7多相催化反響器的設(shè)計與分析DesignandAnalysisofMultiphaseCatalyticReactor1精選ppt固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象固定床反響器的數(shù)學(xué)模型絕熱式固定床反響器換熱式固定床反響器自熱式固定床反響器參數(shù)敏感性流化床反響器實(shí)驗(yàn)室催化反響器7多相催化反響器的設(shè)計與分析Contents2精選ppt氣－固相催化反響器的根本類型3精選ppt固定床反響器優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：①固定床中催化劑不易磨損；②床層內(nèi)流體的流動接近于平推流，與返混式的反響器相比，可用較少量的催化劑和較小的反響器容積來獲得較大的生產(chǎn)能力。③由于停留時間可以嚴(yán)格控制，溫度分布可以適當(dāng)調(diào)節(jié)，因此特別有利于到達(dá)高的選擇性和轉(zhuǎn)化率，在大規(guī)模的化工生產(chǎn)中尤為重要。缺點(diǎn)：①固定床中的傳熱較差；②催化劑的更換必須停產(chǎn)進(jìn)行。4精選ppt流化床反響器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：①催化劑顆粒小，內(nèi)擴(kuò)散阻力小；②傳熱效果好，溫度易于控制；③固體顆粒移進(jìn)移出方便。缺點(diǎn)：催化劑可反響器磨損嚴(yán)重；返混嚴(yán)重；放大效應(yīng)顯著。5精選ppt7.7.1.固定床內(nèi)的流體流動1.根本概念的介紹〔1〕空隙率：顆粒群堆積成的床層的疏密程度。ε=〔床層體積-顆粒體積〕/床層體積=顆粒間空隙/床層體積影響因素：顆粒的大小、形狀、粒度分布與充填方式?！?〕壁效應(yīng)：壁面附近床層的空隙率總是大于床層內(nèi)部，較多的流體必趨向近壁處流過，使床層截面上流體分布不均勻?！?〕固定床壓力降：流體流過固定床時所產(chǎn)生的壓力損失。7.1固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象6精選pptr/dpε010405020300.20.40.60.81.06070拉西環(huán)dt/dp=13.4

圓柱dt/dp=13.4

r/dpε010405020300.20.40.60.81.06070鮑爾環(huán)dt/dp=6.7/13.4

dt/dp=8.85

dt/dp=13.6

球固定床空隙率的徑向分布7精選ppt2.小結(jié)：真實(shí)床層徑向空隙率分布不均勻，在距壁面約1～2倍粒徑處，空隙率最大。床層直徑與顆粒直徑之比越大，空隙率分布越均勻。由于空隙率分布不均勻。造成徑向流速分布不同于空管。為了消除壁效應(yīng)，一般，管徑與粒徑之比應(yīng)大于8。8精選ppt3.壓力降計算公式影響最大的因素：u0、

流動阻力顆粒的粘滯曳力局部阻力9精選ppt7.1.2、質(zhì)量和熱量的軸向擴(kuò)散〔1〕軸向質(zhì)擴(kuò)散的貝克萊數(shù)〔2〕軸向熱擴(kuò)散的貝克萊數(shù)〔3〕由軸向混合模型得出軸向返混等同于N個全混釜串聯(lián)Pem=2(氣體)/0.3～1(液體)對于等溫固定床，N>50，可當(dāng)作活塞流處理；對于非等溫固定床，一般N>150才能當(dāng)作活塞流≈0.6〔固定床〕10精選ppt7.1.3、徑向傳質(zhì)與傳熱〔1〕徑向傳熱徑向傳熱的熱阻由兩局部組成：床層本身和器壁上的層流邊界層。床層傳熱方式：a.顆粒接觸面的傳導(dǎo)；b.相鄰顆粒周圍邊界層傳導(dǎo)；c.顆粒間輻射；d.顆粒內(nèi)的傳導(dǎo)；e.對流傳熱；abcde11精選ppt固定床的徑向傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式〔包括徑向傳熱和壁面?zhèn)鳠帷常?/p>

