固定床反应器课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件,*,第六章 固定床反应器,1,ppt课件,第六章 固定床反应器1ppt课件,重要过程：,丙烯氧化制丙烯酸,乙炔,HCl,制氯乙烯,乙烯环氧化制环氧乙烷,烃类加氢,乙苯脱氢制苯乙烯,煤气化,结构简单,高空速,很少催化剂损耗,很小气固返混,较长的扩散时间及距离,高床层压降,床内取热供热困难,催化剂取出更新困难,催化剂颗粒大，效率低,一、固定床反应器的特点,6.1,概述,流体通过固定的固体物料所形成的床层。,2,ppt课件,重要过程：结构简单一、固定床反应器的特点6.1 概述 流,二、固定床反应器的种类,（,1,）绝热式反应器,图,6-3,多段绝热床反应器,图,6-1,绝热床反应器,间接换热式,冷激式,3,ppt课件,二、固定床反应器的种类 图6-3 多段绝热床反应器,（,2,）对外换热式反应器,特点：单位床层体积具有的传热面积大，传热性能良好；,反应器放大设计可靠性高。,图,6-4,对外换热式反应器,4,ppt课件,（2）对外换热式反应器特点：单位床层体积具有的传热面积大，传,传热介质选用原则：,保证催化剂床层与传热介质之间有适宜的温差。,常用传热介质的温度范围,沸腾水,100-300,有机液态传热介质,200-350,熔盐,300-400,烟道气,600-700,5,ppt课件,传热介质选用原则：5ppt课件,（,3,）自热式反应器,空气,燃烧,二段转化炉,一段转化气,甲烷化炉,CO+3H,2,CH,4,+H,2,O,CO,2,+4H,2,CH,4,+2H,2,O,2H,2,+O,2,2H,2,O,CO+O,2,CO,2,CH,4,+H,2,O CO+3H,2,6,ppt课件,（3）自热式反应器空气燃烧二段转化炉一段转化气甲烷化炉 CO,（,4,）其它形式的固定床反应器,图,6-6,径向流反应器,已成功应用于合成氨反应器。特点是：压降小，可采用较细颗粒的催化剂，从而提高催化剂的有效系数。,7,ppt课件,（4）其它形式的固定床反应器图6-6 径向流反应器,6.2,固定床中的传递过程,6.2.1,粒子直径和床层空隙率,一、颗粒直径的表示方法,（,1,）表示方法,（,i,）体积相当直径,（,ii,）面积相当直径,（,iii,）比表面相当直径,式中，,S,V,=,a,p,/,V,p,，,称为颗粒的比表面。,（,2,）不同当量粒径的关系,式中，,，,称为颗粒的形状系数（）。,8,ppt课件,6.2 固定床中的传递过程6.2.1 粒子直径和床层空隙率一,表,6-1,非球形颗粒的形状系数,（,3,）混合粒子的平均直径,式中，,x,i,是直径为,d,i,粒子在全部粒子中所占的质量分数，可采用标准筛进行筛分分析得到。标准筛的规格见表,6-2,。,9,ppt课件,表6-1 非球形颗粒的形状系数（3）混合粒子的平均直径,二、床层空隙率,单位体积床层中,颗粒之间的空隙所占的体积分率,。,式中,床层堆积密度；,颗粒视密度。,注意：颗粒视密度与真密度之间的区别。,讨论：,（,1,）床层空隙率与颗粒形状和尺寸的关系。,（,2,）壁效应及流体均布。,图,6-9,填充床的空隙率,10,ppt课件,二、床层空隙率单位体积床层中,颗粒之间的空隙所占的体积分率。,三、固定床的当量直径,（,1,）床层比表面,（,2,）床层当量直径,式中，,R,H,水力半径。,式中，,n,p,单位体积床层中颗粒的个数。,11,ppt课件,三、固定床的当量直径（1）床层比表面（2）床层当量直径式中，,6.2.2,床层压降,床层压降是固定床反应器设计的重要参数，要求床层压降不超过床内压力的,15%,。,床层压降的计算,（,1,）,式中,u,m,空床流速；,L,床层高度；,、,流体的密度和粘度。