第七章：气固相催化反应固定床反应器.
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0A A dX C u A dX
F dF -=-=
dl 1(R (A dF B A t A ε--=-∴ dl 1(R (A dX
C u A B A t A
0A 0m t ε--=
A 0m B A A
C u
1(R (dl
dX ε--=
(2热量衡算方程
流入-流出+反=导出+积累流入=GC P T流出=GC P (T+dT
]dl T T (d h 4
1(R (H [(C u 1dl
dT w t
0B A P
g m --ε--∆-ρ=
边界条件0A 0T T ,
0X ,
P P ,
0L ====
2.等温反应器的计算
0dl
dT =
(反应速率常数k为定值
出口压力3
B
B S g 2
m em 01d u 75. 1R 150
(L P P εε-⋅ρ+-=床层高度(由
/1S
v V 6(
d π
= d 6
1V (3
v s π=
式中S V为颗粒的体积。b.面积当量直径(a d 2
/1S
a S
(
d π
= d S (2
a s π=
式中S S为颗粒的外表面积。c.比表面积当量直径(S d
即与颗粒具有相同比表面积的球体直径S
S
V
S S
V 6
S
6d ==
d 6R
3V S S (s
3
B
B S g 2
m em 1d u 75. 1R 150(L p εε-⋅ρ+=∆- 7.1— 11
7.2固定床催化反应器的设计
7.2.1气固催化固定床反应器的基本类型和特点
1.绝热式气固催化反应器主要用于放热反应a .单段绝热反应器如甲烷化炉,低变炉等,适合反应物浓度较低和反应热较小的体系。B .多段绝热催化反应器(a多段间壁换热式催化反应器
b .床层压降由化工原理中的结果
g
2
e
2
u
d
dl
dp ρ⋅
λ=
- 7.1— 7
式中的u为实际流速、若u m为空塔流速,则:
B m B m /u u u u ε=⇒ε⋅=
将e d , u ,代入7.1— 7式中
3
B
B
S g 2
m 1d u dl
dp εε-⋅ρλ'=- 7.1— 8式中λ=
λ'4
3为摩察系数与e R有关。
图7-8双套管并流式反应器及床层温度分布
b .外冷列管式
外冷指冷介质在管外,列
管指催化剂装在一组管子
中如:甲醇合成塔,萘气
化制邻苯二甲酸酐等。
7.2.2气—固催化固定床反应器的数学模型
1.模型
a .非均相模型
考虑催化剂颗粒内外传质传热对反应的影响。
b.拟均相模型
对化学动力学控制的催化反应,可以忽略传递对反应的影响,即认为催化剂表面及内部的温度,浓度同气流主体完全相同,反应过程的计算如同均相反应,这种不考虑传递对反应速率影响的模型就称为拟均相模型。
7.2— 5
反=dl 1(R (A H (B A t ε--∆-导出dl d T T (h t w 0⋅π-=
h 0—床层对器壁的给热系数⋅⋅s m /J 2
℃Biblioteka Baidu
dl d T T (h dl A 1(R (H ( dT T (GC T GC t W 0t B A P P +⋅π-=ε--∆-++-
注意:g t m A u G ρ=
0A 0m B A C u
1(R (dl
dx ε--=
⎰-ε-=
⎰=A
x 0
A A
B
0A 0m L
0
R (dx
1C u dl L
式中C (kf R (AS A η=-
工业上等温操作很难实现原因如下:
0dl
dT =则
dl
h 4dx
(d C u T h 4
R ((d 1(T T 0A
t 0A 0m 0
A t B W ⋅∆H--
换热时X ,
T ↓不变
换热时↓↓X , T
不变, X T ,但由于冷激气中含有辅助反应组合,如:
CO变换用水蒸气或软水冷激; SO 2氧化时用空气冷激等。
采用不同的段间换热方式,最终转化率的高低顺序为对X ,非原料气冷激>间接换热>原料气冷激
2.连续换热反应器
a .内冷自热式,如并流三套管氨合成塔
并流三套管氨合成塔及温度变化示意图
=-∆H-ε--=
由于X随l不是线性变化,因此床壁温度沿床高亦非线性变化,而需按一定的规律加以改变,因此实际上很难做到。3.单层绝热床的计算绝热操作时的数学模型
3
B
B
S g 2
