷乙二醇、苯酐及炼油厂中的铂重整等。第14页，共106页。15第二节：固定床反应器内的传递特性第二节：固定床反应器内的传递特性 气体在催化剂气体在催化剂颗粒之间的孔颗粒之间的孔隙中流动，较隙中流动，较在管内流动更在管内流动更容易达到湍流。容易达到湍流。气体自上而下气体自上而下流过床层。流过床层。第15页，共106页。16一、颗粒层的若干物理特性参数一、
8、颗粒层的若干物理特性参数 1.床层密度和空隙率床层密度和空隙率（1）粒子密度）粒子密度p 包括粒内微孔在内包括粒内微孔在内的全颗粒的密度；的全颗粒的密度；（2）真密度（材料密度）真密度（材料密度）s 除去微除去微孔容积的颗粒的密度；孔容积的颗粒的密度；（3）床层密度）床层密度B：单位床层体积中单位床层体积中颗粒的质量。颗粒的质量。第16页，共106页。17 4.床层空隙率床层空隙率B：单位体积床层内的空隙：单位体积床层内的空隙体积（没有被催化剂占据的体积，不含体积（没有被催化剂占据的体积，不含催化剂颗粒内的体积）。催化剂颗粒内的体积）。若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒的床若不考虑壁效应，装填有均
9、匀颗粒的床层，其空隙率与颗粒大小无关。层，其空隙率与颗粒大小无关。颗粒密度床层堆积密度，床层体积颗粒体积床层体积空隙体积PBPBBPB111VV第17页，共106页。18 壁效应：靠近壁面处的空壁效应：靠近壁面处的空隙率比其它部位大。隙率比其它部位大。为减少壁效应的影响，要为减少壁效应的影响，要求床层直径至少要大于颗求床层直径至少要大于颗粒直径的粒直径的8倍倍以上。以上。第18页，共106页。19 2.粒径粒径 颗粒的定型尺寸最能代表颗粒性质颗粒的定型尺寸最能代表颗粒性质的尺寸为颗粒的当量直径。的尺寸为颗粒的当量直径。对于非球形颗粒，可将其折合成球形颗对于非球形颗粒，可将其折合成球形颗粒，以当
10、量直径表示。粒，以当量直径表示。（1）体积当量直径：）体积当量直径：(非球形颗粒折合非球形颗粒折合成同体积的球形颗粒应当具有的直径）成同体积的球形颗粒应当具有的直径）V31S3S6234dVdV球形体积：第19页，共106页。20（3）比表面积当量直径：）比表面积当量直径：(非球形颗粒非球形颗粒折合成相同比表面积的球形颗粒应当具折合成相同比表面积的球形颗粒应当具有的直径）有的直径）SSVS32SSV6666SVSddddVSSsss球形比表面积：（2）外表面积当量直径：）外表面积当量直径：(非球形颗粒折合成非球形颗粒折合成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）相同外表面积的球形颗粒应当具有的直
11、径）a21S2S24dSdS球形外表面积：第20页，共106页。21（4）混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子直）混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子直径的加权平均）径的加权平均）iidxd1m11;SS )5(aapsaa非球形：球形：非球形颗粒的外表面积与球形颗粒相同体积的球形颗粒的外表面积定义：形状因子2sa2a3Vsadddddd)6(VV各种当量直径的关系第21页，共106页。22VBBBBHBBBBHHHRRRRd.)1(.32)1(d.324d)1(.6d2d4)1(2d34 ,4dases2s3se故：积填充床的水力浸湿表面填充床的自由体积为水力半径其中ed.3固定床的当量
