化学反应工程(第三版)陈甘棠主编_第六章_固定床反应器

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化学反应工程 第六章 固定床反应器

化学反应工程 第六章 固定床反应器

一、颗粒层的若干物理特性参数
密度
– 颗粒密度ρp
• 包括粒内微孔在内的全颗粒密度;
– 固体真密度ρs
• 除去微孔容积的颗粒密度;
– 床层密度/堆积密度ρB
• 单位床层容积中颗粒的质量(包括了微孔和颗粒 间的空隙);
p s (1 p ) B p(1 B )
一、颗粒层的若干物理特性参数
i
Wi FA0
i
xi dx A
r xi1
i

也即
Z 0 Ti

xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A

0
i 1,2, N
min
Z 0
xi


1 ri
xA xi



1 ri 1
xA xi
0
i 1,2, N 1
对 Z 0 的处理 Ti
Z
Ti Ti
xi dx A
r xi1
i
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A

0
i 1,2, N
按中值定理:
Z
Ti
xi x i 1
Ti

1 (
ri
)dx A
(xi


x
i
1
)


Ti
• 双套管式、三套管式
流体流向:轴向、径向
固定床反应器的数学模型
拟均相数学模型:
忽略床层中颗粒与流体之间温度和浓度的差别 –平推流的一维模型 –轴向返混的一维模型 –同时考虑径向混合和径向温差的二维模型

化学反应工程 第六章 固定床反应器

化学反应工程 第六章 固定床反应器

下标E、S及H分别表示乙苯、苯乙烯及氢,各分压的单位
为 ,反应速率常数及平衡常数与温度的
关系分别为
化学反应工程
6.4.2 基础方程式的解法
T的单位为K。如反应管的内径 ,进料为600℃下的乙 苯0.069kmol/h及0.69kmol/h的水蒸气,总的质量速率为 2500kg/(h·m2)。管外用烟道气供热,其烟气量为 ,
在m=0的中心轴处,因温度及浓度都是对轴对称的[见式( 6-91)],故 项成为不定值,今利用 规则:
的关系,便可得出
对物料衡算式,可得出为:
化学反应工程
6.4.2 基础方程式的解法
这里采用的条件是式(6-92)和式(6-93)所表示的关系 ,如果将式(6-93)写成如下的差分形式
而将式(6-88)写成

化学反应工程
6.4.2 基础方程式的解法
故式(4)、式(5)成为:
当物料流经床层一距离 时,乙苯转化率为x,故以1mol乙 苯进料为基准计算时,则,物料物质的量为: 因总压为1.2bar,故各组分的分压分别为
将式(2)、式(8)代入式(1)得:
化学反应工程
6.4.2 基础方程式的解法
其中K由式(3)表示。
将各具体数值代入式(H)
简化之,得:

化学反应工程
6.3.2 单层绝热床的计算
又式(E)、式(G)结合而得:
如将各具体数值代入后,整理之,并写成差分的形式为:
如将等号右侧部分用1/B代表之,则: 是指这一区间头尾两端之值的平均。
化学反应工程
6.3.2 单层绝热床的计算
譬如在进口处, ,则代入,得:
化学反应工程
6.2.2 床层压降
例6-1 在内径为50mm的列管内装有4m高的熔铁催化剂层,其 。在反应条件下气体的物 ,若气体以 粒度情况见下表,形状系数 性: ,

化学反应工程-19-第六章-气固相催化反应固定床反应器

化学反应工程-19-第六章-气固相催化反应固定床反应器

2、二维模型中 hW 的计算: 、 的计算: 模型认为温度沿着径向形成了一个分布,故 t m没有意义。 这时床层向壁的传热速率:
dS =
6VS SS
西勒模数就是以d 为定型尺寸的。 西勒模数就是以 S为定型尺寸的。 形状系数的概念, 表示: 形状系数的概念,以 ϕ S 表示:
ϕS =
SV SS
2 SV = πd V (和粒子具有相同体积的球形颗粒的外表面积)
d ϕS = V d a

