第七章 多相催化反应器的设计与分析

FA0
X
A1
'

[
X
A 0
dX R A( X

A

)
b
A ,T
...
X
X
AN '
dX R A( X
A
]
)
AN
A ,T
X
Ai 1
' X
A( X
Ai
Ai
i 1, 2 ,... k R )
A( X
Ai
R
, T i 1 ' )
,T i )
(
X
Ai 1
1 R
A( X
• 并流式自热反应器床层轴向温度分布微分方程
• GC dT ( H )( R ) 4U [ 2 T X (T T )]
pt
dZ
r
A
b
dt
A
C0
0
• 逆流式自热反应器床层轴向温度分布微分方程
GC dT
pt
dZ
( H r )( R A )
b
流化床反应器的优缺点
§7、2固定床内的传递现象
• 1. 固定床内的流体流动
• 基本概念的介绍 （1）空隙率：颗粒群堆积成的床层的疏密 程度。 ε=（床层体积-颗粒体积）/床层体积 影响因素：颗粒的大小、形状、粒度分布 与充填方式。
• （2）壁效应：壁面附近床层的空隙率总是 大于床层内部，较多的流体必趋向近壁处 流过，使床层截面上流体分布不均匀。 • （3）固定床压力降：流体流过固定床时所 产生的压力损失。
2.流化床反应器结构 图7.13 沸腾床、循环流化床 流化床反应器的优缺点
§7、7实验室催化反应器
• • • • • • • • 1、基本要求 （1）等温操作 如何消除温度梯度和如何保持等温的问题 （2）反应气体保持理想流型 全混流和非全混流状态 2、基本类型 （1）积分反应器 （2）微分反应器 （3）外循环反应器（4）内循环反应器
第七章 多相催化反应器的设计与分析
本章内容：
概述 固定床内的传递过程
绝热式固定床反应器
换热式固定床反应器
自热式固定床反应器
流化床反应器 实验室催化反应器
7.1 概述
气－固相催化反应器的基本类型
气－固相催化反应器
固定床 反应器
流化床 反应器
绝热式
换热式
多段绝热
单段绝热
内冷式
外冷(热)
作业：p218-219 6、7、8、9
《化学反应工程》 所有的课程已经结束 谢谢大家!
小结
轴向：
轴向扩散： N Lr d
p
等温时，若用N个等体积的全混釜来 描述固定床内气体的流动状况，则N等 于50或更大。 对工业固定床反应器，大多数Lr/dp 值远大于50，故可采用活塞流模型表 示等温固定床内气体的流动状况。
非等温时，以Lr/dp值大于150作为准 则较稳妥。
径向： dt 若用N个等体积的全混釜来 N 5 dp 描述固定床内气体的 流动状况，则N不可能为1wenku.baidu.com即径向浓 度梯度总是存在。 减小dt/dp，则径向浓度梯度降低，但 当dt/dp ＜5，则床内流动极不均匀。 （壁效应严重，且流体易短路）
径向扩散：
§7、3绝热式固定床反应器
Gw
A0
•
• 固定床的高度
•
M Ab
FA0
x
x Al
A 0
dx A

0 ( x A ,T )
[ R A(x
A
,T )
]
催化剂的体积
Vr

x
x Al
A 0
dx A
b

0 ( x A ,T )
[ R A(x
A
,T )
]
3、多段绝热式固定床反应器（以间 接换热为例）
平衡曲线
产品
Ⅰ
A
最佳温度线
U管式
• 1、反应物料的流向
Tc0 。。。。。。
Lr 逆流 TLr TCLr=T0 TC0 不同流向的自热式固定床反应器的轴向温度分布 TLr
T0
TC0 并流
TLr
TcLr
Lr
TC0=T0
TLr
逆流和并流状态轴向温度变化的比较
• (1)逆流床层内气体温度很快就升高至 热点温度，反应后期温度下降较快， 并流与之相反。 • (2)传热温度差和床层不同部位放热速 率的比较 • (3)逆流和并流的优缺点
N
Ti, XAi+1
obj V V
r i 1