12、直径第22页，共106页。23二、床层压降二、床层压降 气体流动通过催化剂床层，将产生压降气体流动通过催化剂床层，将产生压降.1.75150f;u 1dfu 1df432u d.)1(.32f2u dfuu2u fem2m3S2m3S22mS22mem2其中截面积相同，对于填充床，假设二者式：流体在空管中的压降公RLLLLPDLPBBBBBBBBB第23页，共106页。24：床层空隙率气体密度颗粒当量直径：床层高度空塔气速：平均流速修正的雷诺数，式中：BgsmBggmsmm2m3Sem:1Re:Reu 1d1.75)150(dluudLRPBB第24页，共106页。251.75 1000Re1
13、50 101175.1Re150ddemmems2mg3BBs2mg3BBm，fRfRdufdulP 压降计算通常利用厄根（压降计算通常利用厄根（Ergun）方程：）方程：第25页，共106页。26 例例6.1 在内径为在内径为50mm的管内装有的管内装有4m高的高的催化剂层，催化剂的粒径分布如表所示。催化剂层，催化剂的粒径分布如表所示。催化剂为球体，空隙率催化剂为球体，空隙率B=0.44。在反应。在反应条件下气体的密度条件下气体的密度g=2.46kg.m-3，粘度，粘度g=2.310-5kg.m-1s-1，气体的质量流速，气体的质量流速G=6.2kg.m-2s-1。求床层的压降。求床层的压降
14、。粒径 ds/mm3.404.606.90质量分率 w0.600.250.15第26页，共106页。27 解：求颗粒的平均直径。解：求颗粒的平均直径。计算修正雷诺数。计算修正雷诺数。m1096.3mm96.390.615.060.425.040.360.0131Siidxd190644.01103.22.61096.31Re53BgSmGd第27页，共106页。28 计算床层压降。计算床层压降。Pa10898.1444.044.0146.21096.32.675.11903150175.1Re150175.1Re15053323BBgS2m3BBSg2mmLdGLdup第28页，共106页。2
15、9三、固定床中的传热三、固定床中的传热 固定床中的传热：固定床中的传热：（1）粒内传热）粒内传热（2）颗粒与流体间的传热）颗粒与流体间的传热（3）床层与器壁的传热）床层与器壁的传热 表征传热的参数：表征传热的参数：（1）颗粒本身的导热系数）颗粒本身的导热系数p（有实验测定）（有实验测定）（2）颗粒与流体间传热的给热系数）颗粒与流体间传热的给热系数hp（3）管壁处的给热系数）管壁处的给热系数hw第29页，共106页。30（4）总给热系数）总给热系数h0（固定床单纯作为换热装置（固定床单纯作为换热装置时，以床层的平均温度与管壁的温差为推动时，以床层的平均温度与管壁的温差为推动力）；力）；（5）有效
16、导热系数）有效导热系数e（在拟均相模型中，把包括（在拟均相模型中，把包括颗粒与流体的床层视为均相）颗粒与流体的床层视为均相）由于混合扩散情况的差异，需要进一步区分轴向由于混合扩散情况的差异，需要进一步区分轴向和径向的有效导热系数。如：和径向的有效导热系数。如：轴向轴向ez和径向和径向er。)(傅立叶定律lTAtQeR第30页，共106页。3132p32rt4ep0.35epeppbaph.1010R0.3023 876.21hh.1PPHHBSVCGCPSJRRJTTSQ式中：）（的求法：）（传热催化剂颗粒与流体间的第31页，共106页。32PrrPuueruCPPGCSSNNRPSN普朗克准
17、数斯坦顿准数努赛尔准数 h dh.pttpptaa41.0251.0-16100050,613.05010,904.0）（其中：BVeeeHeeHGSGRRRJRRJ第32页，共106页。33aprrapbaph)()(1()()(1(hh)2(VABABVSVSHRTHRTSTTSQ故：）（定常态时：的传热温差颗粒与流体间第33页，共106页。34颗粒孔隙率流体导热系数固体导热系数）（傅立叶定律仅限于拟均相系统有效导热系数PGGSGeeRPPPlTAtQs1sse)1()()(.2第34页，共106页。35的影响粒子间距与粒径比向传质速率之比横向传质与流动方传热的增值对径向代表流体流动混合导