,R,eM,1000,，湍流，上式中右边第一项可忽略。,12,ppt课件,6.2.2 床层压降 床层压降是固定床反应器设计,（,2,）,式中，,d,p,体积相当直径；,质量流速。,f,m,和,n,可由图,6-11,查取。,图,6-11,固定床的摩擦系数,13,ppt课件,（2）式中，dp 体积相当直径；,6.2.3,固定床中的传热,床层的传热性能直接决定了床内的温度分布，从而对反应速率和产物的组成分布都具有十分重要的影响。,传热方式：,导热、对流传热、热辐射。,传热途径：,粒内传热、颗粒与流体间传热、床层与器壁间传热。,一、颗粒与流体间传热系数,（,6-16,）,传热因子,适用范围,注意：目前，计算传热系数的经验公式有很多，可从有关文献或工具书中查取。应用时要注意公式规定的特性尺寸、特性温度和适用范围。,14,ppt课件,6.2.3 固定床中的传热 床层的传热性能直接,流体与颗粒间传热温差的计算,热量平衡,式中，,单位重量催化剂的外表面积；,床层比表面积,Se,的校正系数。,上式可整理成,其中，传热数,普朗特数,图,6-12,固定床中流体与颗粒外表面的温差,图,6-12,是上式的关联图，查图可求得不同条件下的,t,。,15,ppt课件,流体与颗粒间传热温差的计算热量平衡式中，,二、固定床的有效热导率,e,是针对拟均相模型提出的综合性传热参数，一般是指,er,。,e,值与颗粒与流体之间对流传热，颗粒及流体本身的导热，床层的辐射传热等多种传热作用有关。它不是物性参数，而是流体和固体颗粒特性以及流动状态的函数。,（,6-23,）,式中，,气体的热导率；,流体静止时床层的热导率；,径向与轴向传质速率之比；,颗粒间距与粒径比的影响。,值可由图,6-14,查取。,粒径,/,管径,图,6-14,16,ppt课件,二、固定床的有效热导率 e 是针对拟均相模型,包含床层空隙和颗粒对传热的贡献，由下式计算,（,6-24,）,式中，,分别表示颗粒与流体的热导率；,粒子表面的热辐射率；,床层的平均温度，,K,；,空隙的辐射给热系数；,（,6-25,）,17,ppt课件,包含床层空隙和颗粒对传热的贡献，由下式计算（6-2,颗粒的辐射给热系数；,（,6-26,）,颗粒接触点处流体薄膜对导热的影响。,（,6-27,）,图,6-15,可由图,6-15,查取。,18,ppt课件,颗粒的辐射给热系数,当颗粒直径甚小，床层温度不是很高，以及含有液体时，空隙和颗粒的辐射传热可忽略，式（,6-24,）可简化为：,（,6-28,）,19,ppt课件,当颗粒直径甚小，床层温度不是很高，以及含有液体,三、床层与器壁间的给热系数,h,0,一维模型中，床层与器壁间传热速率为,h,0,可由经验公式计算,（,6-32,）,（,6-31,）,式中，,y,无量纲数,b,无量纲数,（适用范围：,y,0.2,）,20,ppt课件,三、床层与器壁间的给热系数 h0 h0可由经验公式计算（6-,h,W,壁面处对流给热系数；,适用范围：,是,b,的函数，由图,6-16,查取。,图,6-16,（,6-40,）,21,ppt课件,hW 壁面处对流给热系数；适用范围：,例,6-2,解：（,1,）,22,ppt课件,例6-2解：（1）22ppt课件,6.2.4,固定床中的传质与混合,颗粒与流体间的传质系数,单位体积（或质量）催化剂上着眼组分,A,的传质速率,式中，,a,单位体积（或质量）催化剂作基准的传质表面积；,以浓度或分压表示的,A,组分的传质系数。,计算传质系数的经验关联式,（,6-43,）,式中,称为施密特数；,J,D,传质因子。,（,6-44,）,其中,23,ppt课件,6.2.4 固定床中的传质与混合颗粒与流体间的传质系数式中，,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,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。