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7 多相催化反应器的设计与分析多相催化反应器的设计与分析Design and Analysis of Multiphase Catalytic Reactor固定床内的传递现象固定床内的传递现象固定床反应器的数学模型固定床反应器的数学模型绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器换热式固定床反应器换热式固定床反应器自热式固定床反应器自热式固定床反应器参数敏感性参数敏感性流化床反应器流化床反应器实验室催化反应器实验室催化反应器7 多相催化反应器的设计与分析多相催化反应器的设计与分析Contents气固相催气固相催化反应器化反应器固定床固定床反应器反应器绝热式绝热式多段绝热多段绝热单段绝热单段绝热换热式换热式内冷式内冷式外冷外冷(热热)流化床流化床反应器反应器气固相催化反应器的基本类型气固相催化反应器的基本类型固定床反应器优缺点固定床反应器优缺点优点：优点：固定床中催化剂不易磨损；固定床中催化剂不易磨损；床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。能力。由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大规模的化工生产特别有利于达到高的选择性和转化率，在大规模的化工生产中尤为重要。中尤为重要。缺点：缺点：固定床中的传热较差；固定床中的传热较差；催化剂的更换必须停产进行。催化剂的更换必须停产进行。流化床反应器的优缺点流化床反应器的优缺点优点：优点：催化剂颗粒小，内扩散阻力小；催化剂颗粒小，内扩散阻力小；传热效果好，温度易于控制；传热效果好，温度易于控制；固体颗粒移进移出方便。固体颗粒移进移出方便。缺点：缺点：催化剂可反应器磨损严重；催化剂可反应器磨损严重；返混严重；返混严重；放大效应显著。放大效应显著。7.7.1.7.7.1.固定床内的流体流动固定床内的流体流动1.1.基本概念的介绍基本概念的介绍（1 1）空隙率：颗粒群堆积成的床层的疏密程度。）空隙率：颗粒群堆积成的床层的疏密程度。=（床层体积（床层体积-颗粒体积）颗粒体积）/床层体积床层体积=颗粒间空隙颗粒间空隙/床层体积床层体积影响因素：颗粒的大小、形状、粒度分布与充填方式。影响因素：颗粒的大小、形状、粒度分布与充填方式。（2 2）壁效应：壁面附近床层的空隙率总是大于床层内部，较）壁效应：壁面附近床层的空隙率总是大于床层内部，较多的流体必趋向近壁处流过，使床层截面上流体分布不均匀。多的流体必趋向近壁处流过，使床层截面上流体分布不均匀。（3 3）固定床压力降：流体流过固定床时所产生的压力损失。）固定床压力降：流体流过固定床时所产生的压力损失。7.1 7.1 固定床内的传递现象固定床内的传递现象r/dp010405020300.20.40.60.81.06070拉西环拉西环 dt/dp=13.4 圆柱圆柱 dt/dp=13.4 r/dp010405020300.20.40.60.81.06070鲍尔环鲍尔环 dt/dp=6.7/13.4 dt/dp=8.85 dt/dp=13.6 球球 固定床空固定床空隙率的径隙率的径向分布向分布2.2.小结：小结：p真实床层径向空隙率分布不均匀，在距壁面约真实床层径向空隙率分布不均匀，在距壁面约1 12 2倍粒径倍粒径处，空隙率最大。处，空隙率最大。p床层直径与颗粒直径之比越大，空隙率分布越均匀。床层直径与颗粒直径之比越大，空隙率分布越均匀。p由于空隙率分布不均匀。造成径向流速分布不同于空管。由于空隙率分布不均匀。造成径向流速分布不同于空管。p为了消除壁效应，一般，管径与粒径之比应大于为了消除壁效应，一般，管径与粒径之比应大于8 8。3.压力降计算公式压力降计算公式影响最大的因素：影响最大的因素：u0、流流动动阻阻力力颗粒的粘滞曳力颗粒的粘滞曳力局部阻力局部阻力7.1.27.1.2、质量和热量的轴向扩散、质量和热量的轴向扩散（1 1）轴向质扩散的贝克莱数）轴向质扩散的贝克莱数（2 2）轴向热扩散的贝克莱数）轴向热扩散的贝克莱数（3 3）由轴向混合模型得出轴向返混等同于）由轴向混合模型得出轴向返混等同于N N个全混釜串联个全混釜串联Pem=2(气体气体)/0.31(液体液体)对于等温固定床，对于等温固定床，N50，可当作活塞流，可当作活塞流处理；处理；对于非等温固定床，一般对于非等温固定床，一般N150才能当作才能当作活塞流活塞流0.6（固定床）（固定床）7.1.37.1.3、径向传质与传热、径向传质与传热（1）径向传热）径向传热径向传热的热阻由两部分组成：径向传热的热阻由两部分组成：床层本身和器壁上的层流边界层。