1、1第六章气固相催化固定床反应器2 基本问题 温度、浓度分布，气相压降，转化率及催化剂用量 选择固定床反应器的原则什么反应需要用固定床反应器？气固相催化反应首选非常普遍 如，合成氨、硫酸、合成甲醇、环氧乙烷乙二醇、苯酐及炼油厂中的铂重整等。3流体在固定床反应器内的传递特性 气体在催化剂颗粒之间的孔隙中流动，较在管内流动更容易达到湍流。气体自上而下流过床层。4 床层空隙率B：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PBPBBPB111VV5 壁效应
2、：靠近壁面处的空隙率比其它部位大。为减少壁效应的影响，要求床层直径至少要大于颗粒直径的8倍以上。6 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。对于非球形颗粒，可将其折合成球形颗粒，以当量直径表示。方法有三，体积、外表面积、比表面积。体积：(非球形颗粒折合成同体积的球形颗粒应当具有的直径）外表面积：(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）V31S3S66dVdV球形体积：a21S2SdSdS球形外表面积：7 比表面积：(非球形颗粒折合成相同比表面积的球形颗粒应当具有的直径）混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子直径的加权平均）SSVS32SSV6666SVSddddV
3、SS球形比表面积：iidxd1m8 气体流动通过催化剂床层，将产生压降。压降计算通常利用厄根（Ergun）方程：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：BgsmBggmsmms2mg3BBm:1Re:Re175.1Re150dddluuddulP 9 可用来计算床层压力分布。如果压降不大，在床层各处物性变化不大，可视为常数，压降将呈线性分布（大多数情况）。10 例6.1 在内径为50mm的管内装有4m高的催化剂层，催化剂的粒径分布如表所示。催化剂为球体，空隙率B=0.44。在反应条件下气体的密度g=2.46kg.m-3，粘度g=2.310-5kg.m-1s
4、-1，气体的质量流速G=6.2kg.m-2s-1。求床层的压降。粒径 ds/mm3.404.606.90质量分率 w0.600.250.1511 解：求颗粒的平均直径。计算修正雷诺数。m1096.3mm96.390.615.060.425.040.360.0131Siidxd190644.01103.22.61096.31Re53BgSmGd12 计算床层压降。Pa10898.1444.044.0146.21096.32.675.11903150175.1Re150175.1Re15053323BBgS2m3BBSg2mmLdGLdup13固定床催化反应器的设计 绝热型 换热型141516 操
5、作方式：绝热、换热两种；操作方式的不同，反应器的结构就不同。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，绝热型比较简单。从设计上讲，基本方程是一样的。17 设计固定床反应器的要求：1生产强度尽量大 2气体通过床层阻力小 3床层温度分布合理 4运行可靠，检修方便 计算包括三种情况：1设计新反应器的工艺尺寸 2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，达到最大生产强度。18模型化 对于一个过程，进行合理的简化，利用数学公式进行描述，在一定的输入条件下，预测体系输出的变化。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。不同的
6、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异。根据不同的简化和假定，分为几种不同层次的模型。19 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 一维拟均相带有轴向返混的模型 二维拟均相模型 二维非均相模型 二维非均相带有颗粒内梯度的模型 20 一维：参数只随轴向位置而变。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。非均相：流相和固相分别考虑。平推流：不考虑轴向返混。带有轴向返混的模型：在平推流模型的基础上叠加了轴向返混。21一维拟均相平推流模型 质量衡算 在管式反应器中垂直于流动方向取一个微元，以这个微元对A组份做物料衡算：dv输入 输
7、出=反应 积累FA FA+dFA (-RA)(1-B)Aidl 022 整理得：对照平推流反应器模型 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A0AA0A0RdxrxcVV23 热量衡算：（仍然是那块体积）输入热量输出热量+反应热效应=与外界的热交换+积累输入：G cp T G质量流量,cp恒压热容输出：G cp(T+dT)反应热效应：(-RA)(1-B)(-H)Aidl热交换：U(T-Tr)didl di反应器直径积累：0U:气流与冷却介质之间的换热系
