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1、固定床反應器及其設計計算,劉恩周, 講師 西北大學化工學院 2015年4月24日,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,Page 1,Page 2,主要內容,1. 概念 2. 分析（換熱） 3. 傳遞過程 4. 擬均相一維模型 5. 設計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,Page 3,固定床反應器---概念,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,又稱填充床反應器，裝填有固體催化劑或固體反應物用以實現多相反應過程的一種反應器。固體物通常呈顆粒狀，粒徑215mm左右,堆
2、積成一定高度（或厚度）的床層。床層靜止不動，流體通過床層進行反應。 實驗室：石英管、不銹鋼管 催化劑顆粒放在等溫區(qū)，其余填充石英砂，兩端用玻璃棉封口防止石英砂被吹出。 用D6或D8的不銹鋼管做反應管較寬、催化劑較少時，用更細的不銹鋼管作支撐管，上墊不銹鋼網，可作800度以下的反應。,Page 4,固定床反應器---概念,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,與流化床反應器及移動床反應器的區(qū)別在于固體顆粒處于靜止狀態(tài)。固定床反應器主要用于實現氣固相催化反應，如氨合成塔、二氧化硫接觸氧化器、烴類蒸汽轉化爐等。 用于氣固相或液固相非催化反應時，床層則填裝固體
3、反應物。涓流床反應器也可歸屬于固定床反應器，氣、液相并流向下通過床層，呈氣液固相接觸。,Page 5,2.固定床反應器---分類（換熱）,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,絕熱床反應器,對外換熱式反應器,多段絕熱床反應器,Page 6,2.固定床反應器---分類（換熱）,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,自熱式反應器,傳熱和溫度控制是難點，固定列管式固定床反應器性能較好 反應物流處于湍流狀態(tài)時，空管的長徑比大于50; 填充段長與粒徑之比大于100(氣體)或200(液體),Page 7,3.固定床反應器傳遞過
4、程基本概念,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,1.粒子直徑(3種，da ds dv P162) 2.形狀系數 s 3.床層空隙率 B 4.床層當量直徑 de 5.床層壓降 P,Page 8,3.固定床反應器傳遞過程基本概念,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,6.傳熱系數(3種v P166) 顆粒與流體間傳熱系數(hp) 固定床中的有效熱傳導(e) 床層與器壁間的給熱系數 h0(一維模型)和 hw (二維模型) 7.傳質系數(P170) 顆粒與流體間的傳質 流體的混合擴散（Ez和Er）,Page
5、9,4.擬均相一維模型,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,一、擬均相模型 忽略床層中催化劑顆粒與流體之間溫度與濃度差別，將氣相反應物與催化劑看成均勻連續(xù)的均相物系。 （1）一維擬均相模型 只考慮沿氣體流動方向的溫度和濃度變化。 根據流動形式分為平推流一維模型和軸向分散一維模型。 （2）二維擬均相模型 同時考慮軸向和徑向的溫度和濃度分布。,Page 10,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,4.1 等溫反應器的計算(P173) 床層溫度均勻一致，反應速率常數為常數，反應速度僅與濃度有關。按一維
6、擬均相處理，設計方法與PFR相似。,對右圖固定床反應器取一微元段進行物料衡算,Page 11,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,設計方程,床層高度,一般，固定床反應器換熱比較困難，很難做到等溫操作，此法僅用于對反應器進行估算。,或等溫反應器,Page 12,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,4.2單層絕熱式固定床反應器 定常態(tài)操作時，與流動方向垂直的截面上溫度、濃度均勻一致，且不隨時間變化。體系的溫度和濃度僅隨流動方向的空間位置變化。 取反應器內一微元段進行物料衡算和熱量衡算得：,（6-55）,（6-59
7、）,Page 13,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,式（6-55）和（6-59）分別積分并整理得：,（6-60）,設計方程,操作方程,設計方程和操作方程聯立求解，可求W。當動力學方程比較復雜時，難以得到解析解。一般采用數值積分或圖解法計算。,Page 14,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,圖解法步驟 1）由式（6-60）在 xAT 圖中作絕熱操作線； 2）在絕熱操作線上讀出若干組（ xAi，Ti ）數據； 3）由（ xAi，Ti ）數據計算（-rAi）和1/（-rAi）； 4）作1/（-rA） xA曲線
8、。該曲線下方介于0 xAf之間的面積 大小即W/FA0。 5）床層高度,Page 15,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,4.3 列管式固定床反應器設計 結構與列管式換熱器相似，反應氣體從裝填催化劑的管內流過，管間通入換熱介質進行換熱。反應管并聯連接，只需計算其中一根管的長度和催化劑裝填量。,Page 16,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,一維擬均相模型法 由于反應器內存在換熱，計算中要考慮熱量傳遞的影響。 床層與管壁間的傳熱量,式中，總括傳熱系數h0可由Leva公式計算：,使用經驗關聯式時要注意
9、條件和式中各參數的單位。,床層與管外傳熱介質之間的總傳熱系數,管內物料和熱量衡算 如圖，取管內微元長度對組分A進行衡算得：,整理得,該方程組就是列管式固定床反應器的一維擬均相數學模型，對一定的生產任務，可計算出床層中軸向濃度和溫度分布。,四階龍格-庫塔法求解步驟,（1）將微分方程組化成差分方程組,（2）給定邊界條件，,，步長 ，計算,（3）將xA1、T1、l1作為初值，重復（2）的計算，直至xAxAf。,Page 21,5.設計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,草酸二甲酯加氫制備乙二醇列管式固定床反應器計算 （一維擬均相等溫反應器）,方程式
10、,主反應,付反應,總反應,4,2,Page 22,5.設計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,反應機理,,速率控制步驟,Page 23,5.設計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,反應熱公式,平衡常數公式,,4次方,范德霍夫方程,Page 25,5.設計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,Page 26,5.設計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,物料衡算,Page 27,5.設計實例,Enzhou Li
11、u, Northwest University, Xian,動力學方程,,Page 28,5.設計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,Page 29,5.設計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,質量傳遞,建立數學模型,,Page 30,5.設計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,熱量傳遞,,第一個反應對反應器中溫度升高的貢獻,,第二個反應對反應器中溫度升高的貢獻,,向外界傳熱對反應器中溫度降低的貢獻,Page 31,5.設計實例,Enzhou Liu,
12、 Northwest University, Xian,管程中催化劑與殼程沸騰水總傳熱系數計算,Page 32,5.設計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,床層與管外傳熱介質之間的總傳熱系數,Page 33,5.設計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,動量傳遞,Page 34,5.設計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,反應工藝條件,Page 35,5.設計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,計算結果,,,Page 36,5.設計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,計算結果,,乙二醇分率,Page 38,謝謝!,
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