m em
1d u 75. 1R 150(
dl
dp εε-⋅ρ+=- 0
A 0m B A A
C u
1(R (dl dX ε--=
1.一维拟均相理想流动模型基本假定:a.均相b.平推流
c.径向位置温度、浓度一致(不随r变基本方程
(1动量衡算方程(即厄根方程
3
B
B S g 2
m em 1d u 75. 1R 150
(dl dp εε-⋅ρ+=- (2物料衡算方程入-出=反+积
0dV 1(R ( dF F (F R B A A A A +ε--=+- dl A dV t R = A 0A 0m t A
s
s v =
=
=
V
S为单位颗粒体积具有的外表面积。
d.对混合粒子的平均直径∑=
d /x (1d i
i
m
i
x是直径为i
d的粒子的质量分率。
3.流体通过床层的压降a .床层的当量直径
V
B
B
e
S
1(4
4
d ⋅ε-ε
==浸润周边
截面积
由于S
V d
6S =
S
B
B
e
d
1(32
d ⋅ε-ε
⋅
=
∴ (可见朱炳陈P 109
c.一维模型
只考虑沿气体流动方向上的浓度差与温度差,垂直于流向的浓度及温度分布可忽略不计。
d.二维模型
同时考虑轴向及径向上的浓度及温度分布。
注意:非均相与拟均相是对催化剂颗粒内外气体混合物的浓度及温度分布的处理方法,而一维与二维模型是对反应器内气流主体中的浓度及温度分布的处理方法。
7.2.2采用一维拟均相流动模型对反应器的设计计算
1(3u d 2u d R B g g m S g
g e e ε-μρ=
μρ=
令
1(u d R B g g m S em ε-μρ=为修正雷诺数
测得:
75. 1R 150em
+=
λ'
则3
B
B S g 2
m em 1d u 75. 1R 150
(dl dp εε-⋅ρ+=- (厄根公式7.1— 10当压降较低时,则
第七章:气固相催化反应固定床反应器
7.1流体在固定床内的传递特性
1.床层空隙率与流体的流动空隙率:(利用B B p p v v w ρ=ρ=
111P
B B B P
V V ρερ=
=-
=-=-空隙体积颗粒体积
床层体积床层体积
P
B
, ρρ分别是颗粒密度和颗粒的堆积密度。
2.颗粒的当量直径a .体积当量直径(V d 3
F dF -=-=
dl 1(R (A dF B A t A ε--=-∴ dl 1(R (A dX
C u A B A t A
0A 0m t ε--=
A 0m B A A
C u
1(R (dl
dX ε--=
(2热量衡算方程
流入-流出+反=导出+积累流入=GC P T流出=GC P (T+dT
]dl T T (d h 4
1(R (H [(C u 1dl
dT w t
0B A P
g m --ε--∆-ρ=
边界条件0A 0T T ,
0X ,
P P ,
0L ====
2.等温反应器的计算
0dl
dT =
(反应速率常数k为定值
出口压力3
B
B S g 2
m em 01d u 75. 1R 150
(L P P εε-⋅ρ+-=床层高度(由
/1S
v V 6(
d π
= d 6
1V (3
v s π=
式中S V为颗粒的体积。b.面积当量直径(a d 2
/1S
a S
(
d π
= d S (2
a s π=
式中S S为颗粒的外表面积。c.比表面积当量直径(S d
即与颗粒具有相同比表面积的球体直径S
S
V
S S
V 6
S
6d ==
d 6R
3V S S (s
3
B
B S g 2
m em 1d u 75. 1R 150(L p εε-⋅ρ+=∆- 7.1— 11
7.2固定床催化反应器的设计
7.2.1气固催化固定床反应器的基本类型和特点
1.绝热式气固催化反应器主要用于放热反应a .单段绝热反应器如甲烷化炉,低变炉等,适合反应物浓度较低和反应热较小的体系。B .多段绝热催化反应器(a多段间壁换热式催化反应器
b .床层压降由化工原理中的结果
g
2
e
2
u
d
dl
dp ρ⋅
λ=
- 7.1— 7
式中的u为实际流速、若u m为空塔流速,则:
B m B m /u u u u ε=⇒ε⋅=
将e d , u ,代入7.1— 7式中
3
B
B
S g 2
m 1d u dl
dp εε-⋅ρλ'=- 7.1— 8式中λ=
λ'4
3为摩察系数与e R有关。