2
2、粒子群 、 对于大小不等的混合颗粒,平均直径为:
空隙率分布的影响: 空隙率分布的影响:直接影响流体流速的分布,进而使流体与颗 粒、床层与反应器壁之间的传热、传质行为不同,流体的停留时 间也不同,最终会影响到化学反应的结果。
为减少壁效应,要求床层直径(dt)至少为粒径(dP)的八倍以上。
二、颗粒的定型尺寸 颗粒的定型尺寸常用粒径来表示: 1、单个粒子 、 粒径d 粒径 P: 对球形催化剂,应用一个参数dP即可完整描述颗粒的全部几何 性质,即自由度为1; 对规则形催化剂,如圆柱形,用两个参数如h、d即可; 对不规则颗粒,也是用两个参数来描述颗粒的几何性能:一是 当量直径;另一是形状参数。
d S u0 ρ g
6.1.2固定床内的传热 固定床内的传热 床层尺度上的传热过程包括四个方面: 床层尺度上的传热过程包括四个方面: ①颗粒内部的传热 (λ P ) ;
( ②颗粒与流体之间的传热α g ) ;
③床层整体有效导热系数 (λe ) ; ④床层和反应器壁之间的传热 (h0、hW ) 。 对于①中λP,见第十七讲《非等温反应宏观动力学方程》。它的大 小往往由固体颗粒自身的性质粒内孔隙情况决定的,颗粒内的传热主要 是以热传导形式进行的。 对于②中的αg第十七讲中已经讨论过。 现重点讨论③和④ ! 现重点讨论③

《化学反应工程》第六章

《化学反应工程》第六章
出料 出料
列 管 是 固 定 床 反 应 器
出料
处料
⑷自热式固定床反应器——适于放热反应(合成氨)。
主进气 床层温度 tb
t
双套管 催化剂
坐标位置 I
600 平衡线 换热器
t/℃
500 床层实际 400 操作线 0 最佳 温度线 0.3
出气
旁路进气
0.1 0.2 氮含量y
双套管并流式反应器及床层温度分布
2 u dp 150 m g (1 B ) ( 1.75) 3 dl Re m dS B
⑵物料恒算方程 dVR At dl d t2 dl , 4
输入A量 = FA
FA
dVS (1 B )dVR
dl At FA+dFA 体积单元物料示意图
输出A量 = FA+d FA 反应消耗A量 = (-RA)(1-εB)d VA = (-RA)(1-εB)Atdl 积累A量 = 0 因为
SO
2
1 1.5 0.5, 1
0 SO2
0 SO ySO SO 0.08 (0.5) 0.04
2 2 2
pSO2 p
(1 xSO2 ) 1 SO2 xSO2
p
0 SO2
(1 xSO2 ) 1 0.04xSO2
1-空管内层流;2-空管内湍流;3-充填层内液体流动; 4-充填层内气体流动(Um为平均流速)
6.1.1.2颗粒的定型尺寸
体积当量直径(dV):与颗粒具有相同体积(VS)的球体的直径
6V dV S
1/ 3
面积当量直径(da):与颗粒具有相同外表面积(SS)的球体的 1/ 2 直径 S S

陈甘棠主编化学反应工程第六章

陈甘棠主编化学反应工程第六章

转化的多段绝
热反应器,段间引入冷空气
进行冷激。
对于这类可逆放热反应过
程,通过段间换热形成先高 后低的温度变化,提高转化 率和反应速率。
总之,不论是吸热或放热的反应,绝热 床的应用是相当广泛的,特别对于大型 的,高温或高压的反应器,希望结构简 单,同样大小的装置内能容纳尽可能多 的催化剂以增加生产能力(少加换热空 间),而绝热床正好能符合这种要求。 但绝热床的温度变化总是较大的,由于 温度对反应的影响同样不可忽视,故要 综合分析并根据实际情况来决定。
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)
球形体积: VP

6
d3
6VP
1
3
dV
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)
球形外表面积: p d 2 a
ap

1
2
da
d 6 球形比表面积: V S 3 VS d d
6.2.2床层压降
气体流动通过催化剂床层的空隙形成的通道时, 与孔道皱襞摩擦将产生压降。 厄根(Ergun)方程:
2 um 1 B dP 150 R 1.75 3 d dL em B s

式中:Rem : 修正的雷诺数,Rem u m:平均流速空塔气速 d s : 颗粒当量直径
ap 6 VS 6 dS 6 SV ap
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) 2
混合粒子的平均直径:(各不同粒径的粒子直 径的加权平均)
1 dm xi d i
xi - 直径等于d i的颗粒占的分数

