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1、固定床反應(yīng)器及其設(shè)計計算,劉恩周, 講師 西北大學(xué)化工學(xué)院 2015年4月24日,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,Page 1,Page 2,主要內(nèi)容,1. 概念 2. 分析（換熱） 3. 傳遞過程 4. 擬均相一維模型 5. 設(shè)計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,Page 3,固定床反應(yīng)器---概念,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,又稱填充床反應(yīng)器，裝填有固體催化劑或固體反應(yīng)物用以實現(xiàn)多相反應(yīng)過程的一種反應(yīng)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(yīng)。 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(yīng)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(wǎng)，可作800度以下的反應(yīng)。,Page 4,固定床反應(yīng)器---概念,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,與流化床反應(yīng)器及移動床反應(yīng)器的區(qū)別在于固體顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)。固定床反應(yīng)器主要用于實現(xiàn)氣固相催化反應(yīng)，如氨合成塔、二氧化硫接觸氧化器、烴類蒸汽轉(zhuǎn)化爐等。 用于氣固相或液固相非催化反應(yīng)時，床層則填裝固體
3、反應(yīng)物。涓流床反應(yīng)器也可歸屬于固定床反應(yīng)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(yīng)器---分類（換熱）,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,絕熱床反應(yīng)器,對外換熱式反應(yīng)器,多段絕熱床反應(yīng)器,Page 6,2.固定床反應(yīng)器---分類（換熱）,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,自熱式反應(yīng)器,傳熱和溫度控制是難點，固定列管式固定床反應(yīng)器性能較好 反應(yīng)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(yīng)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(shù) s 3.床層空隙率 B 4.床層當(dāng)量直徑 de 5.床層壓降 P,Page 8,3.固定床反應(yīng)器傳遞過程基本概念,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,6.傳熱系數(shù)(3種v P166) 顆粒與流體間傳熱系數(shù)(hp) 固定床中的有效熱傳導(dǎo)(e) 床層與器壁間的給熱系數(shù) h0(一維模型)和 hw (二維模型) 7.傳質(zhì)系數(shù)(P170) 顆粒與流體間的傳質(zhì) 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(yīng)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(jù)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(yīng)器的計算(P173) 床層溫度均勻一致，反應(yīng)速率常數(shù)為常數(shù)，反應(yīng)速度僅與濃度有關(guān)。按一維
6、擬均相處理，設(shè)計方法與PFR相似。,對右圖固定床反應(yīng)器取一微元段進行物料衡算,Page 11,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,設(shè)計方程,床層高度,一般，固定床反應(yīng)器換熱比較困難，很難做到等溫操作，此法僅用于對反應(yīng)器進行估算。,或等溫反應(yīng)器,Page 12,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,4.2單層絕熱式固定床反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)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(shè)計方程,操作方程,設(shè)計方程和操作方程聯(lián)立求解，可求W。當(dāng)動力學(xué)方程比較復(fù)雜時，難以得到解析解。一般采用數(shù)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(shù)據(jù)； 3）由（ xAi，Ti ）數(shù)據(jù)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(yīng)器設(shè)計 結(jié)構(gòu)與列管式換熱器相似，反應(yīng)氣體從裝填催化劑的管內(nèi)流過，管間通入換熱介質(zhì)進行換熱。反應(yīng)管并聯(lián)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(yīng)器內(nèi)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(shù)h0可由Leva公式計算：,使用經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式時要注意
9、條件和式中各參數(shù)的單位。,床層與管外傳熱介質(zhì)之間的總傳熱系數(shù),管內(nèi)物料和熱量衡算 如圖，取管內(nèi)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(yīng)器的一維擬均相數(shù)學(xué)模型，對一定的生產(chǎn)任務(wù)，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(fù)（2）的計算，直至xAxAf。,Page 21,5.設(shè)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(yīng)器計算 （一維擬均相等溫反應(yīng)器）,方程式
10、,主反應(yīng),付反應(yīng),總反應(yīng),4,2,Page 22,5.設(shè)計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,反應(yīng)機理,,速率控制步驟,Page 23,5.設(shè)計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,反應(yīng)熱公式,平衡常數(shù)公式,,4次方,范德霍夫方程,Page 25,5.設(shè)計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,Page 26,5.設(shè)計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,物料衡算,Page 27,5.設(shè)計實例,Enzhou Li
11、u, Northwest University, Xian,動力學(xué)方程,,Page 28,5.設(shè)計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,Page 29,5.設(shè)計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,質(zhì)量傳遞,建立數(shù)學(xué)模型,,Page 30,5.設(shè)計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,熱量傳遞,,第一個反應(yīng)對反應(yīng)器中溫度升高的貢獻,,第二個反應(yīng)對反應(yīng)器中溫度升高的貢獻,,向外界傳熱對反應(yīng)器中溫度降低的貢獻,Page 31,5.設(shè)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(shù)計算,Page 32,5.設(shè)計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,床層與管外傳熱介質(zhì)之間的總傳熱系數(shù),Page 33,5.設(shè)計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,動量傳遞,Page 34,5.設(shè)計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,反應(yīng)工藝條件,Page 35,5.設(shè)計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,計算結(jié)果,,,Page 36,5.設(shè)計實例,Enzhou Liu, Northwest University, Xian,計算結(jié)果,,乙二醇分率,Page 38,謝謝!,
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