8、数Tr：环境温度24 将各式代入，得 动量衡算：仍然是Ergun方程gprBA41dducTTdUHRlTi s2mg3BBm175.1Re150dddulp25 将三个方程联立：边界条件：L=0,p=p0,xA=xA0,T=T0gprBA41dducTTdUHRlTi0A0BAA1ddcuRlx s2mg3BBm175.1Re150dddulp26需要注意的问题 1 从解题的角度看，一般壁温恒定，实际情况并非如此。2 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。4 注意u0,u,um 的关系。5 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，此时各管的处理量不同，转
9、化率不同，造成生产能力和产品质量下降。27典型模拟结果28 两种特殊情况：1 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。等温时，。为常数，计算大大简化常数中，反应速率的同时：kRcuRlxucTTdUHRlTiA0A0BAAgprBA1dd041dd29 2绝热：若绝热，则T=Tr，或者认为U=0。此时，将物料衡算式与热量衡算式合并，可得：绝热温升，如果在一定范围内视物性为常数，将不随x及T变化。则：TT0=(xx0)温度与转化率形成一一对应关系，中，温度可以由T=T0+(xx0)代替。p0Agp0A0ddmcHFAAuccuHxTiiA00BAA1ddcuRlx30AA0
10、AAA0APA0AP0A0TBTAA0A0B0A0BAAdddddd1dd11ddRxFWRxFVRFVcuAlARxlcucuRlx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：31可逆放热反应绝热反应器的最优化（以SO21/2O2=SO3为例）xT平衡线等速率线0二氧化硫氧化反应Tx图示意32 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，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率；第一段入口反应物
11、浓度，各物性参数；段与段间采用间接冷却。可以改变的参数：各段的入口温度；段与段之间的转化率。33以四段为例：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，适当选取各段的入口温度；段与段之间的转化率共7个（N段为2N1个）参数，使W最小。4outin4out3in3out2in21outin1,d,d,d,d43210AxxxxxxxxTxrxTxrxTxrxTxrxFW34x1in,T1inx1out,T2inx2outT3inx3outT4inx4out第一段第二段第三段第四段35xT0二氧化硫氧化反应Tx图示意斜线为段内操作线，斜率为1/。水平线表示段间为间接冷却，只是温度降低
12、，转化率不变。在Tx图上看：36 调用最优化程序，就可以求得W最小值？可以，但很困难。进一步数学处理：在任意一段内，当xin及xout确定之后，应选取适当的进口温度Tin，使催化剂量最小。0d,1,din2in0AoutinoutinouinxTTxrrTxrdxTTxrxFWxxxxxxt37 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,
13、d,d,din11outin11out1outin1out1A01A0out1in1outinout1in1outin38 汇总：01,01,01,01442444433333233332222222222111112144332211dxTrrTxrTxrdxTrrTxrTxrdxTrrTxrTxrdxTrrinxxininoutoutinxxininoutoutinxxininoutoutinxxoutinoutinoutinoutin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：39 七个方程，七个未知数，可能是唯一解。讨论：从Tx图上看：xT0二氧化硫
14、氧化反应Tx图示意40 例6-3 (1)任务书 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过程，催化剂为V2O5，以有催化作用的硅胶为载体。活性温度范围：610700K 粒径：dP=3mm 堆积密度：B=1300kg.m-3 催化剂有效因子：=0.67 催化剂比活性：LR=0.92 反应器管长：L=3m41 管内径：dt=25mm 管数：n=2500根 由邻苯二甲酸酐产量推算，原料气体混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，并与空气混合。为保持在爆炸极限以外，控制邻二甲苯的摩尔分数低于1。操作压力接近常压：p=1267kPa。42 原
15、料气中 邻二甲苯的初摩尔分数：yA0=0.9 空气的初摩尔分数：yB0=99.1 混合气平均相对分子质量：M=30.14kg.kmol-1 混合气平均热容：cP=1.071kJ.kg-1K-1 混合气入口温度：640-650K43 化学反应式：宏观反应动力学：SPBAO3HOCHC3OCHHC2324622346TkpkpLR13636837.19exphkgkmol11BARA44(2)设计要求 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的转化率分布、温度分布，并绘制L-xA-T分布曲线。在换热条件下，反应器管间用熔盐循环冷却，并将热量传递给外部锅炉。管间热载体熔盐温度范围
