多相催化反应器的设计与分析

Gw A0 MA
dX A dZ
0 b ( A )
dFA dVr
b (R A )
A : mol / kg s A : mol / kg s
拟均相一维模型
非均相一维模型
忽略了相际传递
考虑了相际传递
RA 为宏观动力学 RA 为本征动力学
12
1.活塞流模型 热量衡算
GC pt
dT dZ
0 b ( A )(H r )
dp
6Vp ap
0.785 0.0092 0.007
6 2 0.785 0.0092 0.009(0.007)
8.217103 m
1 b / p 11400 / 2000 0.30
18.96
2.348 kg / m3
22.4 (689 / 273) (0.1013 / 0.6865 )
为了消除壁效应，一般，管
0
径与粒径之比应大于8
Rt
0
Rt
4
固定床压降的计算——流体流动的压力损失
层流 颗粒的粘滞曳力，即流体与颗粒表面间的摩擦
湍流
流体流动过程中孔道截面积突然扩大和收缩 流体对催化剂颗粒的碰撞 流体的再分布
p
f
Lru02(1 ) d p 3
f 150 1.75 Re
Re d pu0 1 1
邻二甲苯氧化
反应，放热
0
r/R
1.0
8
的固 传定 热床
粒内传热 粒子与流体间的传热 床层与器壁的传热
热阻大
•固定床内径向传热热
阻
（1）床层本身 （2）器壁上层流边界层
床层总热阻 （总传热系数ht）
径向（壁膜1传. 颗热粒系接数触hw处）的热传导
有效
2. 相邻颗粒周围的边界层的传导
导热 3. 颗粒间的辐射
G 0.9360
u0 2.348 0.3986 m / s
f 150 1.75 2.091 439.5
Re
d pG
(1 )
8.217 10 3 0.9360 2.510 5 (1 0.30)
439 .5
p
2.091 2.348 0.39862 (1 8.217103 0.33
0.3)
径向传质
l
dp
Per
m
d pu Dr
lr
dp 2
tD
dP u
tD
lr2 2Dr
dp u
dp 1 8Dr u
Per
m
d pu Dr
8
实验 Re 20, Per m 10
5～13 多数≈10 10
径向传质
l
dp
Per
m
d pu Dr
N dt lr
tD
lr2 2Dr
lr u
lr
2Dr u
N
第七章 多相催化反应器的设计与分析
反应器的分类
相对静止
固定床，滴流床
固体催化剂的存在状态 运
动 流化床，浆态床，…
1
7.1 固定床内的传递现象
✓ 固定床催化剂内的传质与传热 ✓ 固定床催化剂与流体相间的传质与传热 ✓ 固定床床层内径向传质与传热 ✓ 固定床床层内轴向传质与传热
第六章
第七章
一维模型 轴向传质传热
床层体积
床层体积
p
1
dt 13.4 dp
空隙率径 向分布
拉西环
圆柱
3
固定床内的流固体流定动床内的传递现象
小结：
1 ~ 2dP
真实床层径向空隙率分布是 不均匀的，在距壁面约1～2倍 粒径处，空隙率最大。－壁效 应
床层直径与颗粒直径之比越 小，径向流速分布越不均匀
u
由于空隙率分布不均匀。造 成径向流速分布不同于空管
Lr d p 150 非等温固定床可否采用活塞流模型
结论： 工业固定床反应器流动大多数可采用活塞流描述 实验室固定床反应器流动可能不能满足活塞流的要求
7.1.3 固定床内径 向传质与传热
径向传热
40
0.450 00..337050
m
T0
357C
固定床
T
0.225
0.150 0.075
反应器 径向温 度分布
4U dt
(T
Tc )
T TC
主流体带 出的热
反应热
由器壁传 出的热
GC pt
dT dZ
( A )(Hr )
4U dt
(T
Tc )
动量衡算
dp dZ
fG2 (1 ) d p 3
第四章，变温管式 反应器，均相
BC : Z 0, X A 0,T T0, P P0
2(气体)
Pea
m
0.3
~
1(液体)
Pea
h
0.6
混 CSTR l 合
轴向扩 散距离
l Lr N
tD
l2 2Da
tD
l u
池
lr
模
l 2Da Lr uN
型
N
uLr 2Da
Lr 2d p
d pu Da
Lr 2d p
(Pea )m
气体
Re
10, (Pea )m
2
,N
Lr dp
7
Lr d p 50 等温固定床可否采用活塞流模型
二维模型 轴向+径向传质传热
2
7.1.1 固定床内的流体流动
表征床层内催化装 固定床 空隙率 填结构的物理量 流化床 固含率
=f (dp, 形状，dp/dt，填充方式)
① 固定床同一横截面 处空隙率不相等
② 床层直径与颗粒直 径越大，床层空隙 率分布越均匀
空隙体积 床层体积颗粒体积 1 b
udt 2Dr
dt 2d p
ud p Dr
dt 2d p
(Per )m
实验 Per m 10
径向浓度梯度
N 5 dt dp
11
7.2 固定床反应器的数学模型
非均相 模型
平推流的一维模型** 有轴向返混的一维模型* 有径向混合和径向温差的二维模型
1.活塞流模型
质量衡算
第四章介绍 的拟均相一
维模型
dp －比外表面积相等的球体计
u0、
u0
Q At
空床气速
150
Re<10, 层流
f
Re>1000, 湍流
f 1.75
Re
5
例7.1 催化剂直径9mm,高7mm,p=0.6865MPa,水煤气变换 M=18.96,G=0.936kg/s.m2, T=689K, =2.5×10-5Pa.s, p=2000kg/m3,b=1400kg/m3，计算单位床层高度的压力降
2461kg / s2m2 2461Pa / m
p f Lru02(1 ) d p 3
f 150 1.75 Re
Re d pu0 1 1
6
7.1.2 固定床内轴向质量和热量扩散
Pea
来自百度文库
m
Lru Da
Pea
m
d pu Da
Pea
h
d puCp ea
Re d pu 10
Pea
m
系数
4. 颗粒内的传导
er
5. 流体流动的贡献
9
径向总传热系数ht的关联式
球形颗粒
ht dt
f
2.03Re0.8 exp(6d p / dt )
20 Re 7600 0.05 d p / dt 0.3
圆柱形颗粒
ht dt
f
1.26Re0..95 exp(6d p / dt )
20 Re 800 0.03 d p / dt 0.2