1、第七章 多相催化反应器的设计与分析根据固体催化剂的状态,气固相催化反应器可分为:催化剂处于静止状态的有:固定床反应器滴流床反应器催化剂处于运动状态的有:流化床反应器移动床反应器浆态反应器本章主要介绍固定床反应器的设计,简要介绍流化床反应器7.1固定床内的传递现象（动量、热量、质量传递）7.1.1固定床内的流体流动（动量传递）表征床层结构的主要参数有:床层空隙率=f(颗粒形状、粒度分布、dp/dt、颗粒的填充方法)壁效应：在与器壁距离为12倍颗粒直径处，空隙率最大，而床层中心处空隙率较小。dt/dp越大，床层空隙率分布越均匀，通常所说的床层空隙率指平均空隙率。流体流经固定床时所产生的压力损失p由
2、于颗粒的粘滞曳力即流体与颗粒表面间的摩擦p流体流动过程中孔道截面积突然扩大和收缩，以及流体对颗粒的撞击及流体的再分布当流体流动属于层流时，前者起主要作用在高速及薄床层中流动时，起主要作用的是后者常用的固定床压力降计算公式摩擦系数当R e10，(Pea)m=2。对于液体，(Pea)m=0.31。pamad uPeD也可以用多釜串联模型来描述轴向扩散情况，模型参数N为Lr为固定床高，dp为颗粒直径。等温下，N50可认为流体流动为活塞流。工业反应器N远大于50，因此可以采用活塞流模型描述器内气体流动。rpLNd轴向热扩散若催化剂床层为非等温，需要考虑热扩散轴向热扩散的彼克列数ea为床层的轴向有效导热
3、系数。固定床的热扩散的轴向彼克列数越等于0.6。非等温情况下，以N=Lr/dp150来判断床内流体是否可以用活塞流描述较稳妥。工业反应器一般可以满足此条件。但设计实验室反应器要注意。ppahead u CPe 7.1.3径向传质和传热与流体流动方向相垂直的横截面上流体的浓度分布和温度分布是不均匀的。径向传热：对于放热反应，床外有冷却剂，因此床层中心处温度最高，床层外沿温度最低。对于吸热反应则相反。固定床径向传热的热阻构成：床层本身器壁上的层流边界层对于前者，将床层本身看成一个假想的固体，导热系数用径向导热系数er来表示对于层流边界层上的传热，可用壁膜传热系数hw来描述其热阻。径向传质：径向质扩
4、散径向质扩散彼克列数一般Re20，Per=10也可用多釜串联模型来模拟径向混合情况 lr=dp/2，dt为固定床层直径8perrd uPDtrdNl若Per=10，则若dt/dp5，径向浓度梯度很小，但流动极不均匀。另一方面，dt/dp减小后，易造成流体的短路。总之，如果Lr/dp足够大，固定床轴向返混是可以忽略的，但要改变dt/dp使径向分布均匀是困难的。如果是绝热固定床反应器，完全可以不考虑径向的传质和传热。5tpdNd7.2 固定床反应器的数学模型问题的简化：用径向平均温度和平均浓度分别代表径向温度分布和浓度分布，将二维问题转化为一维问题，不用偏微分方程，而用常微分方程。若忽略气固两相间
5、的浓度和温度差别，则为拟均相模型。流体在固定床内的流动状况与活塞流十分接近，固采用活塞流模型。G、wA0dzdXARA为以单位催化剂计算的组分A的转化速率，由于是对微元床层作恒算，所以乘以b。0为考虑内外扩散影响的有效因子。对于大多数工业多相催化反应，可只考虑内扩散，即0=取床层高度为dz的微元作组分A的物料恒算得：00()AAbAAGwdXMdZ 若不考虑轴向热扩散，对此微元体作热量恒算则有：如果流体流过床层时压力变化太大，还需要动量恒算式：如果冷却介质温度Tc不能看作常数，则还需加上冷却介质温度的轴向分布方程：04ptbArctdTUGCHTTdZd 231pfGdpdZd4ccpcctd
6、TUG CTTdZd7.3绝热式固定床反应器 按催化剂床是否与外界进行热量交换将固定床反应器分为：绝热式 换热式7.3.1绝热式固定床反应器的类型 单段适用于：反应热小、温度对收率影响小或者虽然反应热大，但由于有惰性物质或单程转化率低，因此温升较小的反应 多段（绝热反应、换热、绝热反应）适用于:放热反应间接式换热多段固定床反应器原料气冷激直接式换热非原料气冷激7.3.2固定床绝热反应器的催化剂用量对于固定床反应器，物料衡算方程由于绝热，热量方程可简化为两式相除，得0ptbArdTGCHdZ 00()AAbAAGwdXMdZ 0()ArTAAptwHdTdXM C对上式进行积分，并用平均温度、平
7、均组成下的比热容 代替Cpt。得其中，对物料衡算式进行积分，可得催化剂床层高度上式积分号中仅为XA的函数ptC0ATTX00ArTAptwHM C000()ALAXAArXAbAAAGwdXLMXTXT，000()ALAXAArXbAAAFdXVXTXT，催化剂体积为若热容变化较大，不能用 计算。ptC 7.3.3多段绝热固定床反应器只讨论间接换热式多段反应器 a.操作线 b.段数，最多56段问题：当段数N、原料组成cA0、XA1一定，要达到规定的转化率XAN，除第一段的进口转化率XA1和最后一段的出口转化率XAN外，各段进、出口转化率XAi、和温度Ti、可以有无限种分配方案。因此，需要作最佳
8、选择。通常以催化剂用量最小来优化问题。AiXiT对第i段，进出口转化率分别为XAi、，进出口温度为 Ti、，第i段催化剂体积为Vri.AiXiT催化剂总体积令则有min1NrriiVVV*0AAAAAXTXTXT，12120*.,AAANAAANXXXAAAArXXXbAAAAAAFdXdXdXVXTXTXT上式对XAi求偏导，并另其为零得即任何一段出口转化率应等于下一段进口转化率。同理，对T i求偏导并令其等于零，得上式说明对于任何一段，在规定的进出口转化率下，存在一最佳的进口温度，使该段的催化剂用量最少。*11,1,2,3.AAiiAAiiXTXTiN*0,AiAiXAXiAAdXTXT任
9、何一段，任何一处的温度与进口温度Ti成线性关系，则有1*1,0,1,2.,AAiAiAAXXAXXTdXiNT用数值法求解催化剂用量最少问题的步骤1、假定第一段出口转化率，根据式（7.30）可确定第一段的进口温度，从而由式（7.23）求第一段出口的温度，并算出第一段的出口转化速率。2、由式（7.28）求第二段出口的温度。3、由式（7.30）确定第二段出口转化率，再用式（7.23）求第二段出口温度并算出第二段出口的转化率；依此类推，直到第N段为止。如果求得的第N段出口转化率（即最终转化率）与要求不符，说明原先假定的第一段出口转化率不合适，需要重新假定，然后重复以上各步的计算，直到最终转化率符合要求时结束计算。