《化学反应工程》全册配套完整教学课件

《化学反应工程》全册配套完整教学课件
床层或反应器内宏观动力学模型(或简称床层动力学模型) 各种类型反应器内的催化剂床层,计入反应气体与催化剂颗粒的相 互流动状况,和使用过程中催化剂失活影响的诸多因素,即处于介 尺度的宏观动力学。
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
物质在反应装置中的流动、传质和传热与化学反应之间相互关系的 概念,称为物理概念模型。 数学模型 表达物理概念模型的数学式称为数学模型。 数学模拟方法 用基于物理概念模型的数学模型来模拟反应过程的 方法称为数学模拟方法。
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固体颗粒细小,气流流动情况 复杂。
催化剂带出少,要求气液分布 均匀,温度调节较难。
固相在液相中悬浮,气相连续 流入及流出反应器。
固相在液相中悬浮,液相和气 相连续进入及流出反应器。
粒子返混小,相接触面小,传 热效能低。
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Chemical Reaction Engineering
一、化学反应工程学的研究范畴
过程工业
从事物质的化学转化,生成新的物质产品; 各个生产环节具有一定的不可分性,形成生产流程,并多数连续生
产。
过程工业包括两个过程:
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Chemical Reaction Engineering
气流床 滴流床 鼓泡淤浆床 三相流化床 回转筒式 螺旋挤压机式
气-固相 气-液-固三相 气-液-固(催化及非催化) 气-液-固(催化及非催化) 气-固相,固-固相 高黏度液相

化学反应工程 陈甘棠 第三版 课后答案

化学反应工程 陈甘棠 第三版 课后答案

A nA0 pA0 nA pA
P 0 0 3nA0 nA 3 pA0 pA
p总 pA0 3 pA0 2 pA
解 由 cA-cB=42.4 可知反应应按下列方式 A+B→产物进行 设为二级反应

dcA 1 c c kcA cB 积分得: kt ln A B0 dt cA0 cB0 cA0cB

1 c ln A 对 t 作图若为直线,则假设正确。 cA0 cB0 cB
t
116.8 319.8 490.2 913.8 1188
由 cA0-cB0=42.4 整理得数据如下:
4
y
线性回归:
0.026
1 c ln A cA0 cB0 cB
0.013 2
0.014 9
0.016 9
0.021 6
-3
13

t=285-283=2s
反应前后体积不变的不可逆反应,已经反应掉的部分不会对反应产生任何 影响。反应过程中的任意时刻都可以作为初始时刻和终了时刻。 14 在间歇搅拌槽式反应器中,用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯,反应式为: 2 SO 4 CH3COOH C4 H9OH H CH3COOC4 H9 H 2O A B R S 反应物配比为:A(mol):B(mol)=1:4.97,反应在 100℃下进行。A 转化率达 50%需要时间为 24.6min,辅助生产时间为 30min,每天生产 2400kg 醋酸 -3 丁酯(忽略分离损失) ,计算反应器体积。混合物密度为 750kg·m ,反应 器装填系数为 0.75。 解


t t1 2
pA 0.5 pA0


1 0.51n 1n pA 0 t1 2 k p n 1 pA0 t1 2 ln pA0 ln t1 2 0.1360 265 5.580 186

化学反应工程第六章非均相反应器(上)

化学反应工程第六章非均相反应器(上)

s
As Ap
(6-7)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
2. 床层空隙率 空隙率是催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之 比,可用式(6-8)进行计算。
(6-8)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
6.1.3.2 固定床反应器 内的流体流动特性 固定床反应器内的流体 流动直接影响床层的压 力降和传递过程,并最 终影响反应结果。
2.催化剂空时收率SW。
定义为:单位质量(或体积)的催化剂在单位时间内所获
得的目的产物量。即
3.催化剂负荷SG
Sw= w
Ws
(6 -18)
定义为:单位质量的催化剂在单位时间内所处理的某一
原料量。即
SG= wG WS
(6-19)
6.1.5 固定床反应器的工艺计算
例6-2 乙烯以银催化剂氧化制环氧乙烷,主要反应为
消耗氧气量
1.63×3=4.89kmol/h
生成二氧化碳量 1.63×2=3.26kmol/h
生成水量
1.63×2=3.26kmol/h
6.1.5 固定床反应器的工艺计算
故反应器出口气体中各组分量为
C2H4 23.94一(3. 16+1. 63)=19.15kmol/h
O2
41.04-(1. 58+4. 89)=34.57kmol/h
6.1.3.1固定床反应器的床层特点 1.催化剂颗粒的直径和形状系数 (1)体积相当直径dV 体积相当直径是以颗粒(非球型颗粒)体积相等的球体 的直径表示的颗粒直径。由
可以导出
(6-1)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
(2) 外表面积相当直径
外表面积相当直径是以与颗粒的外表面积相等的球体的
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流体与颗粒间传热温差的计算 热量平衡
H A rA h p a m (t G t S ) h p a m t
Se / B
式中,a m
球形:
—— 单位重量催化剂的外表面积;
—— 床层比表面积Se的校正系数。