18、热系数流体静止时床层的流体导热系数 )()()2(00reereeePRPR第35页，共106页。36mRmRwRmwRwwm00w)(hq)(hqhh)3(TTTTTTTTTATTA二维：一维：器壁温度靠近器壁处流体的温度床层的平均温度和数床层与器壁间的给热系第36页，共106页。37四、固定床中的传质与混合四、固定床中的传质与混合 1.粒子与流体间的传质粒子与流体间的传质DSSDkSSSRSDGkJRTkkppSkccSkNCCLALADLAGAAsAbaVGAAsAbaVLAA斯密特准数修伍德准数其中，传质因子 dh hh p31ce32第37页，共106页。3855 d 0.0016
19、d09.11500 d 55 d25.070600165S0.75-0.35 d25.0)2(-16d1000 50 0.57 50 0.05 0.84)1(s3 2ss 13.0sC 593.0sasaee0.41ee0.51eGGJGGJGJGSGRRRJRRJDBDBBDBBVDD；对于液体：对于气体：经验式：）（传质因子经验式：第38页，共106页。392.固定床中流体间的混合扩散固定床中流体间的混合扩散 当流体流经填充床时，不断发生着发散和汇当流体流经填充床时，不断发生着发散和汇合，在径向比轴向更为显著。合，在径向比轴向更为显著。混合扩散混合扩散（包括三类不同的物理现象）：（包括三类
20、不同的物理现象）：A.浓度差引起的扩散作用；浓度差引起的扩散作用；B.紊流产生的流体流动；紊流产生的流体流动；C.固体颗粒使流体改变流向产生的流动。固体颗粒使流体改变流向产生的流动。第39页，共106页。40 当流体流经填充床时，不断发生着发散和汇合，当流体流经填充床时，不断发生着发散和汇合，在径向比轴向更为显著。在径向比轴向更为显著。混合扩散混合扩散（包括三类不同的物理现象）：（包括三类不同的物理现象）：A.浓度差引起的扩散作用；浓度差引起的扩散作用；B.紊流产生的流体流动；紊流产生的流体流动；C.固体颗粒使流体改变流向产生的流动。固体颗粒使流体改变流向产生的流动。第40页，共106页。41
21、 在固定床反应器中，其粒内、外传递过程的重要性顺序：在固定床反应器中，其粒内、外传递过程的重要性顺序：传质：传质：粒内阻力粒内阻力床层内阻力床层内阻力流体与粒子间的阻力；流体与粒子间的阻力；传热：传热：床层内阻力床层内阻力流体与粒子间的阻力流体与粒子间的阻力粒内阻力。粒内阻力。在工业装置中，由于流速较高，流体与粒子间的在工业装置中，由于流速较高，流体与粒子间的温度差和浓度差，除少数快速强放热反应外，都可以温度差和浓度差，除少数快速强放热反应外，都可以忽略。忽略。研究重点：研究重点：传质：传质：粒内扩散（催化剂的有效系数粒内扩散（催化剂的有效系数）传热：传热：床层内的传热（床层中的有效导热系数床
22、层内的传热（床层中的有效导热系数e）固定床反应器的设计和放大可以采用拟均相模型处理。固定床反应器的设计和放大可以采用拟均相模型处理。第41页，共106页。42第三节：固定床催化反应器的设计模型第三节：固定床催化反应器的设计模型径向梯度二维模型粒内梯度界面梯度一维模型非均相模型径向梯度二维模型轴向返混基本模型一维模型拟均相模型设计模型21212121bbb b bb.aaa a aa.第42页，共106页。43 设计固定床反应器的要求：设计固定床反应器的要求：1生产强度尽量大生产强度尽量大 2气体通过床层阻力小气体通过床层阻力小 3床层温度分布合理床层温度分布合理 4运行可靠，检修方便运行可靠，
23、检修方便 计算包括三种情况计算包括三种情况：1设计新反应器的工艺尺寸设计新反应器的工艺尺寸 2对现有反应器，校核工艺指标对现有反应器，校核工艺指标 3对现有反应器，改进工艺指标，达到最对现有反应器，改进工艺指标，达到最大生产强度。大生产强度。第43页，共106页。44模型化模型化 对于一个过程，进行对于一个过程，进行合理的简化合理的简化，利用数学，利用数学公式进行描述，在一定的输入条件下，预公式进行描述，在一定的输入条件下，预测体系输出的变化。测体系输出的变化。对同一个体系，根据不同的简化和假定，对同一个体系，根据不同的简化和假定，可以构造不同的模型。可以构造不同的模型。不同的简化和假定，也决