床层本身和器壁上的层流边界层。床层传热方式：床层传热方式：a.颗粒接触面的传导；颗粒接触面的传导；b.相邻颗粒周围相邻颗粒周围边界层传导；边界层传导；c.颗粒间辐射；颗粒间辐射；d.颗粒内颗粒内的传导；的传导；e.对流传热；对流传热；abcde固定床的径向传热系数的经验公式（包括径向传热和壁面固定床的径向传热系数的经验公式（包括径向传热和壁面传热）：传热）：球形颗粒：球形颗粒：圆柱形颗粒：圆柱形颗粒：床层的传热可用径向有效导热系数床层的传热可用径向有效导热系数 er来表示，经验式较多；来表示，经验式较多；壁膜传热系数壁膜传热系数hw无满意关联式。无满意关联式。(2)、径向传质、径向传质由于向上或向下运动的流体撞击到固体颗粒时产生再分散和由于向上或向下运动的流体撞击到固体颗粒时产生再分散和为了躲开固体颗粒而改变流体的流向所致。为了躲开固体颗粒而改变流体的流向所致。当当Re20时，时，(Per)m=dpu/Dr=10对于直径为对于直径为dt的固定床层，若用的固定床层，若用N个混合釜串联来模拟其径个混合釜串联来模拟其径向混合情况：向混合情况：N=（dt/2dp)(Per)m=5 dt/dp 结论：结论：N1，床层横截面上的浓度也就不可能均一，径向浓度剃度总，床层横截面上的浓度也就不可能均一，径向浓度剃度总是存在，且随着是存在，且随着dt/dp降低，降低，N也降低。也降低。dt/dp5，床层内流体极不均匀，易造成流体的短路。，床层内流体极不均匀，易造成流体的短路。Lr/dp足够大，固定床轴向返混可忽略，改变足够大，固定床轴向返混可忽略，改变dt/dp使径向浓度分使径向浓度分布均匀很难。布均匀很难。轴向：轴向：等温时，若用等温时，若用N N个等体积的全混釜来描述固定床内气个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动状况，则体的流动状况，则N N等于等于5050或更大。或更大。对工业固定床反应器，大多数对工业固定床反应器，大多数Lr/dp值远大于值远大于5050，故，故可采用活塞流模型表示等温固定床内气体的流动状况。可采用活塞流模型表示等温固定床内气体的流动状况。非等温时，以非等温时，以Lr/dp值大于值大于150150作为准则较稳妥。作为准则较稳妥。径向：径向：若用若用N N个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动状况，则状况，则N N不可能为不可能为1 1，即径向浓度梯度总是存在。，即径向浓度梯度总是存在。减小减小dt/dp，则径向浓度梯度降低，但当，则径向浓度梯度降低，但当dt/dp5 5，则，则床内流动极不均匀。（壁效应严重，且流体易短路）床内流动极不均匀。（壁效应严重，且流体易短路）小结小结1.1.概述概述多物理场耦合：多物理场耦合：多相反应器涉及到传热、化学反应、流体流动，是一个温度、浓度、压力多相反应器涉及到传热、化学反应、流体流动，是一个温度、浓度、压力等物理场耦合的设备复杂设备。等物理场耦合的设备复杂设备。模型化：模型化：p对于一个对于一个过程过程，进行，进行合理的简化合理的简化，利用数学公式进行描述，在一定的输，利用数学公式进行描述，在一定的输入条件下，预测体系输出的变化。入条件下，预测体系输出的变化。p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。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。p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。际体系的差异。p根据不同的简化和假定，分为几种不同层次的模型。根据不同的简化和假定，分为几种不同层次的模型。