1; 圆柱形: 0.9 ; 片状: 0.81 ;无定形: 0.9
b hW /( d t / 2 ) (1 / 2 )( d
p
/ d t )( hW d
p
/)
e
e /
hW —— 壁面处对流给热系数;
hW d
p

d pG 2 . 58

1/3
cp

1/3
d pG 0 . 094
二、固定床反应器的种类
(1)绝热式反应器
间接换热式
冷激式
图6-1 绝热床反应器
图6-3 多段绝热床反应器
(2)对外换热式反应器
图6-4 对外换热式反应器
特点:单位床层体积具有的传热面积大,传热性能良好;
反应器放大设计可靠性高。
传热介质选用原则:
保证催化剂床层与传热介质之间有适宜的温差。
常用传热介质的温度范围 沸腾水 有机液态传热介质 熔盐 烟道气 100-300 ℃ 200-350 ℃ 300-400 ℃ 600-700 ℃
(6-31)
h0可由经验公式计算
h0 d
p


d
p

e
dt
[ a1
2
(b ) y
]
(6-32) (适用范围:y > 0.2)
式中, y —— 无量纲数
y 4eL Gc p d t
2

4(d
p
/ d t )( L / d t )( e / ) Pr R ep
b —— 无量纲数
数,而是流体和固体颗粒特性以及流动状态的函数。
e / e / ( ) R ep Pr
0
(6-23)
式中, λ—— 气体的热导率;
e —— 流体静止时床层的热导率;
0
α—— 径向与轴向传质速率之比;
β—— 颗粒间距与粒径比的影响。
( )
值可由图6-14查取。
粒径/管径
N
A
k CA a ( c GA c SA ) k GA a ( p GA p SA )
式中, a —— 单位体积(或质量)催化剂作基准的传质表面积;
k GA , k CA
—— 以浓度或分压表示的A组分的传质系数。
k GA k CA /( RT )
计算传质系数的经验关联式
JD k C G D
式中,SV=ap/Vp,称为颗粒的比表面。 (2)不同当量粒径的关系
S d V d S 6V P / a P
S (dV / d a )
式中, S
aS / a p
2
,称为颗粒的形状系数(
S 1
)。
非球形颗粒的形状系数
(3)混合粒子的平均直径
dd 1 n xi di i 1
(3)自热式反应器
一段转化气
空气
燃烧

甲烷化炉 CO+3H2 CH4+H2O
二段转化炉 2H2+O2 CO+O2 CH4+H2O 2H2O CO2 CO+3H2
CO2+4H2
CH4+2H2O
(4)其它形式的固定床反应器
已成功应用于合成氨反应器。 特点是:压降小,可采用较细颗粒 的催化剂,从而提高催化剂的有效 系数。
式中,xi是直径为di粒子在全部粒子中所占的质量分数,可采用 标准筛进行筛分分析得到。标准筛的规格见表6-2。
二、床层空隙率 单位体积床层中,颗粒之间的空隙所占的体积分率。
B 1 B
p
式中
B