,24,ppt课件,6.3 拟均相一维模型概述24ppt课件,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,PFR,相似。,对右图固定床反应器取一微元段进行物料衡算,设计方程,床层高度,一般来说，固定床反应器换热比较困难，很难做到等温操作，此法仅用于对反应器进行估算。,25,ppt课件,6.3.1 等温反应器的计算 对右图固定床反应器取一,6.3.2,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：,（,6-55,）,（,6-59,）,式（,6-55,）和（,6-59,）分别积分并整理得：,（,6-60,）,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。,26,ppt课件,6.3.2 单层绝热式固定床反应器（6-55）（6-59）,图解法步骤,（,1,）由式（,6-60,）在,x,A,T,图中作绝热操作线；,（,2,）在绝热操作线上读出若干组（,x,Ai,，,T,i,）数据；,（,3,）由（,x,Ai,，,T,i,）数据计算（,-r,Ai,）和,1/,（,-r,Ai,）；,（,4,）作,1/,（,-r,A,）,x,A,曲线。该曲线下方介于,0,x,Af,之间的面积大小即,为,W/F,A0,。,（,5,）床层高度,T,T,0,x,A,斜率,=1/,绝热操作线,x,Ai,T,i,27,ppt课件,图解法步骤TT0 xA斜率=1/绝热操作线xAiTi27pp,（可逆反应）,例,6-3,28,ppt课件,（可逆反应）例 6-328ppt课件,解：这是绝热固定床中的非恒容可逆反应，定常态操作时，采用一维拟均相模型计算。动力学方程用组分分压表示，因此，需按化学计量式找出各组分分压与着眼组分转化率的关系。,由化学计量式和进料初浓度，可知本题中,A,是着眼组分。,代入动力学方程，并写成倒数形式，整理得：,29,ppt课件,解：这是绝热固定床中的非恒容可逆反应，定常态操作时，采用一维,物料衡算,代入已知数据整理得：,热量衡算,代入已知数据整理得：,积分,解得,注意：题目给出的是质量热容，此处要乘以混合气体的平均分子量换算为摩尔热容。,30,ppt课件,物料衡算代入已知数据整理得：热量衡算代入已知数据整理得：积分,通过以上整理，得到解题的基本方程组，就可以按照图解法求得床层高度。本题采用数值积分法求解，过程如下：,（,1,）将微分方程组改写为差分方程组,（,2,）给定积分步长,31,ppt课件,通过以上整理，得到解题的基本方程组，就可以按照,（,3,）计算框图,如右图所示。,（,4,）编制程序，上机运算,并打印结果。,本题结果为：,Yes,No,赋初值,计算,此处系采用计算机运算，积分步长取得比较小，故计算精度比教材中手工计算的结果（,2.582m,）大一些。,32,ppt课件,（3）计算框图YesNo赋初值计算 此处系采用计,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。对反应热较大的反应，在绝热条件下反应时，为了控制床层温度在合适范围之内，可采用多段床层，段间换热的方法。,设可逆放热反应在二段绝热固定床中反应，流程如下：,33,ppt课件,6.3.3 多层绝热式固定床反应器的计算和优化33ppt课,一、多段绝热固定床反应器计算,采用逐段计算，每段的计算与单段绝热固定床反应器相同。,设段与段之间采用间接换热，下一段入口的转化率与上一段出口相同，但温度不同。,催化剂总量为各段催化剂量之和：,式中,二、多段绝热固定床反应器优化设计,逐段计算时，每段床层出口转化率需要给定。