第6章 固定床反应器1课件.ppt

例：苯加氢反应器在1013.3kPa下操作，气体质量速度G=3000 kg.m-2h-1，催化剂为Φ8×9mm圆柱体，颗粒密度ρP=0.9g.cm-3，床层堆积密度ρB=0.6 g.cm-3，在反应器某处气体温度为220℃，气体组成为10％苯，80％氢，5％环己烷和5％甲烷(体积分率)，测得该处宏观反应速率(-rA)=0.015mol.h-1g-1(cat) 。估算该处催化剂的外表面浓度。 　已知：气体粘度μ=1.4×10-4 g.cm-1s-1，综合扩散系数D=0.267cm2s-1。 解： （1）计算催化剂的粒径dS。 （2）计算床层中气体的修正雷诺数。 （3）计算JD和kg值。 （4）计算cAG和cAS 习题：试计算例题中催化剂的外表面处温度。 已知反应热为(-ΔH)=2.135×105J·mol-1，气体的定压比热容cP=49J·mol-1K-1。 活性温度范围： 610～700K 粒径： dP=3mm 堆积密度： ρB=1300kg.m-3 催化剂有效因子：η =0.67 反应器管长： L=3m 管内径： dt=25mm 管数： n=2500根 原料气中 邻二甲苯的初摩尔分数： yA0=0.9 空气的初摩尔分数： yB0=99.1 混合气平均相对分子质量： M=30.14kg.kmol-1 混合气平均热容：cP=1.071kJ.kg-1K-1 混合气入口温度：640-650K 化学反应式： 反应速率方程： 小结 基本设计方程、设计原则 重点为拟均相一维数学模型 等温反应器设计 单层绝热床设计 多段绝热床的优化 固定床反应器数学模型类别及基本假定（一维、二维、拟均相、非均相） 固定床反应器设计计算 任务书 在管式反应器中进行的邻二甲苯催化氧化制邻苯二甲酸酐是强放热反应过程，催化剂为V2O5，以有催化作用的硅胶为载体。 小结： 颗粒与流体间的传（给）热系数hp 传热因子JH 流体与颗粒间传热温差的计算 固定床的有效热导率 床层与器壁间的给热系数 h0 传质因子JD 6.3 拟均相一维模型 概述 一、拟均相模型 忽略床层中催化剂颗粒与流体之间温度与浓度差别，将气相反应物与催化剂看成均匀连续的均相物系。 （1）一维拟均相模型 只考虑沿气体流动方向的温度和浓度变化。根据流动形式还可分为平推流一维模型和轴向分散一维模型。 （2）二维拟均相模型 同时考虑轴向和径向的温度和浓度分布。 二、非均相模型 非均相：反应属于扩散和化学动力学共同控制时，则催化剂颗粒表面、内部、外部浓度不均一，传递阻力或传递与动力学阻力不可忽略，应计及催化剂的存在和计算宏观反应速率，称为“非均相”模型。 简言之即考虑颗粒与流体之间的温度差和浓度差。 一般来说，模型考虑得越全面，对过程模拟越精确，但计算工作量也越大，甚至无法求解。因此，在工程计算允许的误差范围内应尽可能选用简单模型。 6.3.1 等温反应器的计算 床层温度均匀一致，反应速率常数为常数，反应速度仅与浓度有关。按一维拟均相处理，设计方法与平推流相似。 对右图固定床反应器取一微元段进行物料衡算（以cat的质量定义） 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－ 输出= 反应＋ 积累 FA FA+dFA (-rA)(1-εB)Aidl 0 以催化剂颗粒体积计量 若以催化剂质量计量： 设计方程 床层高度 注意：一般来说，固定床反应器换热比较困难，很难做到等温操作，仅用于对反应器进行估算罢了。 以催化剂颗粒体积计量： 对照平推流反应器性能方程 二者相同 6.3.2 单层绝热式固定床反应器 定常态操作时，与流动方向垂直的截面上温度、浓度均匀一致，且不随时间变化。体系的温度和浓度仅随流动方向的空间位置变化。 取反应器内一微元段进行物料衡算和热量衡算得： 上述两式分别积分并整理得： 设计方程 操作方程 设计方程和操作方程联立求解，可求得W。但当动力学方程比较复杂时，难以得到解析解。一般采用数值积分或图解法计算。 图解法步骤 （1）由设计方程在 xA－T 图中作绝热操作线； （2）在绝热操作线上读出若干组（ xAi，Ti ）数据； （3）由（ xAi，Ti ）数据计算（-rAi）和1/（-rAi）； （4）作1/（-rA）~ xA曲线。该曲线下方介于0~ xAf之间的面积大小即 为W/FA0。 （5）床层高度 T T0 xA 斜率=1/λ 绝热操作线 xAi Ti W/FA0 xA 6.3.3 多层绝热式固定床反应器的计算和优化 固定床反应器的缺点之一是换热困难。对反应热