7.2 7.2 固定床反应器的数学模型固定床反应器的数学模型7.2 7.2 固定床反应器的数学模型固定床反应器的数学模型对于固定床反应器，一般有以下模型：对于固定床反应器，一般有以下模型：p一维拟均相平推流模型一维拟均相平推流模型p一维拟均相带有轴向返混的模型一维拟均相带有轴向返混的模型p二维拟均相模型二维拟均相模型p二维非均相模型二维非均相模型pp一维：参数只随轴向位置而变。一维：参数只随轴向位置而变。p二维：参数随轴向和径向位置而变二维：参数随轴向和径向位置而变p拟均相：流相和固相结合，视为同一相拟均相：流相和固相结合，视为同一相p非均相：流相和固相分别考虑。非均相：流相和固相分别考虑。p平推流：不考虑轴向返混。平推流：不考虑轴向返混。p带有轴向返混的模型：在平推流模型的带有轴向返混的模型：在平推流模型的基础上叠加了轴向返混。基础上叠加了轴向返混。7.2 7.2 固定床反应器的数学模型固定床反应器的数学模型模型评述模型评述考虑的因素越多，模型越复杂，模型参数就越多，模型参数考虑的因素越多，模型越复杂，模型参数就越多，模型参数的可靠性就越重要。的可靠性就越重要。并非模型越复杂越好。模型复杂增加了实验、计算工作量，并非模型越复杂越好。模型复杂增加了实验、计算工作量，增加了出错的概率。增加了出错的概率。以简单实用为好。如返混严重，宜用带轴向返混的一维模型；以简单实用为好。如返混严重，宜用带轴向返混的一维模型；径向温差大，宜用拟均相二维模型等。径向温差大，宜用拟均相二维模型等。非均相模型慎用，非不得已，不用过于复杂的模型。非均相模型慎用，非不得已，不用过于复杂的模型。2.2.活塞流模型（非均相一维）活塞流模型（非均相一维）物料衡算物料衡算热量衡算热量衡算动量衡算动量衡算初始条件初始条件3.3.轴向扩散模型（非均相一维）轴向扩散模型（非均相一维）1 1、绝热式反应器的类型、绝热式反应器的类型类型类型单段单段多段多段反应次数反应次数一次一次多次多次优点优点结构简单，空间利用率高结构简单，空间利用率高结构复杂结构复杂适用场合适用场合反应热效应小反应热效应小温度对目的产物的影响不大温度对目的产物的影响不大单程转化率低或大量惰性气单程转化率低或大量惰性气体存在体存在放热反应放热反应间接换热式间接换热式原料气冷激式原料气冷激式非原料气冷激式非原料气冷激式7.37.3、绝热式固定床反应器、绝热式固定床反应器7.37.3、绝热式固定床反应器、绝热式固定床反应器可逆放热反应可逆放热反应,为了使床层温度尽可能的沿着最佳温度分为了使床层温度尽可能的沿着最佳温度分布曲线操作布曲线操作,使整个过程反应速率最大使整个过程反应速率最大,从而使床层体积最从而使床层体积最小小,催化剂用量最少催化剂用量最少,这就要求有足够多的段数。这就要求有足够多的段数。段数段数,连接各段的管线连接各段的管线,阀门阀门,仪表等费用仪表等费用,而效果增加越而效果增加越来越少。来越少。段数一般很少超过段数一般很少超过6 6段段,常采用常采用4 4段。段。多段绝热固定床反应器多段绝热固定床反应器2、绝热式多段反应器的结构和原理的介绍、绝热式多段反应器的结构和原理的介绍段间冷却段间冷却原料冷激原料冷激惰性气体冷激惰性气体冷激3 3、固定床绝热反应器的催化剂的用量、固定床绝热反应器的催化剂的用量相除相除积分积分(固定床的高度固定床的高度)积分积分（催化剂的体积）（催化剂的体积）4、多段绝热式固定床反应器（以间接换热为例）、多段绝热式固定床反应器（以间接换热为例）TXA平衡曲线平衡曲线最佳温度线最佳温度线 T=XA当段数及原料的组成一定时，要达到规定的转化率，除第一段的当段数及原料的组成一定时，要达到规定的转化率，除第一段的进口转化率和最后一段的出口转化率外，各段的进出口的转化率进口转化率和最后一段的出口转化率外，各段的进出口的转化率和温度可以有无限多种分配方案。和温度可以有无限多种分配方案。ABCOEFGabc3段间接换热反应器段间接换热反应器T-XA图图目标函数目标函数催化剂用量最少催化剂用量最少*产品成本最低产品成本最低产量最大产量最大Ti-1 ,XAi-1Ti-1,XAi-1Ti,XAi即要求：第即要求：第i-1i-1段出口处反应速度段出口处反应速度=第第i i段进段进口处反应速度口处反应速度 Ti-1,XAi-1Ti-1,XAi-1Ti,XAi对积分限求导对积分限求导 =XAi第第i-1i-1段出口处反应速度段出口处反应速度=第第i i段进口处反应速度段进口处反应速度 Ti-1,XAi-1Ti-1,XAi-1Ti,XAi可逆放热反应的反应速率与温度可逆放热反应的反应速率与温度及转化率的关系图及转化率的关系图XAi-1=XAiTAi-1 TAiTi-1,XAi-1Ti-1,XAi-1Ti,XAi第第i i段内床层温度段内床层温度 T Ti i-T-Ti i=(XAi-XAi)，可以确定第可以确定第i i段的出口转化率段的出口转化率X XAiAi和出口温度和出口温度T Ti i 。