固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算課件

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1、2016“ ”固定床反應(yīng)器及其設(shè)計(jì)計(jì)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 2016“ ” Page 2 主要內(nèi)容1. 概 念2. 分 析 （ 換 熱 ）3. 傳 遞 過(guò) 程4. 擬 均 相 一 維 模 型5. 設(shè) 計(jì) 實(shí) 例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 2016“ ” Page 3 1. 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

2、 固 體 催 化 劑 或 固 體 反 應(yīng)物 用 以 實(shí) 現(xiàn) 多 相 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 一 種 反 應(yīng) 器 。 固 體 物 通 常 呈 顆粒 狀 ， 粒 徑 2 15mm左 右 ,堆 積 成 一 定 高 度 （ 或 厚 度 ） 的 床層 。 床 層 靜 止 不 動(dòng) ， 流 體 通 過(guò) 床 層 進(jìn) 行 反 應(yīng) 。實(shí) 驗(yàn) 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(shí) ， 用 更細(xì)

3、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) 。 2016“ ” Page 4 1. 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(dòng) 床 反 應(yīng) 器 的 區(qū) 別 在 于固 體 顆 粒 處 于 靜 止 狀 態(tài) 。 固 定 床 反 應(yīng) 器 主 要 用 于實(shí) 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(shí) ，

4、床 層 則填 裝 固 體 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(guò) 床 層 ， 呈 氣 液固 相 接 觸 。 2016“ ” 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(duì)外換熱式反應(yīng)器多段絕熱床反應(yīng)器 2016“ ” 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(diǎn)，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)

5、時(shí)，空管的長(zhǎng)徑比大于50; 填充段長(zhǎng)與粒徑之比大于100(氣體)或200(液體) 2016“ ” Page 7 3.固定床反應(yīng)器傳遞過(guò)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) s3.床 層 空 隙 率 B4.床 層 當(dāng) 量 直 徑 de5.床 層 壓 降 P 2016“ ” Page 8 3.固定床反應(yīng)器傳遞過(guò)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

6、 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(kuò) 散 （ Ez和 Er） 2016“ ” Page 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)

7、的 均 相 物 系 。 （ 1） 一 維 擬 均 相 模 型 只 考 慮 沿 氣 體 流 動(dòng) 方 向 的 溫 度 和 濃 度 變 化 。 根 據(jù) 流 動(dòng) 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(shí) 考 慮 軸 向 和 徑 向 的 溫 度 和 濃 度 分 布 。 2016“ ” Page 10Enzhou Liu, Northwest University, Xian 4.1 等 溫 反 應(yīng) 器 的 計(jì) 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

8、 與 濃 度 有 關(guān) 。 按 一 維 擬 均 相 處 理 ， 設(shè) 計(jì) 方 法 與 PFR相 似 。對(duì) 右 圖 固 定 床 反 應(yīng) 器 取 一 微 元 段 進(jìn) 行 物 料 衡 算 AAA dxFdWr 0)( AfAxx AAW AA rdxFWFdW 0 )(0 00BW 為 床 層 密 度 或 堆 積 密 度為 催 化 劑 質(zhì) 量 2016“ ” Page 11Enzhou Liu, Northwest University, Xian AAA dxFdWr 0)( AfAxx AAW AA rdxFWFdW 0 )(0 00設(shè) 計(jì) 方 程床 層 高 度 BSWL 一 般 ， 固 定 床 反

9、 應(yīng) 器 換 熱 比 較 困 難 ， 很 難 做 到 等 溫 操 作 ，此 法 僅 用 于 對(duì) 反 應(yīng) 器 進(jìn) 行 估 算 ?；?等 溫 反 應(yīng) 器 ( )A B AdCu rdl 0 00 AL C AC AdCuL dl r 2016“ ” Page 12Enzhou 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(shí) ， 與 流 動(dòng) 方 向 垂 直 的 截 面 上 溫 度 、 濃 度 均勻 一 致 ， 且 不 隨 時(shí) 間 變 化 。 體 系 的 溫 度 和 濃 度 僅 隨 流 動(dòng) 方 向的 空 間 位

10、置 變 化 。 取 反 應(yīng) 器 內(nèi) 一 微 元 段 進(jìn) 行 物 料 衡 算 和 熱 量衡 算 得 ： AABtAA dxFdldrdWr 024)()( )()( 0 AAAAAPpii HdxFdWrHdTcFdTcF （ 6-55）（ 6-59） 2016“ ” Page 13Enzhou Liu, Northwest University, Xian 式 （ 6-55） 和 （ 6-59） 分 別 積 分 并 整 理 得 ： )()()( 0000 AAAA P AA xxxxc HyTT （ 6-60） AfAxx AAA rdxFW 0 )(0設(shè) 計(jì) 方 程操 作 方 程 設(shè) 計(jì) 方