24、定了模型必然含不同的简化和假定，也决定了模型必然含有一些参数，以修正模型与实际体系的差有一些参数，以修正模型与实际体系的差异。异。根据不同的简化和假定，分为几种不同层根据不同的简化和假定，分为几种不同层次的模型。次的模型。第44页，共106页。45 对于固定床反应器，一般有以下模型：对于固定床反应器，一般有以下模型：一维拟均相平推流模型一维拟均相平推流模型 一维拟均相带有轴向返混的模型一维拟均相带有轴向返混的模型 二维拟均相模型二维拟均相模型 二维非均相模型二维非均相模型 二维非均相带有颗粒内梯度的模型二维非均相带有颗粒内梯度的模型 第45页，共106页。46 一维：参数只随轴向位置而变。一维
25、：参数只随轴向位置而变。二维：参数随轴向和径向位置而变。二维：参数随轴向和径向位置而变。拟均相：流相和固相结合，视为同一相。拟均相：流相和固相结合，视为同一相。非均相：流相和固相分别考虑。非均相：流相和固相分别考虑。平推流：不考虑轴向返混。平推流：不考虑轴向返混。带有轴向返混的模型：在平推流模型的带有轴向返混的模型：在平推流模型的基础上叠加了轴向返混。基础上叠加了轴向返混。第46页，共106页。47一、拟均相一维平推流模型一、拟均相一维平推流模型（1）物料衡算）物料衡算 在管式反应器中垂直于流动在管式反应器中垂直于流动方向取一个微元，以这个微方向取一个微元，以这个微元对元对A组份组份做物料衡算
26、：做物料衡算：dv输入 输出=反应 积累FA FA+dFA (-RA)(1-B)Aidl 0第47页，共106页。48 整理得：整理得：对照平推流反应器模型对照平推流反应器模型 二者相同二者相同出：催化剂堆密度或者以催化剂质量计：以催化剂体积计A0A0A00A00BAAB0A0BAAAA00BAAdddddd1ddxBALRxculculRxcuRlxRcuRlx出A0AA0A0RdxrxcVV第48页，共106页。49（2）热量衡算：（仍然是那块体积）热量衡算：（仍然是那块体积）输入热量输出热量输入热量输出热量+反应热效应反应热效应=与外界的热交换与外界的热交换+积累积累输入：输入：G cp
27、 T G质量流量质量流量,cp恒压热容恒压热容输出：输出：G cp(T+dT)反应热效应反应热效应：(-RA)(1-B)(-H)Aidl热交换：热交换：U(T-Tr)ndidl di反应器直径反应器直径积累：积累：0U:气流与冷却介质之间的换热系数气流与冷却介质之间的换热系数Tr：环境温度环境温度第49页，共106页。50 将各式代入，得将各式代入，得（3）动量衡算：仍然是）动量衡算：仍然是Ergun方程方程gprBA41dducTTdnUHRlTi s2mg3BBm175.1Re150dddulp）（：动力学方程ASACRfk)4(V第50页，共106页。51 将三个方程联立：将三个方程联立
28、：边界条件：边界条件：L=0,p=p0,xA=xA0,T=T0gprBA41dducTTdnUHRlTi0A0BAA1ddcuRlx s2mg3BBm175.1Re150dddulp第51页，共106页。52需要注意的问题需要注意的问题 1 从解题的角度看，一般壁温恒定，实际从解题的角度看，一般壁温恒定，实际情况并非如此。情况并非如此。2 对于低压系统，压降十分重要。对于低压系统，压降十分重要。3 U不是物性参数，需实验确定。不是物性参数，需实验确定。4 注意注意u0,u,um 的关系。的关系。5 如果多根管子并联，体系将自动调节各管如果多根管子并联，体系将自动调节各管的流量，使压降相同，此时
