气固相催化反应固定床反应器

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1、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。2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。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）。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

2、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。5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）外表面积：(非球形颗粒折合成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）6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）混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子直径的加权平均）7气体流动通过催化剂床层，将产生压

3、降。压降计算通常利用厄根（Ergun）方程：8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大，可视为常数，压降将呈线性分布（大多数情况）。9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=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。10解：①求颗粒的平均直径。②计算修正雷诺数。11③计算床层压降。12固定床催化反应器的设计绝热型

4、换热型13141516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。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。1718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

5、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，分为几种不同层次的模型。19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

6、型：在平推流模型的基础上叠加了轴向返混。2021一维拟均相平推流模型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：dv输入－输出=反应＋积累FAFA+dFA(-RA)(1-εB)Aidl022整理得：对照平推流反应器模型二者相同23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：GcpTG质量流量,cp恒压热容输出：Gcp(T+dT)反应热效应：(-RA)(1-εB)(-ΔH)Aidl热交换：U(T-Tr)πdidldi反应器直径积累：0U:气流

7、与冷却介质之间的换热系数Tr：环境温度24将各式代入，得动量衡算：仍然是Ergun方程25将三个方程联立：边界条件：L=0,p=p0,xA=xA0,T=T026需要注意的问题1从解题的角度看，一般壁温恒定，实际情况并非如此。2对于低压系统，压降十分重要。3U不是物性参数，需实验确定。4注意u0,u,um的关系。5如果多根管子并联，体系将自动调节各管的流量，使压降相同，此时各管的处理量不同，转化率不同，造成生产能力和产品质量下降。27典型模拟结果两种特殊情况：1等温：反应热效应不大，管径较小，传热很好时，可近似按等温

8、计算。等温时，28292绝热：若绝热，则T=Tr，或者认为U=0。此时，将物料衡算式与热量衡算式合并，可得：λ：绝热温升，如果在一定范围内视物性为常数，λ将不随x及T变化。则：T－T0=λ(x－x0)温度与转化率形成一一对应关系，中，温度可以由T=T0+λ(x－x0)代替。3031可逆放热反应绝热反应器的最优化（以SO2＋1/2O2=SO3为例）xT平衡线等