11、 程 和 操 作 方 程 聯(lián) 立 求 解 ， 可 求 W。 當(dāng) 動(dòng) 力 學(xué) 方 程 比較 復(fù) 雜 時(shí) ， 難 以 得 到 解 析 解 。 一 般 采 用 數(shù) 值 積 分 或 圖 解 法 計(jì) 算 。 2016“ ” Page 14Enzhou 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(jì) 算 （ -rAi） 和 1/（ -rAi） ；4） 作 1/（ -

12、rA） xA曲 線 。 該 曲 線 下 方 介 于 0 xAf之 間 的 面 積大 小 即 W/FA0。5） 床 層 高 度 BSWL Ar1 2016“ ” Page 15Enzhou Liu, Northwest University, Xian 4.3 列 管 式 固 定 床 反 應(yīng) 器 設(shè) 計(jì) 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(guò) ， 管 間 通 入 換 熱 介 質(zhì) 進(jìn) 行 換 熱 。 反 應(yīng) 管 并 聯(lián) 連 接 ，只 需 計(jì) 算 其 中 一 根 管 的 長(zhǎng) 度 和 催 化 劑 裝 填 量 。 2016“ ” Page

13、 16Enzhou 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(jì) 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(jì) 算 ： )(T WM T )(T WM T使 用 經(jīng) 驗(yàn) 關(guān) 聯(lián) 式 時(shí) 要 注 意 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(zhǎng)

14、度 對(duì) 組 分 A進(jìn) 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(duì) 一 定 的 生 產(chǎn) 任 務(wù) ， 可 計(jì) 算 出 床 層 中 軸 向 濃 度 和 溫 度 分布 。 “ ”四 階 龍 格 -庫(kù) 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 ， 00 , ,0 TTxxl AA ， 步 長(zhǎng) ， 計(jì) 算l（ 3） 將 x A1、 T1、 l1作 為 初 值 ， 重 復(fù) （ 2） 的 計(jì) 算 ， 直 至 xA xAf。 201

15、6“ ” Page 21 5.設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)算（一維擬均相等溫反應(yīng)器）方程式主反應(yīng)付反應(yīng)總反應(yīng)4 2 2016“ ” Page 22 5.設(shè)計(jì)實(shí)例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 反應(yīng)機(jī)理速率控制步驟 2016“ ” Page 23 5.設(shè)計(jì)實(shí)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 2016“ ” Page 25 5.設(shè)計(jì)實(shí)例 Enzhou

16、Liu, Northwest University, Xian 2016“ ” Page 26 5.設(shè)計(jì)實(shí)例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 物料衡算 2016“ ” Page 27 5.設(shè)計(jì)實(shí)例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 動(dòng)力學(xué)方程 2016“ ” Page 28 5.設(shè)計(jì)實(shí)例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 2016“ ” Page 29 5.設(shè)計(jì)實(shí)例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 質(zhì)量傳遞建立數(shù)學(xué)模

17、型 2016“ ” Page 30 5.設(shè)計(jì)實(shí)例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 熱量傳遞第一個(gè)反應(yīng)對(duì)反應(yīng)器中溫度升高的貢獻(xiàn)第二個(gè)反應(yīng)對(duì)反應(yīng)器中溫度升高的貢獻(xiàn)向外界傳熱對(duì)反應(yīng)器中溫度降低的貢獻(xiàn) 2016“ ” Page 31 5.設(shè)計(jì)實(shí)例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 管程中催化劑與殼程沸騰水總傳熱系數(shù)計(jì)算 2016“ ” Page 32 5.設(shè)計(jì)實(shí)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) 20

18、16“ ” Page 33 5.設(shè)計(jì)實(shí)例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 動(dòng)量傳遞 2016“ ” Page 34 5.設(shè)計(jì)實(shí)例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 反應(yīng)工藝條件 2016“ ” Page 35 5.設(shè)計(jì)實(shí)例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 計(jì)算結(jié)果 2016“ ” Page 36 5.設(shè)計(jì)實(shí)例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 計(jì)算結(jié)果乙二醇分率0153.04.22 /142927 3 hNmw 07.62/6242.97 hkmol hhkg 8000/7.6052 年萬(wàn)噸/84.4/48421625 akg “ ” 2016“ ” Page 38 謝謝!