29、各管的处理量的流量，使压降相同，此时各管的处理量不同，转化率不同，造成生产能力和产品不同，转化率不同，造成生产能力和产品质量下降。质量下降。第52页，共106页。53典型模拟结果典型模拟结果第53页，共106页。54 两种特殊情况：两种特殊情况：(1)等温：反应热效应不大，管径较小，等温：反应热效应不大，管径较小，传热很好时，可近似按等温计算。传热很好时，可近似按等温计算。等温时，等温时，）（ASACRcuRlxlTdulpfk1dd0dd175.1Re150ddV0A0BAAs2mg3BBm 第54页，共106页。55）（故方程的解：ASAAAACRTTRcuLduPPTTXXPPLCBAf
30、kdx1175.1Re150,0.V0 x0AB0A0s2mg3BBm00,00 第55页，共106页。56(2)绝热：绝热：若绝热，则若绝热，则T=Tr，或者认为或者认为QS=0。s2mg3BBm175.1Re150dddulpgpBA1dducHRlT0A0BAA1ddcuRlx）（ASACRfkV第56页，共106页。57 A.单段绝热床反应器单段绝热床反应器 此时，将物料衡算式与热量衡算式合并，可得：此时，将物料衡算式与热量衡算式合并，可得：绝热温升，：绝热温升，T2T1=(xA2xA1)当当xA2xA11时，则时，则=T2T1。即在绝热反应中，当组分即在绝热反应中，当组分A完全反应时
31、反应混合物完全反应时反应混合物温度上升的数值。温度上升的数值。-温度可能上升或下降的极温度可能上升或下降的极限。限。吸热反应：绝热温降吸热反应：绝热温降放热反应：绝热温升放热反应：绝热温升p0Agp0A0ddmcHFAAuccuHxTriirA第57页，共106页。58 由此可见，对于给定的反应系统，绝热由此可见，对于给定的反应系统，绝热温升温升决定于反应物组成的含量决定于反应物组成的含量 和热效应和热效应 的的 大小。大小。对于反应热效应较大时，其对于反应热效应较大时，其绝热温升绝热温升可达可达数百数百K,若不采取措施往往会使反应终了的温度若不采取措施往往会使反应终了的温度超过催化剂所能承受
32、的温度范围。超过催化剂所能承受的温度范围。为此，有时采用降低进口初始浓度的办法来为此，有时采用降低进口初始浓度的办法来调节反应器的出口浓度或在每段床层之间进调节反应器的出口浓度或在每段床层之间进行换热的多段绝热固定床反应器来完成预定行换热的多段绝热固定床反应器来完成预定任务。任务。0AFrH第58页，共106页。59AA0AAA0APA0AP0A0TBTAA0A0B0A0BAAdddddd1dd11ddRxFWRxFVRFVcuAlARxlcucuRlx质量为基准，则：如果动力学方程以颗粒准，则：学方程以颗粒体积为基力中的基准对应，如果动要求与反应动力学方程积：左端上下同乘床层截面变形：第59
33、页，共106页。60B.多段绝热床反应器多段绝热床反应器 中间间接换热式中间间接换热式 中间原料冷激式中间原料冷激式 中间非原料冷激式中间非原料冷激式 对于多段（或多台串联）的绝热固定床，对于多段（或多台串联）的绝热固定床，每一段的计算方法，原则上与每一段的计算方法，原则上与A中介绍的中介绍的方法一样，只是每一层的进料状态有变方法一样，只是每一层的进料状态有变化。化。第60页，共106页。61第61页，共106页。62abcdefg平衡线理想温度线x(或或c)t/abcdefghh原料气原料气冷剂冷剂冷剂冷剂冷剂冷剂 中间间接换热式第62页，共106页。63abcdefg平衡线理想温度线x(或
34、或c)t/abcdefghh原料气原料气冷激气冷激气 中间原料冷激式第63页，共106页。64 由图可以看出，多段绝热固定床反应器，由图可以看出，多段绝热固定床反应器，采用的段数越多，反应越接近于最佳温采用的段数越多，反应越接近于最佳温度下进行，最终的转化率越高，但段数度下进行，最终的转化率越高，但段数越多，造成设备复杂，操作不便，一般越多，造成设备复杂，操作不便，一般最多采用最多采用6-7段，其中段，其中3-4段常用。段常用。第64页，共106页。65C.可逆放热反应绝热反应器的最优化可逆放热反应绝热反应器的最优化（以（以SO21/2O2=SO3为例）为例）xT平衡线等速率线0二氧化硫氧化反
