《化学反应工程》第六章

Re
deu g
g
2 d S um g , 3 g (1 B )
um g (1 B ) dp 3 ' , ' 3 dl dS B 4 d S um g 150 ' 1.75 Re m g (1 B ) Re m
um g (1 B ) 150 p p0 L( 1.75) 3 Re m dS B
联解即得床层内温度、压力、转化率的分布曲线，求得达 到一定转化率所需的床层高度（催化剂用量）。
p T~L xA~L
T xA
p~L
L
7.2.2.4多段绝热反应器的计算
Q=0
对吸热反应，随xA↑→T↓，到达B点反应停止，这时需升温 到C，再继续反应。这就是多段绝热反应器。
dFA FA0dxA At um0cA0dxA
dxA ( RA )(1 B ) dl um 0 c A0
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⑶热量恒算方程 输入热量-输出热量+反应热量 = 向外界供热+积累热 输出热量=Gcp（T+dT) 输入热量=GcpT 反应放热= (-△H)(-RA)(1-εB)Atdl 积累热=0 向外界供热=h0(T-TW)πdtdl h0 dT 1 [(H )( RA )(1 B ) 4 (T TW )] dl um0 g c p dt
dT (H )( RA )(1 B ) dl um g c p
2 dT (H )cA0um0 (H )cA0 u 150 m g (1 B ) p p0 L( 1.75) 3 dxA um g c p gcp Re m dS B
lg K p
4905 .5 5.6484 T
解：①求各段转化率相应的温度。 将转化率均分为7段，按绝热操作线方程计算出下表：
②计算各转化率下的k、KM、Kp值，填与上表中。
( RSO2 ) kpO2
1
K M ( pSO2 / pSO3 ) K M ( pSO2
2
2 pSO 3 1 km ol/[ skg (cat.)] 2 2 2 p p K SO2 O2 p / pSO3 )
i i
1
3.96 mm 3.96 10 3 m
Re m
dSG 1901 g (1 B )
⑶
150 G 2 (1 B ) 5 p ( 1.75) L 1 . 898 10 Pa 3 Re m dS g B
7.1.2固定床内径向传递
da
比表面当量直径（dS）:与颗粒具有相同比表面积（SV)的球体 6 Va 的直径 d 6
S
SV
Sa
不同粒径的混合粒子其平均直径：
dm 1 ( xi / di )
xi是直径为di的粒子所占质量分率。
6.1.1.3：流体通过床层的压降
dp
g
dl u 2 de 2
满足条件Ⅱ
寻优步骤： ①有xA0、T0，在图上定出A点。
②根据绝热操作线方程做出AB线，B点在最佳温度线上。 ③由B作xA轴垂线到C，满足条件Ⅰ。
④从C作AB平行线到D，满足条件Ⅱ。
⑤进行下去，直到转化率达到要求为止。
⑥由优化条件计算VR、L。
( RSO2 ) kpO2
1
K M ( pSO2 / pSO3 ) K M ( pSO2
T T0 ( xA xA0 )
um0c A0 x A dxA L (1 B ) 0 ( RA )
根据
( RA ) k0e
E RT
f (cA0 , xA )
2
um0c A0 x A dxA L (1 B ) 0 ( RA )
T T0 ( xA xA0 )
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
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
7.1.2.2：径向传质 可造成反混，用Per=dpum/Er 描述。
6.2固定床催化反应器的设计
6.2.1固定床催化反应器的特点及特征
6.2.1.1固定床催化反应器的特点
优点：催化剂不易磨损，使用时间长； 生产能力大； 转化率、选择性高。 缺点：传热差，对温度敏感； 更换催化剂需停产，粉尘大。 另一流化床反应器特点： ①等温操作；②传热强度高； ③催化剂用量少；④压降稳定； ⑤反混严重；⑥设备精度高。
Aif Aif Aio Aio
2 i
全部反应器所需催化剂体积为
xi-1 Ti-1 xi T i
V0c A0 n x Aif dxA FA0 n x Aif dxA VR VRi xAio (RA ) x Aio ( R ) ( 1 ) ( 1 ) i 1 B i 1 A B i 1