p
—— 床层堆积密度; —— 颗粒视密度。
注意:颗粒视密度与真 密度之间的区别。 讨论: (1)床层空隙率与颗粒 形状和尺寸的关系。 (2)壁效应及流体均布。
图6-9 填充床的空隙率
三、固定床的当量直径 (1)床层比表面
Se n pa p (1 B ) Vp
p p
a p (1 B )
ap Vp
6 (1 B ) / d S
式中,np —— 单位体积床层中颗粒的个数。 (2)床层当量直径
de 4RH 4
2
3 n
d p
3 n
B
3
式中,dp —— 体积相当直径;G fm和n可由图6-11查取。
u m——
质量流速。
图6-11 固定床的摩擦系数
3 固定床中的传热 床层的传热性能直接决定了床内的温度分布,从而对反 应速率和产物的组成分布都具有十分重要的影响。 传热方式: 导热、对流传热、热辐射。 传热途径: 粒内传热、颗粒与流体间传热、床层与器壁间传热。 一、颗粒与流体间传热系数
固定床反应器
应化091班 张连阳
重要过程:
概述
流体通过固定的固体物料所形成的床层。
一、固定床反应器的特点



结构简单 高空速 很少催化剂损耗 很小气固返混 较长的扩散时间及距离 高床层压降 床内取热供热困难 催化剂取出更新困难 催化剂颗粒大,效率低
•丙烯氧化制丙烯酸 •乙炔HCl制氯乙烯 •乙烯环氧化制环氧乙烷 •烃类加氢 •乙苯脱氢制苯乙烯 •煤气化 •…
图6-14
e 包含床层空隙和颗粒对传热的贡献,由下式计算
0
e
h rV d B 1
0
p
1
1B 1 2 3 s
(6-24)


h rs d
p

式中, s , —— 分别表示颗粒与流体的热导率;
3
150 1 . 75 R eM
式中
R eM
d S um
(1 B )
um —— 空床流速;L —— 床层高度;ρ、μ—— 流体的密度和粘度。 ReM<10,层流,上式中右边第二项可忽略;
ReM>1000,湍流,上式中右边第一项可忽略。
(2)
p
2 f m G L (1 B )
图6-6 径向流反应器
固定床中的传递过程
1 粒子直径和床层空隙率
一、颗粒直径的表示方法 (1)表示方法 (i)体积相当直径 (ii)面积相当直径 (iii)比表面相当直径
d V ( 6V P / )
d a (a P / )
1/3
1/ 2
d S 6 / S V 6V P / a P
2/3
k G P GM D
2/3
(6-43)
式中,
SC / D
称为施密特数; JD —— 传质因子。
0 . 51
J D 0 . 84 R e
0 .05 R e 50 50 R e 1000
J D 0 . 57 R e
上式可整理成
t rA H
A
h p a m
Q ( Pr ) Q
2/3
/ JH
A
其中,传热数 普朗特数
rA H
a m c pG
Pr c P /
图6-12是上式的关联图,查图可求 得不同条件下的Δt。
图6-12 固定床中流体与颗粒外表面的温差
二、固定床的有效热导率 λe 是针对拟均相模型提出的综合性传热参数,一般是指 λer 。 λe值与颗粒与流体之间对流传热,颗粒及流体本身的 导热,床层的辐射传热等多种传热作用有关。它不是物性参
0 . 41
(6-44)
其中
R e G /( S e )
查取。
图6-15
当颗粒直径甚小,床层温度不是很高,以及含有液体 时,空隙和颗粒的辐射传热可忽略,式(6-24)可简化为:
e
0
B
1B 2 3 s
(6-28)
三、床层与器壁间的给热系数 h0 一维模型中,床层与器壁间传热速率为
q h 0 A ( t m tW )
B
Se
2 B 3 1 B
2 B d S 3 1 B
S d V
式中,RH —— 水力半径。
2床层压降 床层压降是固定床反应器设计的重要参数,要求床层压 降不超过床内压力的15%。 床层压降的计算 (1)
p 2 um d S B L 1 B
h rs Tm 0 . 227 [W/(m 2 100

3
2
K )]
(6-26)
—— 颗粒接触点处流体薄膜对导热的影响。
2 ( 1 2 )
B 0 . 26
0 . 216
(6-27)
1 , 2
可由图6-15

0 .8
cp

0 .4
(6-40)
适用范围:
a1 , (b )
2
d p G / 40
—— 是b的函数,由图6-16查取。
图6-16
[例6-2]
解:(1)
固定床中的传质与混合 颗粒与流体间的传质系数 单位体积(或质量)催化剂上着眼组分A的传质速率
B J H 2 . 876 /( d p G / ) 0 . 3023 /( d p G / )
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