结论：结论：1.为保证催化剂总用量最少，任何一段的出口转化速为保证催化剂总用量最少，任何一段的出口转化速率应等于下一段进口的转化速率率应等于下一段进口的转化速率2.在规定的进、出口转化率下，存在一最佳的进口温在规定的进、出口转化率下，存在一最佳的进口温度，使催化剂总用量最少度，使催化剂总用量最少7.47.4、换热式固定床反应器、换热式固定床反应器支托弹簧支托弹簧瓷球瓷球1、单一反应过程中转化率和温度的变化、单一反应过程中转化率和温度的变化由由得得PDMNQKBFAEGHTXA换热式固定床反应器的换热式固定床反应器的T-XA图（可逆放热反应）图（可逆放热反应）平衡曲线平衡曲线最最佳佳温温度度曲曲线线冷冷却却介介质质的的温温度度绝热线绝热线热点热点TZ列管内温度与列管内温度与Z的关系的关系结论：结论：（1 1）进料温度太高或太低都会偏离最佳温度曲线太远，因此）进料温度太高或太低都会偏离最佳温度曲线太远，因此存在一个最佳进料温度，图中以存在一个最佳进料温度，图中以E E为最佳进料温度。为最佳进料温度。（2 2）无论哪一条曲线，反应初期都偏离最佳温度曲线甚远，）无论哪一条曲线，反应初期都偏离最佳温度曲线甚远，但此时反应速率比反应后期大，偏离最佳温度线的影响较但此时反应速率比反应后期大，偏离最佳温度线的影响较小小（3 3）评价）评价T-XAT-XA曲线的优劣主要看反应中后期接近最佳温度曲曲线的优劣主要看反应中后期接近最佳温度曲线的程度。线的程度。自热式固定床反应器：自热式固定床反应器：反应前后的物料在床层中自己进行换热7.57.5、自热式固定床反应器、自热式固定床反应器 。Tc0 Lr TcLrTLr逆流T0TC0LrTLr并流TC0TLrTCLr=T0TLrTC0=T0不同流向的自热式固定床反应器的轴向温度分布不同流向的自热式固定床反应器的轴向温度分布 O O 逆流和并流状态轴向温度变化的比较逆流和并流状态轴向温度变化的比较(1)逆流床层内气体温度很快就升高至热点温度，反应后期温度下降较快，并流与之相反。(2)传热温度差和床层不同部位放热速率的比较(3)逆流和并流的优缺点7.6 7.6 流化床反应器流化床反应器7.6 7.6 流化床反应器流化床反应器 优点：优点：p 1 传热效果好，床层温度均匀，气传热效果好，床层温度均匀，气-固两相剧烈运动，可固两相剧烈运动，可实现等温操作。实现等温操作。p 2 可用小颗粒催化剂，内扩散影响可忽略，催化剂利用率可用小颗粒催化剂，内扩散影响可忽略，催化剂利用率高。高。p 3 大量催化剂可方便的往来输送，对大量催化剂可方便的往来输送，对cat.失活快需要连续失活快需要连续再生的过程尤其适用。再生的过程尤其适用。p 缺点：缺点：p 1 由于磨损和气体带走而造成催化剂损失大由于磨损和气体带走而造成催化剂损失大p 2 大部分气体以气泡形式快速通过床层，气大部分气体以气泡形式快速通过床层，气-固两相接触固两相接触差，难以达到高转化率。差，难以达到高转化率。p 3 粒子运动基本上是全混流，对粒子加工反应不利。粒子运动基本上是全混流，对粒子加工反应不利。p 粒子的全混也造成部分气体返混，影响反应速度选择性。粒子的全混也造成部分气体返混，影响反应速度选择性。需要理解的名称：需要理解的名称：p流态化流态化p终端速度（带走速度）终端速度（带走速度）p流化床流化床p最小流化速度最小流化速度u umfmfp散式流化、聚式流化散式流化、聚式流化p气泡组成气泡组成7.6 7.6 流化床反应器流化床反应器1、基本要求、基本要求（1）等温操作 如何消除温度梯度和如何保持等温的问题（2）反应气体保持理想流型 全混流和非全混流状态2、基本类型、基本类型（1）积分反应器 （2）微分反应器（3）外循环反应器（4）内循环反应器7.7、实验室催化反应器、实验室催化反应器化学反应工程化学反应工程所有的课程已经结束所有的课程已经结束谢谢大家谢谢大家!