16、630650K。床层对流给热系数hW=561kJ.m-2h-1K-1 颗粒的有效导热系数S=2.80kJ.m-1h-1K-145 总括给热系数 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。112tWSWKhmkJ88dhhUS46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 47 (3)计算方法 设定入口温度等于管壁温度，调用数值积分
17、程序同时对以下两式进行数值积分。0A0mBAA1ddcuRlxWt0BAPBm411ddTTdhRHculT48(4)计算结果 根据计算结果绘制xA-l，T-l曲线，如图。按照设计要求改变诸参数看其影响。49固定床反应器模型评述 一、带有轴向返混的一维模型 非理想模型，当平推流模型描述不够满意时采用。修正轴向热量、质量返混带来的与平推流模型的偏离。物理模型：在拟均相平推流模型上迭加一个轴向返混，与 非理想流动中介绍的返混模型相同，但增加热扩散的考虑。50 稳态，在dVR体积中对A组份做物料衡算：输入 输出 反应 输入输出反应LdlcA0,FA0,xA0=0,V0cA,FA,xA,VFA,xAF
18、A+dFA,xA+dxAdVRlARcuAFAllcclEFFAlcEFiiiid1dd ddddddddBAAAAAZAAAZA51 将以上三式合并，得：式中，EZ为轴向有效扩散系数。相应，在同样条件下，对dVR做热量衡算：01ddddAA2A2ZBRlculcElTATTcAullTTlATcAuiiiiddddddddZpgZpg输出：输入：52 反应：散热：输入放热输出散热 整理得：Z为轴向有效导热系数lTThdlAHRiidd1r0BA041ddddrBAp22ZTTdhHRlTculTiog53 边值条件：二阶常微分方程组，两点边值问题。可调用程序求解0dd0dddddd0AZ0p
19、g0AZAA00lTlcLllTTTculcEccul54讨论：1 轴向扩散的引入，可以导致温度、浓度分布趋于平缓。2 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。4 轴向扩散系数与轴向导热系数有一定的函数关系。5 经验证明，当床层厚度大于50倍颗粒直径时，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。55 6 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的贡献。7 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。56二、二维拟均相模型 二维：轴向和径向 对于径向存在较大的温度差、浓度差的反应器，一维模型
20、有时不能满足要求，需要考虑径向的温度浓度分布。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。57模型假定：1 反应在圆管式反应器中进行。2 流体在催化剂管内为非理想流动，存在着轴、径向的质量和热量扩散。3 流固相之间没有温度、浓度差。4 扩散遵循Fick扩散定律。58 在管式反应器中取一微元：drdlRr59 定常态条件下就环形微元对A做物料衡算：0dd21d2dd2dd2ddd2d2d2AArAAlAAAArAlA积累：反应：输出：输入：lrrRrcElrllcclErrllccurrrrccrElrrlcErrucrrB60 输入输出=反应 整理得：BAAA2A2rBAA2
21、A2lA2A2r1111RlcurcrrcERlculcErcrrcE散项被忽略：在多数情况下，轴向扩61 热量衡算：lrrHRrTlrlTrrllTTcurrrrTTrlrrllTTlrrTcurrdd21d2d2dd2ddd2dd2d2BArlpgrlpg微元内反应热：输出微元的热量：输入微元的热量：62 输入输出反应 与质量衡算类似，轴向热扩散项可以忽略：动量衡算方程与一维模型相同。HRlTculTrTrrTBApg22l22r11HRlTcurTrrTBApg22r11 s2mg3BBm175.1Re150dddulp63 边界条件：wwrAA00A0A,000,000,00TThrT
22、rcLlRrrTrcLlrppTTccRrll=0l=L64 在任意截面上流体的平均温度浓度RRRRrrcRRrcrcrrTRcuRrTcruT0A22A0A02pg2pg0d2d2d2d265关于模型参数 模型参数是模型的一个重要组成部分，与模型紧密结合。模型参数包含轴径向有效导热系数与扩散系数及流体与管壁之间的给热系数。模型参数的取得，与实验条件有关，在具体应用时，要选择尽可能接近应用条件的文献值。66径向温度分布67非均相模型 考虑到流体与催化剂颗粒之间有较大的温度差和浓度差，流固相不能当成一个虚拟的均相处理，派生出了非均相模型。如果再考虑到颗粒内部的温度与浓度梯度，又会产生考虑到粒内温
23、度浓度梯度的模型。68热量传递热量传递拟均相一维平推流模型热量传递热量传递带有轴向返混的拟均相一维模型热质传递热量传递热量传递拟均相二维模型热质传递69固体相热量传递热量传递二维非均相模型热质传递抽象成为热量传递二维非均相模型热质传递热量传递流体相70热量传递考虑颗粒内梯度的二维非均相模型热质传递热量传递流体相 固体相71模型评述 考虑的因素越多，模型越复杂，模型参数就越多，模型参数的可靠性就越重要。并非模型越复杂越好。模型复杂增加了实验、计算工作量，增加了出错的概率。以简单实用为好。如返混严重，宜用带轴向返混的一维模型；径向温差大，宜用拟均相二维模型等。非均相模型慎用，非不得已，不用过于复杂的模型。