在其他条件相同，出口转化率给定不同时，式（,A,）求得的催化剂总量不等。如何合理分配各段的反应量，使催化剂总用量最少，这就是多段绝热固定床反应器优化设计要解决的问题。,（,A,）,34,ppt课件,一、多段绝热固定床反应器计算式中 二、多段绝热固定床反应器优,式（,A,）对,x,Ai,求导，并令,，即,式中，不含,x,i,项的偏导数均为,0,，则上式可化简为,求导得优化条件之一,（,B,）,即：,应使下段入口处反应速率与上段出口处反应速率相等。,35,ppt课件,式（A）对xAi求导，并令，即式中，不含xi项的偏导数均为0,式（,A,）对,T,i,求导，并令,，即,该式表示，在 与 之间，必有使 的一点存在。由此可得优化设计条件之二：,各段入口操作点应位于 线的低温侧，出口操作点应位于其高温侧。,36,ppt课件,式（A）对Ti求导，并令，即 该式表示，在,床层出口状态的确定,作,x,A,曲线和,=0,的水平线；,求交点,x,opt,和,x,i-1,之间曲线和直线包围的面积；,在,x,opt,右侧确定一点,x,i,，使其与,x,opt,之间包围面积与左侧相等。,37,ppt课件,床层出口状态的确定37ppt课件,图解法优化设计步骤,步骤如右图所示。,注意：,（,1,）转化率和段数应同时满足规定。如不符，需调整出口状态点，直至满足要求。,（,2,）以上计算均以本征动力学方程或反应速率线图为依据的，如使用的催化剂存在有效系数问题，则应按校正后的实际速率计算；如流动偏离平推流，结果会有一定误差。,38,ppt课件,图解法优化设计步骤步骤如右图所示。（2）以上计算均,6.3.2,列管式固定床反应器设计,结构与列管式换热器相似，反应气体从装填催化剂的管内流过，管间通入换热介质进行换热。反应管并联连接，只需计算其中一根管的长度和催化剂装填量。,一维拟均相模型法,由于反应器内存在换热，计算中要考虑热量传递的影响。,床层与管壁间的传热量,式中，总括传热系数,h,0,可由,Leva,公式计算：,使用经验关联式时要注意条件和式中各参数的单位。,39,ppt课件,6.3.2 列管式固定床反应器设计式中，总括传热系数h0可由,床层与管外传热介质之间的总传热系数,管内物料和热量衡算,如图，取管内微元长度对组分,A,进行衡算得：,整理得,该方程组就是列管式固定床反应器的一维拟均相数学模型，对一定的生产任务，可计算出床层中轴向浓度和温度分布。,40,ppt课件,床层与管外传热介质之间的总传热系数管内物料和热量衡算整理得,四阶龙格,-,库塔法求解步骤,（,1,）将微分方程组化成差分方程组,（,2,）给定边界条件，,，步长 ，计算,（,3,）将,x,A1,、,T,1,、,l,1,作为初值，重复（,2,）的计算，直至,x,A,x,Af,。,41,ppt课件,四阶龙格-库塔法求解步骤（1）将微分方程组化成差分方程组（2,（,4,）打印计算结果。,计算结果为一组数据，由此数据可作出床层轴向温度和浓,度分布图。,上图是一个不可逆放热反应的温度和转化率沿反应管长的分布曲线。在温度分布线上有一个最高点。设计时应使此热点温度低于反应器和催化剂允许的最高温度，以防止产生飞温失控。,讨论：,产生热点温度的原因及降低热点温度的措施？,42,ppt课件,（4）打印计算结果。上图是一个不可逆放热反应的,43,ppt课件,43ppt课件,解：这是一个热效应很大的放热反应，为防止飞温，采用较低的进料浓度。因此，反应器内气体流动可近似按恒摩尔流处理。有关物性参数也可取空气之值。,44,ppt课件,解：这是一个热效应很大的放热反应，为防止飞温，采用较低的进料,此处以,h,0,代替,U,龙格,-,库塔法求解结果如下：,热点,45,ppt课件,此处以h0代替U龙格-库塔法求解结果如下：热点45ppt课件,