化学反应工程第6章.pptx

第5章;第一节：概述;二、催化固定床反应器的优缺点;2.缺点： （1）传热较差； （2）催化剂的更换必须停车，浪费人力、物力，要求催化剂有足够的寿命； （3）催化剂的有效系数低。;固定床催化反应器的类型;;;操作方式： 绝热、换热两种；操作方式的不同，反应器的结构就不同。 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。;径向反应器特点：气体留道短，流速低，可大为降低催化床层压降，为使用小颗粒催化剂提供了条件。 设计的关键：合理设计流道使各横截面上的气体流量均等。;;四、基本设计原则;2.基本设计原则 （1）确定催化剂用量，W Wmin ； （2）确定传热方式，算出床层温度分布，使之趋于最佳温度曲线上分布； （3）确定最佳工艺操作参数及固定床的类型和结构。;五、固定床反应器的数学模型;六、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。;第二节：固定床反应器内的传递特性;一、颗粒层的若干物理特性参数;4.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）。 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。;壁效应：靠近壁面处的空隙率比其它部位大。 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。;2.粒径 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。 （1）体积当量直径：(非球形颗粒折合成同体积的球形颗粒应当具有的直径） ;（3）比表面积当量直径： (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） ;（4）混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子直径的加权平均）;;二、床层压降;;压降计算通常利用厄根（Ergun）方程：;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。 催化剂为球体，空隙率εB=0.44。在反应条件下气体的密度ρg-3，粘度μg=2.3×10-5kg.m-1s-1，气体的质量流速G-2s-1。求床层的压降。;解：①求颗粒的平均直径。 ②计算修正雷诺数。 ;③计算床层压降。;三、固定床中的传热;（4）总给热系数h0（固定床单纯作为换热装置时，以床层的平均温度与管壁的温差为推动力）； （5）有效导热系数λe（在拟均相模型中，把包括颗粒与流体的床层视为均相） 由于混合扩散情况的差异，需要进一步区分轴向和径向的有效导热系数。如： 轴向λez和径向λer。 ;;;;;;;四、固定床中的传质与混合;;2.固定床中流体间的混合扩散;;在固定床反应器中，其粒内、外传递过程的重要性顺序： 传质：粒内阻力床层内阻力流体与粒子间的阻力； 传热：床层内阻力流体与粒子间的阻力粒内阻力。 在工业装置中，由于流速较高，流体与粒子间的温度差和浓度差，除少数快速强放热反应外，都可以忽略。 研究重点： 传质：粒内扩散（催化剂的有效系数η） 传热：床层内的传热（床层中的有效导热系数λe） 固定床反应器的设计和放大可以采用拟均相模型处理。;第三节：固定床催化反应器的设计模型;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，达到最大生产强度。;模型化;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 …………;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：在平推流模型的基础上叠加了轴向返混。;一、拟均相一维平推流模型;整理得： 对照平推流反应器模型 二者相同;（2）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 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)nπdidl 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;将各式代入，得 （3）动量衡算：仍然是Ergun方程;将三