35、应Tx图示意第65页，共106页。66 二氧化硫氧化反应气固相催化反应，二氧化硫氧化反应气固相催化反应，用于硫酸生产，可逆，强放热，绝大多数用于硫酸生产，可逆，强放热，绝大多数生产过程采用多段绝热操作。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，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。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；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。段与段间采用间接冷却。可以改变的参数：各段的入口温度；段与可以改变的参数：各段的入
36、口温度；段与段之间的转化率。段之间的转化率。第66页，共106页。67以四段为例：以四段为例：催化剂用量为：（基于拟均相平推流模型）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口温度；段与段之间的转化率共7个（个（N段段为为2N1个）个）参数，使参数，使W最小。最小。4outin4out3in3out2in21outin1,d,d,d,d43210AxxxxxxxxTxrxTxrxTxrxTxrxFW第67页，共106页。68x1in,T1inx1out,T2inx2outT3inx3outT4inx
37、4out第一段第二段第三段第四段第68页，共106页。69xT0二氧化硫氧化反应Tx图示意斜线为段内操作线，斜率为斜线为段内操作线，斜率为1/。水平线表示段间为间接冷却，只是温度降低，水平线表示段间为间接冷却，只是温度降低，转化率不变。转化率不变。在Tx图上看：第69页，共106页。70 调用最优化程序，就可以求得调用最优化程序，就可以求得W最小值？最小值？可以，但很困难。可以，但很困难。进一步数学处理：进一步数学处理：在任意一段内，当在任意一段内，当xin及及xout确定之后，应选确定之后，应选取适当的进口温度取适当的进口温度Tin，使催化剂量最小。使催化剂量最小。0d,1,din2in0A
38、outinoutinouinxTTxrrTxrdxTTxrxFWxxxxxxt第70页，共106页。71 在任意相邻两段间：速率。等于前一段的出口反应后一段的入口反应速率少，无论中间转化率是多即：变上限定积分的偏微分。使两段催化剂之和最小选取中间转化率TxrTxrTxrTxrTxrxTxrxxxxTxrxTxrxFWFWiiiiiiiixxixxiiiixxixxiiiiiiiiiii,0,1,10,d,d,d,din11outin11out1outin1out1A01A0out1in1outinout1in1outin第71页，共106页。72 汇总：01,01,01,01442444433
39、333233332222222222111112144332211dxTrrTxrTxrdxTrrTxrTxrdxTrrTxrTxrdxTrrinxxininoutoutinxxininoutoutinxxininoutoutinxxoutinoutinoutinoutin第四段：第三、四段之间：第三段：第二、三段之间：第二段：第一、二段之间：第一段：第72页，共106页。73 七个方程，七个未知数，可能是唯一解。七个方程，七个未知数，可能是唯一解。讨论：从讨论：从Tx图上看：图上看：xT0二氧化硫氧化反应Tx图示意最佳温度曲线第73页，共106页。74 例例6-3 (1)任务书任务书 在管式