图7-8双套管并流式反应器及床层温度分布
b .外冷列管式
外冷指冷介质在管外,列
管指催化剂装在一组管子
中如:甲醇合成塔,萘气
化制邻苯二甲酸酐等。
7.2.2气—固催化固定床反应器的数学模型
1.模型
a .非均相模型
考虑催化剂颗粒内外传质传热对反应的影响。
b.拟均相模型
对化学动力学控制的催化反应,可以忽略传递对反应的影响,即认为催化剂表面及内部的温度,浓度同气流主体完全相同,反应过程的计算如同均相反应,这种不考虑传递对反应速率影响的模型就称为拟均相模型。
7.2— 5
反=dl 1(R (A H (B A t ε--∆-导出dl d T T (h t w 0⋅π-=
h 0—床层对器壁的给热系数⋅⋅s m /J 2
℃Biblioteka Baidu
dl d T T (h dl A 1(R (H ( dT T (GC T GC t W 0t B A P P +⋅π-=ε--∆-++-
注意:g t m A u G ρ=
0A 0m B A C u
1(R (dl
dx ε--=
⎰-ε-=
⎰=A
x 0
A A
B
0A 0m L
0
R (dx
1C u dl L
式中C (kf R (AS A η=-
工业上等温操作很难实现原因如下:
0dl
dT =则
dl
h 4dx
(d C u T h 4
R ((d 1(T T 0A
t 0A 0m 0
A t B W ⋅∆H--
换热时X ,
T ↓不变
换热时↓↓X , T
不变, X T ,但由于冷激气中含有辅助反应组合,如:
CO变换用水蒸气或软水冷激; SO 2氧化时用空气冷激等。
采用不同的段间换热方式,最终转化率的高低顺序为对X ,非原料气冷激>间接换热>原料气冷激
2.连续换热反应器
a .内冷自热式,如并流三套管氨合成塔
并流三套管氨合成塔及温度变化示意图
=-∆H-ε--=
由于X随l不是线性变化,因此床壁温度沿床高亦非线性变化,而需按一定的规律加以改变,因此实际上很难做到。3.单层绝热床的计算绝热操作时的数学模型
3
B
B
S g 2
m em
1d u 75. 1R 150(
dl
dp εε-⋅ρ+=- 0
A 0m B A A
C u
1(R (dl dX ε--=
1.一维拟均相理想流动模型基本假定:a.均相b.平推流
c.径向位置温度、浓度一致(不随r变基本方程
(1动量衡算方程(即厄根方程
3
B
B S g 2
m em 1d u 75. 1R 150
(dl dp εε-⋅ρ+=- (2物料衡算方程入-出=反+积
0dV 1(R ( dF F (F R B A A A A +ε--=+- dl A dV t R = A 0A 0m t A
s
s v =
=
=
V
S为单位颗粒体积具有的外表面积。
d.对混合粒子的平均直径∑=
d /x (1d i
i
m
i
x是直径为i
d的粒子的质量分率。
3.流体通过床层的压降a .床层的当量直径
V
B
B
e
S
1(4
4
d ⋅ε-ε
==浸润周边
截面积
由于S
V d
6S =
S
B
B
e
d
1(32
d ⋅ε-ε
⋅
=
∴ (可见朱炳陈P 109
c.一维模型
只考虑沿气体流动方向上的浓度差与温度差,垂直于流向的浓度及温度分布可忽略不计。
d.二维模型
同时考虑轴向及径向上的浓度及温度分布。
注意:非均相与拟均相是对催化剂颗粒内外气体混合物的浓度及温度分布的处理方法,而一维与二维模型是对反应器内气流主体中的浓度及温度分布的处理方法。
7.2.2采用一维拟均相流动模型对反应器的设计计算
1(3u d 2u d R B g g m S g
g e e ε-μρ=
μρ=
令
1(u d R B g g m S em ε-μρ=为修正雷诺数
测得:
75. 1R 150em
+=
λ'
则3
B
B S g 2
m em 1d u 75. 1R 150
(dl dp εε-⋅ρ+=- (厄根公式7.1— 10当压降较低时,则
第七章:气固相催化反应固定床反应器
7.1流体在固定床内的传递特性
1.床层空隙率与流体的流动空隙率:(利用B B p p v v w ρ=ρ=
111P
B B B P
V V ρερ=
=-
=-=-空隙体积颗粒体积
床层体积床层体积
P
B
, ρρ分别是颗粒密度和颗粒的堆积密度。
2.颗粒的当量直径a .体积当量直径(V d 3