ri

[ R A ( xA ,T ) ] R A ( xA ,T ) 0 ( xA ,T )
Vr FA0
x
x Al
A 0
dx A
Ti’,
XAi’

b

0 ( x A ,T )
[ R A(x
A
,T )
]
Vr
Ti+1, XAi+1
3、径向传质与传热
• （1）径向传热 • 径向传热的热阻由两部分组成： 床层本身和器壁上的层流边界层。 • 传导方式：当床层的流体处于静 止状态，热量一方面通过空隙中的流体 以传导和辐射的方式向外传递，另一方 面通过固体颗粒向外传递。
• 固定床的径向传热系数的经验公式： • 6d h d • 球形颗粒： 2 . 03 Re exp(
• 2、单一反应过程中转化率和温度的变化
GC dT
pt
dZ
0 b ( R A )( H r )
Gw dX
4U dt
(T T C )
A0
A
• • 换热式：
dT dX
A
M A dZ
0 b ( R A )

w A0 ( H r ) M A C pt

4Uw
压力降计算公式
p f L r u 0 1
2

d s
f
150 Re
1 . 75
3
Re
d su 0
1 1

u0、
流 动 阻 力
颗粒的粘滞曳力
ds 6
Vp ap
局部阻力
回顾：空管中流动阻力
2、质量和热量的轴向扩散
气体 d pu 2 （1）轴向质扩散 0.3～1 液体 ( Pe a ) m 的彼克列数 d u Da R ＞ 10 （2）轴向热扩散 d pu C p 的彼克列数 0.6 ( Pe a ) h （3）由轴向混合 ea 模型得出轴向返 混等同于N个全 回顾 Lr N 混釜串联 uL dp P
t t 0 .8
p
f
)
dt
• 圆柱形颗粒：
ht d t
f
1 . 26 Re
0 . 95
6d exp( dt
p
)
• 2、径向传质 由于向上或向下运动的流体撞击到
固体颗粒时产生再分散和为了躲开固
体颗粒而改变流体的流向所致。 两个近似值： lr dp / 2 d dp / u
• 固定床传质 (Per)m=dpu/Dr=8 对于直径为dt的固定床层，若用N个 混合釜串联来模拟其径向混合情况 N=（dt/2dp)(Per)m 若(Per)m=10，N=5 dt/dp
固定床反应器优缺点
① 固定床中催化剂不易磨损； ② 床层内流体的流动接近于平推流，与返混式 的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的 反应器容积来获得较大的生产能力。 ③ 由于停留时间可以严格控制，温度分布可以 适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和 转化率，在大规模的化工生产中尤为重要。
① 固定床中的传热较差； ② 催化剂的更换必须停产进行。
N段反应器 （1）进出口的转化率和 温度共有4N个变量； （2）最终转化率和第一 段的转化率已知，变量数 为4N-2； （3）任意一段的出口转 化率=下段的进口转化率， XAi+1=XAi’,故变量相应 减少N-1； （4）T-T0=λ XA四个变量 中，总有一个是不独立的， 相应变量总数又减少N； 因此：独立变量总数为 （4N-2）-（N-1）-N =2N-1
4U dt
[ X A ( T C 0 T 0 )]
•
GC dT
pt
T0 TC 0 ( H r )( R A )
b
4U X dt
A
dZ
7.6流化床反应器
• • • • • • 1.流态化 终端速度（带走速度） 流化床 最小流化速度umf 散式流化、聚式流化 气泡组成
Q
T
换热式固定床反应器的T-XA图
热点概念
平衡曲线 最佳温 度曲线
dT dZ dT dX
A
dX dZ
A
dT dZ
0
XA
热点
绝热线
0 b ( A )( － H r )
4U dt (T T C )
（1）ABD曲线的变化 反应床层轴向温度分布的变化情况 （2）AK线和EFD曲线 传热状况相同和同一转化率的条件 下，进料温度和热点温度 的比较。
结论： （1）进料温度太高或太低都会偏离最佳温 度曲线太远，因此存在一个最佳进料温度， E为最佳进料温度。 （2）无论哪一条曲线，都偏离最佳温度曲 线甚远。 （3）评价T-XA曲线的优劣主要看反应中后 期接近最佳温度曲线的程度。
§7、5自热式固定床反应器
• 分类
流向
单管逆流式 单管并流式 双管及三管逆流式
P f L r u 0 (1 ) d s
3
=
颗粒间空隙体积
床层体积
影响因素
颗 粒 的 装 填 方 式
颗 粒 与 床 层 直 径 比
粒 度 分 布
颗 粒 形 状
小结： 真实床层径向空隙率分布不 均匀，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 大，空隙率分布越均匀。 由于空隙率分布不均匀。造 成径向流速分布不同于空管。 为了消除壁效应，一般， 管径与粒径之比应大于8。
原料 Ⅱ T=XA
T
Ⅲ
• 当段数及原料的组成一定时，要达到 规定的转化率，除第一段的进口转化 率和最后一段的出口转化率外，各段 的进出口的转化率和温度可以有无限 多种分配方案。
• 优化的目标函数：催化剂用量最小， 产品成本最低，产量最大！
目标函数
催化剂用量最少** 产品成本最低 产量最大
• 以催化剂的最小用量为目标
• 绝热式反应器的类型 单段 反应次数 优点 适用场合 一次 结构简单，空间利用率高 反应热效应小 温度对目的产物的影响不大 单程转化率低或大量惰性气 体存在 多段 多次 结构复杂 放热反应 间接换热式 原料气冷激式 非原料气冷激 式
绝热式多段反应器的结构和原理的介绍
• 2、固定床绝热反应器的催化剂的用量
A0
(T T C )
d t M A C pt 0 b ( R A )
•
绝热式：
dT dX
A