球形顆粒：圓柱形顆粒：床層的傳熱可用徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)

er來表示，經(jīng)驗(yàn)式較多；壁膜傳熱系數(shù)hw無滿意關(guān)聯(lián)式。12精選ppt(2)、徑向傳質(zhì)由于向上或向下運(yùn)動的流體撞擊到固體顆粒時產(chǎn)生再分散和為了躲開固體顆粒而改變流體的流向所致。當(dāng)Re>20時，(Per)m=dpu/Dr=10對于直徑為dt的固定床層，假設(shè)用N個混合釜串聯(lián)來模擬其徑向混合情況：N=〔dt/2dp)(Per)m=5dt/dp13精選ppt結(jié)論：N≠1，床層橫截面上的濃度也就不可能均一，徑向濃度剃度總是存在，且隨著dt/dp降低，N也降低。

dt/dp＜5，床層內(nèi)流體極不均勻，易造成流體的短路。

Lr/dp足夠大，固定床軸向返混可忽略，改變dt/dp使徑向濃度分布均勻很難。14精選ppt軸向：等溫時，假設(shè)用N個等體積的全混釜來描述固定床內(nèi)氣體的流動狀況，那么N等于50或更大。對工業(yè)固定床反響器，大多數(shù)Lr/dp值遠(yuǎn)大于50，故可采用活塞流模型表示等溫固定床內(nèi)氣體的流動狀況。非等溫時，以Lr/dp值大于150作為準(zhǔn)那么較穩(wěn)妥。徑向：假設(shè)用N個等體積的全混釜來描述固定床內(nèi)氣體的流動狀況，那么N不可能為1，即徑向濃度梯度總是存在。減小dt/dp，那么徑向濃度梯度降低，但當(dāng)dt/dp＜5，那么床內(nèi)流動極不均勻?！脖谛?yīng)嚴(yán)重，且流體易短路〕小結(jié)15精選ppt1.概述多物理場耦合：多相反響器涉及到傳熱、化學(xué)反響、流體流動，是一個溫度、濃度、壓力等物理場耦合的設(shè)備復(fù)雜設(shè)備。模型化：對于一個過程，進(jìn)行合理的簡化，利用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述，在一定的輸入條件下，預(yù)測體系輸出的變化。對同一個體系，根據(jù)不同的簡化和假定，可以構(gòu)造不同的模型。不同的簡化和假定，也決定了模型必然含有一些參數(shù)，以修正模型與實(shí)際體系的差異。根據(jù)不同的簡化和假定，分為幾種不同層次的模型。7.2固定床反響器的數(shù)學(xué)模型16精選ppt7.2固定床反響器的數(shù)學(xué)模型對于固定床反響器，一般有以下模型：一維擬均相平推流模型一維擬均相帶有軸向返混的模型二維擬均相模型二維非均相模型…………一維：參數(shù)只隨軸向位置而變。二維：參數(shù)隨軸向和徑向位置而變擬均相：流相和固相結(jié)合，視為同一相非均相：流相和固相分別考慮。平推流：不考慮軸向返混。帶有軸向返混的模型：在平推流模型的根底上疊加了軸向返混。17精選ppt7.2固定床反響器的數(shù)學(xué)模型模型評述考慮的因素越多，模型越復(fù)雜，模型參數(shù)就越多，模型參數(shù)的可靠性就越重要。并非模型越復(fù)雜越好。模型復(fù)雜增加了實(shí)驗(yàn)、計算工作量，增加了出錯的概率。以簡單實(shí)用為好。如返混嚴(yán)重，宜用帶軸向返混的一維模型；徑向溫差大，宜用擬均相二維模型等。非均相模型慎用，非不得已，不用過于復(fù)雜的模型。18精選ppt2.活塞流模型〔非均相一維〕物料衡算熱量衡算動量衡算初始條件19精選ppt3.軸向擴(kuò)散模型〔非均相一維〕20精選ppt1、絕熱式反響器的類型類型單段多段反應(yīng)次數(shù)一次多次優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，空間利用率高結(jié)構(gòu)復(fù)雜適用場合反應(yīng)熱效應(yīng)小溫度對目的產(chǎn)物的影響不大單程轉(zhuǎn)化率低或大量惰性氣體存在放熱反應(yīng)間接換熱式原料氣冷激式非原料氣冷激式7.3、絕熱式固定床反響器21精選ppt7.3、絕熱式固定床反響器可逆放熱反響,為了使床層溫度盡可能的沿著最正確溫度分布曲線操作,使整個過程反響速率最大,從而使床層體積最小,催化劑用量最少,這就要求有足夠多的段數(shù)。段數(shù)↑,連接各段的管線,閥門,儀表等費(fèi)用,而效果增加越來越少。段數(shù)一般很少超過6段,常采用4段。多段絕熱固定床反響器22精選ppt2、絕熱式多段反響器的結(jié)構(gòu)和原理的介紹段間冷卻原料冷激惰性氣體冷激23精選ppt3、固定床絕熱反響器的催化劑的用量相除積分(固定床的高度)積分〔催化劑的體積〕24精選ppt4、多段絕熱式固定床反響器〔以間接換熱為例〕TXA平衡曲線最佳溫度線