40、反应器中进行的邻二在管式反应器中进行的邻二甲苯催化氧化制邻苯二甲酸酐是强放热反应甲苯催化氧化制邻苯二甲酸酐是强放热反应过程，催化剂为过程，催化剂为V2O5，以有催化作用的硅胶，以有催化作用的硅胶为载体。为载体。活性温度范围：活性温度范围：610700K 粒径：粒径：dP=3mm 堆积密度：堆积密度：B=1300kg.m-3 催化剂有效因子：催化剂有效因子：=0.67 催化剂比活性：催化剂比活性：LR=0.92 反应器管长：反应器管长：L=3m第74页，共106页。75 管内径：管内径：dt=25mm 管数：管数：n=2500根根 由邻苯二甲酸酐产量推算，原料气体混由邻苯二甲酸酐产量推算，原料气
41、体混合物单管入口质量流速合物单管入口质量流速:G=9200kg.m-2h-1。烃在进入反应器之前蒸发，并与空气混烃在进入反应器之前蒸发，并与空气混合。为保持在爆炸极限以外，控制邻二合。为保持在爆炸极限以外，控制邻二甲苯的摩尔分数低于甲苯的摩尔分数低于1。操作压力接近。操作压力接近常压：常压：p=1267kPa。第75页，共106页。76 原料气中原料气中 邻二甲苯的初摩尔分数：邻二甲苯的初摩尔分数：yA0=0.9 空气的初摩尔分数：空气的初摩尔分数：yB0=99.1 混合气平均相对分子质量：混合气平均相对分子质量：M=30.14kg.kmol-1 混合气平均热容：混合气平均热容：cP=1.07
42、1kJ.kg-1K-1 混合气入口温度：混合气入口温度：640-650K第76页，共106页。77 化学反应式：化学反应式：宏观反应动力学：宏观反应动力学：SPBAO3HOCHC3OCHHC2324622346TkpkpLR13636837.19exphkgkmol11BARA第77页，共106页。78(2)设计要求设计要求 按一维拟均相理想流模型分按一维拟均相理想流模型分别测算在绝热式反应器和换热式反应器中别测算在绝热式反应器和换热式反应器中的转化率分布、温度分布，并绘制的转化率分布、温度分布，并绘制L-xA-T分布曲线。分布曲线。在换热条件下，反应器管间用熔盐循环冷在换热条件下，反应器管间
43、用熔盐循环冷却，并将热量传递给外部锅炉。管间热载却，并将热量传递给外部锅炉。管间热载体熔盐温度范围体熔盐温度范围630650K。床层对流给热系数床层对流给热系数hW=561kJ.m-2h-1K-1 颗粒的有效导热系数颗粒的有效导热系数S=2.80kJ.m-1h-1K-1第78页，共106页。79 总括给热系数总括给热系数 一方面可以进行反应器设计的优化（多一方面可以进行反应器设计的优化（多方案比较）；另一方面可以进行反应器方案比较）；另一方面可以进行反应器参数的灵敏性分析，即通过改变如下参参数的灵敏性分析，即通过改变如下参数，考虑测算结果的变化。数，考虑测算结果的变化。112tWSWKhmkJ
44、88dhhUS第79页，共106页。80催化剂有效因子 总括给热系数 U 催化剂比活性 LR 管间冷载体熔盐温度 TS 进料组成（原料气中 邻二甲苯的初摩尔分数）yA0 操作压力 p 管内径 dt 管数 n 混合气入口温度 T0 原料气体混合物单管入 口质量流速 G 第80页，共106页。81 (3)计算方法计算方法 设定入口温度等于管壁温度，调用数值设定入口温度等于管壁温度，调用数值积分程序同时对以下两式进行数值积分。积分程序同时对以下两式进行数值积分。0A0mBAA1ddcuRlxWt0BAPBm411ddTTdhnRHculT第81页，共106页。82(4)计算结果计算结果 根据计算结果
