固定床催化反应过程（化工计算传质学导论） .pdfVIP

固定床催化反应过程

计算传质学模拟的过程对象是传质设备中耦合的流体流动、传热和传质以及伴随的化

学反应过程。第5章是模拟精馅过程中流体流动与传质，因为除有热效应的反应精馋以及

精馅塔内有换热的过程外，传热过程一般可以忽略。第6章模拟的化学吸收过程中常产生

热效应，需要考虑传热过程。本章模拟固定床催化反应器并有外套管冷却，包括传质过程

与化学反应相耦合、反应热效应和反应器与外围的热量传递。

固定床反应器作为非均相催化反应器在化学反应工程中得到了广泛应用，相关学者对

其行了大量研究工作。但在固定床反应器的设计、优化过程中，流体流动、传热、传质

模型的建立仍然存在不少问题。早期由于计算机资源的限制以及相关研究的缺少，常常把

流动、传热、传质简化为一维流动和只有轴向扩散、而不考虑径向扩散现象，即认为反应

组分的浓度、流体温度只在轴向上存在梯度，在径向上是均匀的。

随后，大量实验表明，固定床反应器中反应组分的径向扩散现象不可忽略，它能显著

降低物质浓度梯度，从而降低反应器的性能，因此对于严格的模拟，必须考虑它的影响。

为此，人们提出了固定床反应器含有径向和轴向的二维模型。但模型中的径向及轴向传质

扩散系数的估计目前仍然如前面所述，选取一个Pe（或Sc）准数或采用根据惰性示踪剂实验

而得到的经验关联式来计算。然而前者只能靠经验，后者不但缺乏理论依据，而且是从个

别实验得出来的，它只与操作参数、物性相关，而与位置、物质浓度无关，这显然与实际

情况不符合。

此外，随着关于填料床结构、孔隙率分布的深入研究，以及流体流动分布的研究，发

现由于填料床的孔隙率在径向上的不均匀分布，使轴向流速从塔壁到塔中心呈现振荡衰减

趋势A3】，而且在近壁区出现最大值〔4〜可。因此很多研究结果［7,81表明，在设计、优化固定

床反应器过程中，只有将这种不均匀性考虑到模型中，才能正确地预测固定床反应器内流

动、温度、浓度的分布。

本章内容就是采用计算传质学模型来模拟固定床催化反应器内的流体流动、传热、传

质和反应过程，并与文献实验数据比较。

7.1模拟对象：壁冷式固定床催化反应器

模拟对象为询star等报导的气相合成醋酸乙烯的壁冷式固定床催化反应器回。他们在

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壁冷式固定床催化反应器内，以醋酸锌活性炭为催化剂，用乙快与醋酸的反应制备醋酸乙

烯，并且报导了醋酸转化率沿塔高的变化，不同轴向位置处温度沿径向的变化。反应器的内

径、外径分别是0.041m、0.0449m,催化剂装填高度为1m,反应器外面套有直径为0.0725m

的圆管作为夹套，在两管间填充流速大约为3.2m・sT的油，将反应生成的热带走，油温变

化控制在0.5°C内，使反应器壁温恒定。操作时，反应组分气相混合物从塔底入反应器，

经过催化剂固定床发生反应、传热、传质，最后由塔顶排出。反应混合物的物性见表7-1,

催化剂相关信息见表7-2。

表7・1反应混合物物性以及操作条件

实验to摩尔比平均分子量GMgRepqy

编号(C)(kg-kmol-1)Gcg-m-2-s_l)(IO-kgm-LsT)(J-kg-^K1)0或成-、一1)

1176.11.539.60.221.3725816800.0333

2176.01.539.60.1861.369516800.0333

3186.1.539.60.221.3765817100.03

4176.1.032.80.2001.375818000.0380