T=XA當(dāng)段數(shù)及原料的組成一定時，要到達(dá)規(guī)定的轉(zhuǎn)化率，除第一段的進(jìn)口轉(zhuǎn)化率和最后一段的出口轉(zhuǎn)化率外，各段的進(jìn)出口的轉(zhuǎn)化率和溫度可以有無限多種分配方案。ABCOEFGabc3段間接換熱反響器T-XA圖25精選ppt目標(biāo)函數(shù)催化劑用量最少**產(chǎn)品成本最低產(chǎn)量最大Ti-1,XAi-1Ti-1’,XAi-1’Ti,XAi26精選ppt即要求：第i-1段出口處反響速度=第i段進(jìn)口處反響速度Ti-1,XAi-1Ti-1’,XAi-1’Ti,XAi對積分限求導(dǎo)=XAi27精選ppt第i-1段出口處反響速度=第i段進(jìn)口處反響速度Ti-1,XAi-1Ti-1’,XAi-1’Ti,XAi可逆放熱反應(yīng)的反應(yīng)速率與溫度及轉(zhuǎn)化率的關(guān)系圖XAi-1’=XAiTAi-1’TAi28精選pptTi-1,XAi-1Ti-1’,XAi-1’Ti,XAi第i段內(nèi)床層溫度Ti’-Ti=λ

(XAi’-XAi)，可以確定第i段的出口轉(zhuǎn)化率XAi’和出口溫度Ti’

。

29精選ppt結(jié)論：1.為保證催化劑總用量最少，任何一段的出口轉(zhuǎn)化速率應(yīng)等于下一段進(jìn)口的轉(zhuǎn)化速率2.在規(guī)定的進(jìn)、出口轉(zhuǎn)化率下，存在一最正確的進(jìn)口溫度，使催化劑總用量最少30精選ppt7.4、換熱式固定床反響器支托彈簧瓷球31精選ppt1、單一反響過程中轉(zhuǎn)化率和溫度的變化

由得32精選pptPDMNQKBFAEGHTXA換熱式固定床反響器的T-XA圖〔可逆放熱反響〕平衡曲線最佳溫度曲線冷卻介質(zhì)的溫度絕熱線熱點(diǎn)33精選pptTZ列管內(nèi)溫度與Z的關(guān)系34精選ppt結(jié)論：〔1〕進(jìn)料溫度太高或太低都會偏離最正確溫度曲線太遠(yuǎn)，因此存在一個最正確進(jìn)料溫度，圖中以E為最正確進(jìn)料溫度?！?〕無論哪一條曲線，反響初期都偏離最正確溫度曲線甚遠(yuǎn)，但此時反響速率比反響后期大，偏離最正確溫度線的影響較小〔3〕評價T-XA曲線的優(yōu)劣主要看反響中后期接近最正確溫度曲線的程度。35精選ppt自熱式固定床反響器：反響前后的物料在床層中自己進(jìn)行換熱7.5、自熱式固定床反響器36精選ppt

。。。。。。Tc0LrTcLrTLr逆流T0TC0LrTLr并流TC0TLrTCLr=T0TLrTC0=T0不同流向的自熱式固定床反響器的軸向溫度分布OO37精選ppt逆流和并流狀態(tài)軸向溫度變化的比較(1)逆流床層內(nèi)氣體溫度很快就升高至熱點(diǎn)溫度，反響后期溫度下降較快，并流與之相反。(2)傳熱溫度差和床層不同部位放熱速率的比較(3)逆流和并流的優(yōu)缺點(diǎn)38精選ppt7.6流化床反響器39精選ppt7.6流化床反響器優(yōu)點(diǎn)：

1傳熱效果好，床層溫度均勻，氣-固兩相劇烈運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)等溫操作。

2可用小顆粒催化劑，內(nèi)擴(kuò)散影響可忽略，催化劑利用率高。

3大量催化劑可方便的往來輸送，對cat.失活快需要連續(xù)再生的過程尤其適用。

缺點(diǎn)：

1由于磨損和氣體帶走而造成催化劑損失大

2大局部氣體以氣泡形式快速通過床層，氣-固兩相接觸差，難以到達(dá)高轉(zhuǎn)化率。

3粒子運(yùn)動根本上是全混流，對粒子加工反響不利。

粒子的全混也造成局部氣體返混，影響反響速度選擇