45、绘制根据计算结果绘制xA-l，T-l曲线，如图。曲线，如图。按照设计要求改变诸参数看其影响。按照设计要求改变诸参数看其影响。第82页，共106页。83二、拟均相一维非理想流动模型二、拟均相一维非理想流动模型 非理想模型，当平推流模型描述不够满意非理想模型，当平推流模型描述不够满意时采用。时采用。修正轴向热量、质量返混带来的与平推流模修正轴向热量、质量返混带来的与平推流模型的偏离。型的偏离。物理模型：物理模型：在拟均相平推流模型上迭加一个轴向返混，与在拟均相平推流模型上迭加一个轴向返混，与 非理想流动非理想流动中介绍的返混模型相同，但中介绍的返混模型相同，但增加热扩散的考虑。增加热扩散的考虑。第
46、83页，共106页。84（1）物料衡算：）物料衡算：稳态，在稳态，在dVR体积中对体积中对A组份做物料衡算：组份做物料衡算：输入输入 输出输出 反应反应 输入输出反应输入输出反应LdlcA0,FA0,xA0=0,V0cA,FA,xA,VFA,xAFA+dFA,xA+dxAdVRlARcuAFAllcclEFFAlcEFiiiid1dd ddddddddBAAAAAZAAAZA第84页，共106页。85 将以上三式合并，得：将以上三式合并，得：式中，式中，EZ为轴向有效扩散系数。为轴向有效扩散系数。（2）热量衡算：）热量衡算：在同样条件下，对在同样条件下，对dVR做热量衡算：做热量衡算：01dd
47、ddAA2A2ZBRlculcElTATTcAullTTlATcAuiiiiddddddddepgepg输出：输入：第85页，共106页。86 反应：反应：散热：散热：输入放热输出散热输入放热输出散热 整理得：整理得：e为轴向有效导热系数为轴向有效导热系数lTThdlAHRiidd1r0BA041ddddrBAp22eTTdnhHRlTculTiog第86页，共106页。87 边值条件：边值条件：二阶常微分方程组，两点边值问题。二阶常微分方程组，两点边值问题。可调用程序求解可调用程序求解0dd0dddddd0AZ0pg0AZAA00lTlcLllTTTculcEccul第87页，共106页。8
48、8讨论：1 轴向扩散的引入，可以导致温度、浓度分轴向扩散的引入，可以导致温度、浓度分布趋于平缓。布趋于平缓。2 许多不确定因素可以归结到轴向扩散中。许多不确定因素可以归结到轴向扩散中。3 轴向扩散可能会造成多重态。轴向扩散可能会造成多重态。4 轴向扩散系数与轴向导热系数有一定的函轴向扩散系数与轴向导热系数有一定的函数关系。数关系。5 经验证明，当床层厚度大于经验证明，当床层厚度大于50倍颗粒直倍颗粒直径时，轴向热质扩散（轴向返混）对出口转径时，轴向热质扩散（轴向返混）对出口转化率所造成的影响可以忽略不计。化率所造成的影响可以忽略不计。第88页，共106页。89 6 轴向扩散系数和轴向导热系数都
49、不是物性轴向扩散系数和轴向导热系数都不是物性参数。其中都包含了流体和固体颗粒双重参数。其中都包含了流体和固体颗粒双重的贡献。的贡献。7 轴向扩散系数和轴向导热系数需通过实验轴向扩散系数和轴向导热系数需通过实验求取或参考文献值及通过经验公式求取。求取或参考文献值及通过经验公式求取。第89页，共106页。90三、二维拟均相模型三、二维拟均相模型 二维：轴向和径向二维：轴向和径向 对于径向存在较大的温度差、浓度差的反应对于径向存在较大的温度差、浓度差的反应器，一维模型有时不能满足要求，需要考虑器，一维模型有时不能满足要求，需要考虑径向的温度浓度分布。径向的温度浓度分布。与一维模型相比，考虑的因素更多
50、，得到的与一维模型相比，考虑的因素更多，得到的结果更复杂，各有优缺点。结果更复杂，各有优缺点。第90页，共106页。91前面介绍的拟均相一维模型其基本假定是在前面介绍的拟均相一维模型其基本假定是在床层径向方向上无浓度、温度梯度存在。床层径向方向上无浓度、温度梯度存在。实际上若管径较大，反应热也较大，径向温度实际上若管径较大，反应热也较大，径向温度往往是相当可观的。在设计中应同时考虑往往是相当可观的。在设计中应同时考虑轴向轴向和径向的浓度和温度分布和径向的浓度和温度分布。如：在直径为如：在直径为50mm的管式反应器内进行的管式反应器内进行SO2氧化反应（放热反应），管外用加套冷却，使氧化反应（放
