气固相催化反应固定床反应器.ppt

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解：①求颗粒的平均直径。
dS
1 xi
0.60
0.25
0.15
1
3.96mm
3.96 103
m
3.40 4.60 6.90
di
②计算修正雷诺数。
Re m
dSG
g 1 B
3.96103 6.2
2.31051 0.44
1906
11
③计算床层压降。
p
150 Re m
1.75
大，可视为常数，压降将呈线性分布 （大多数情况）。
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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。
粒径 ds/mm 质量分率 w
3.40 0.60
4.60 0.25
6.90 0.15
催化剂为球体，空隙率εB=0.44。在反应 条 件 下 气 体 的 密 度 ρg=2.46kg.m-3 ， 粘 度 μg=2.3×10-5kg.m-1s-1 ， 气 体 的 质 量 流 速 G=6.2kg.m-2s-1。求床层的压降。
dxA RA B
dl
u0cA0
：催化剂堆密度
B
dxA
RA B
dl u0cA0
L 0
dl u0
cA0
xA出 0
dxA
RA B
•
•
对照平推流反应器模型 二者相同
VR V0
cA0
dx xA出
A
0 rA
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• 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
• 动量衡算：仍然是Ergun方程
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱdp dl
150 Re m
1.75
1
3 B
B
gum2
ds
24
• 将三个方程联立：
气体自上而下 流过床层。
3
床层空隙率εB：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）。
B
空隙体积 床层体积
1
颗粒体积 床层体积
1 VP VB
1
B P
B－床层堆积密度，
－颗粒密度
P
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。
4
壁效应：靠近壁面处的空 隙率比其它部位大。
层次的模型。
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• 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 • …………
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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
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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：
dP dl
150 Re m
1.75
1
3 B
B
gum2
ds
式中：Re m
: 修正的雷诺数，Rem
dsum g
g 1 B
um：平均流速空塔气速
l：床层高度
ds : 颗粒当量直径
g : 气体密度
：床层空隙率
B
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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
um2 g
dS
1
3 B
B
L
150 Re m
1.75
G2
dSg
1
3 B
B
L
150 1903
1.75
3.96
6.22 103
2.46
1 0.44
0.443
4
1.898105 Pa
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固定床催化反应器的设计
绝热型
换热型
13
14
15
• 操作方式： • 绝热、换热两种；操作方式的不同，反
面积的球形颗粒应当具有的直径）
1
球形外表面积：SS πd 2
6
SS π
2
da
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）
球形比表面积：SV
SS VS
πd 2 πd 3
6 d
6
混合粒子dS的 平S6V均直6 VS径SS ：（各不同粒径的
粒子直径的加权平均）
1
dm xi di
第六章
气固相催化固定床反应器
1
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。
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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。
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-εB)(-ΔH)Aidl
热交换：U(T-Tr)πdidl
di反应器直径
积累：0
U:气流与冷却介质之间的换热系数
Tr：环境温度
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• 将各式代入，得
dT
RA 1 B H U
4 di
T
Tr
dl
ucp g
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。
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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）
1
外球表形面体积积：：(V非S 球6π形d颗3 粒折合成 6相VπS同 外3 表dV
基础上叠加了轴向返混。
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一维拟均相平推流模型
dv
• 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：
输入－ FA
输出= FA+dFA
反应＋ (-RA)(1-εB)Aidl
积累 0
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• 整理得：
dxA RA 1 B
dl
u0cA0
RA以催化剂体积计
或者以催化剂质量计：
大生产强度。
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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
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。
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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