4Uw
A0
(T T C )
d t M A C pt 0 b ( R A )
• 3、温度是化学反应速率的敏感性因素
XA
P D M F 冷 却 介 质 的 温 度 H G E 最 佳 温 度 曲 线 A 平衡曲线 N B K
p e
r e
Da
适用条件
• 等温情况，若为非等温应考虑热扩散。 • 均相系统的质扩散轴向彼克列数可认为 与热扩散轴向彼克列数相等；对于两相 系统不合适。质扩散只在颗粒间空隙内 的流体内发生，而热扩散不仅产生于流 体内部，也产生于颗粒之间。 • 工业固定床反应器，大多Lr/dp＞＞50。 • 对于非等温固定床，判断能否采用活塞 流模型。
• 结论： （1）N≠1，床层横截面上的浓度也就不可能 均一，径向浓度剃度总是存在，且随着 dt/dp降低，N也降低。 （2） dt/dp＜5，床层内流体极不均匀，易 造成流体的短路。 （3）Lr/dp足够大，固定床轴向返混可忽略， 改变dt/dp使径向浓度分布均匀很难。 （4）绝热式固定床反应器，不考虑径向的传 热和传质。
GC dT
pt
dZ
0 b ( R A )( H r )
4U dt
A0
(T T C )
GC
dZ
pt
dT
0 b ( R A )( H r ) T
Gw
dx
A
M A dz
0 b ( R A )
T T0 x A

Lr
w A ( H r )T 0 M A C pt
A
[
X
Ai
,T )
T
]
X
dX
A
A
0
在规定的进出口转化率下，存在一最佳的进口温 度，使该段的催化剂的用量最少。
§7、4换热式固定床反应器
• 1、换热式固定床反应器的结构与应用 • （1）反应管直径 • （2）换热管的数量 • （3）反应的类型 • （4）催化剂的利用 • （5）优点（绝热式相比）和缺点