1.339105 式中 k 9.86910 exp RT 1.138105 8 K M 2.3 10 exp RT lg K p 4905 .5 5.6484 T
③将动力学方程变化为转化率[x(SO2)]的函数。该反应
6.2.2.3单层绝热床的计算
绝热反应器的数学模型 2 u dp 150 m g (1 B ) ( 1.75) 3 dl Re m dS B dxA ( RA )(1 B )
dl um 0 c A0
Q=0
边值条件： L=0时，p=p0,xA=0,T=T0. 解
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
7.1.2.1：径向传热 径向传热 = 床层内传热+ 器壁与层流间传 热
T1 ≠ T 2 固定床截面
0.45m 40 0.375 0.300
T0=357℃
CH3 + O2 CH3
Tm'
30 0.225
△T
20
0.150
0.075 10
0
0.2
r/R 1.0 固定床反应器的径向温度分布
0.8
0.4
0.6
xA D G A B E c F C b D
平衡曲线
xA
C
a
B
最佳温度曲线
A Tmax T Tmin 吸热反应T-x图 T 可逆放热反应的T-x图
对可逆放热反应，应使反应速率保持最大，于是随转化率 升高，按最佳温度曲线相应的降低温度。见上图示。
进
1
对第i段反应床,所需催化剂体积为 At um0c A0 x dxA V0c A0 x dxA VRi At L x (1 B ) ( RA ) (1 B ) x ( RA )
床层高度
um0c A0 x A dxA L dl 0 (1 B ) 0 ( RA )
L
方程组的解
p
TW T
(H )( RA )(1 B )d t 4h0
T
um 0c A0 (H )(1 B )d t dxA T 4h0 dl
xA
L 等温床层分布图
2 pSO 3 1 2 km ol/[ skg (cat.)] 2 2 pSO2 pO2 K p / pSO3 )

5 1 . 339 10 2 式中 k 9.86910 exp RT 1.138105 8 K M 2.3 10 exp RT
n
N
VR最小时，各段的xA,T,可由极值求得，
(RA )if (RA )(i 1)0
满足条件Ⅰ
出 多段间接 换热的绝 热床示意图
VR V 0, R 0 Ti x Ai

x Am

x Aio
1 1 x Aif ( RA ) ( RA ) dxA dxA x Am Ti Ti
进气
出气
流 化 床 催 化 反 应 器
6.2.1.2固定床催化反应器的类型
⑴绝热固定床反应器——适于反应热不大的过程。 ⑵多断绝热式反应器——温度适宜，转化率高。
⑶列管式固定床反应器——反应速度快，转化率、选择性高。
进料
进料
冷激气
进料
进料
cat.
绝 热 固 定 床 反 应 器
冷剂 冷剂 冷剂
多 段 绝 热 床 反 应 器
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
or
dp u 2 g dl de 2
dp/dl流体通过单位床高引起的压强变化, u 气体实际流速。 若 um 为气体通过床层的空塔流速， um = u×εB。 de 为床层 的当量直径.
de 4 截面积 B 2 B 6 4 ，（SV ) 浸润周边 (1 B ) SV 3 (1 B )d S dS
边值条件： L=0时，p=p0,xA=0,T=T0. 解
p
T xA L
6.2.2.2等温反应的计算
dT/dl=0 2 u 150 m g (1 B ) 动量恒算式 p p0 L( 1.75) 3 Re m dS B
dxA ( RA )(1 B ) 物料恒算式 dl um 0 c A0
第六章 气固相催化反应固定床反应器
6.1流体在固定床内的传递性质
6.1.1流体在固定床内的流动特性
6.1.1.1床层孔隙率与流体的流动
蒸气
床层孔隙率εB
B
1.0
进气
空隙体积 颗粒体积 V 1 1 P 1 B 床层体积 床层体积 VB P
调 节 阀
补充水
0.8 0.6
催化剂
6.2.1.3设计固定床反应器的要求
尽可能的大生产强度，床层阻力小，温度分布合理，结 构简单，操作稳定，维修方便。 ⑴反应器的工艺设计； ⑵对已有反应器计算工艺指标 ⑶对已有反应器计算最大生产能力
6.2.2采用一维拟均相理想流动模型 对反应器进行设计计算
6.2.2.1一维拟均相理想流动模型
基本假定： ①流体在反应器中的径向均一，轴向可变； ②流体与催化剂在同一截面上温度、浓度均匀； ③流体为平推流。 适于小管径，热效应不大、流速较快的系统。 基本方程： ⑴动量恒算方程
ε
0.4
0.2
0
2
4
6
空隙率与床层径向位置的关系
δ /d
出气
固定床反应器的 基本单元组合
2 1
沿壁效应：影响流速、 传热、传质、停留时间、 化学反应。 减少沿壁效应：床层直 径（Dt）不小于粒径dP的 八倍，即 Dt>8dP
U/Um
2 3 4
1
1 管壁
r/R
0 中心
r/R
1 管壁
床层径向流速分布示意图
2
2
厄根方程
um g (1 B ) dp 150 ( 1.75) 3 dl Re m dS B or um g (1 B ) p 150 ( 1.75) , (T , p都较小） 3 L Re m dS B
2
解：⑴ ⑵
dm
( x / d )