7.多相催化反響器的設(shè)計(jì)與分析許多重要的化學(xué)產(chǎn)品如氨、硫酸、硝酸、甲醇、甲醛、氯乙烯及丙烯脂等，都是經(jīng)過多相催化反響而合成得到的。石油煉制和其他能源工業(yè)進(jìn)展產(chǎn)品深度加工的主要方法，也是經(jīng)過多相催化，如催化裂化、催化重整等。當(dāng)今環(huán)境維護(hù)問題日趨嚴(yán)重，工業(yè)廢氣的污染廣泛為人們所關(guān)注，多相催化為處置工業(yè)廢氣的方法之一，典型的例子是汽車尾氣凈化器?？傊?，催化反響廣泛用于各個(gè)工業(yè)部門和環(huán)境維護(hù)，據(jù)統(tǒng)計(jì)工業(yè)化學(xué)反響約有80%左右屬于催化反響。17.1固定床內(nèi)的傳送景象7.1.1固定床內(nèi)的流體流動床層空隙率：單位體積床層內(nèi)的空隙體積〔未被催化劑占據(jù)的體積，不含催化劑顆粒內(nèi)的體積〕表征床層構(gòu)造的主要參數(shù)為床層空隙率，床層空隙率的大小與顆粒外形、粒度分布、顆粒直徑與床直徑之比以及顆粒的充填方法等有關(guān)。在與器壁的間隔為1~2倍顆粒直徑處的空隙率比其它部位的空隙率大，此即為壁效應(yīng)。為減少壁效應(yīng)的影響，要求床層直徑至少要大于顆粒直徑的8倍以上。2床層空隙率3床層阻力降流體流過固定床時(shí)所產(chǎn)生的壓力損失主要來自兩方面:一方面是由于顆粒的粘滯曳力，即流體與顆粒外表間的摩擦;另一方面是由于流體流動過程中孔道截面積忽然擴(kuò)展和收縮，以及流體對顆粒的沖擊及流體的再分布而產(chǎn)生。流體在固定床中的流動，與空管中的流體流動類似，只是流道不規(guī)那么而已。故此可將管中流體流動的壓力降計(jì)算公式修正后用于固定床。4床層阻力降下式為常用的固定床壓力降計(jì)打公式：式中顆粒直徑按與顆粒比外外表積當(dāng)直徑計(jì)算。摩擦系數(shù)f與雷諾數(shù)的關(guān)系如下：5床層阻力降當(dāng)Re<10時(shí)，流體在床層中呈層流流動，此時(shí)：當(dāng)Re>1000時(shí),流體在床層中呈湍流流動，摩擦系數(shù)近似等于1.75。床層壓力降影響最大的是床層的空隙率和流體的流速，兩者稍有添加,都可使壓力降產(chǎn)生較大的變化。所以，想方設(shè)法使床層的空隙增大至關(guān)重要。由公式計(jì)算得到的壓力降普通是對新催化劑的預(yù)期壓力降。在催化劑運(yùn)用過程中會發(fā)生破損和粉化景象，使粒度減小，空隙率降低，從而使床層阻力添加。67.2固定床反響器的數(shù)學(xué)模型最常用的固定床反響器的數(shù)學(xué)模型是一維擬均相活塞流模型。一維：只思索流動方向上的濃度與溫度變化。擬均相：對于多相催化反響，以為流體主體與催化劑顆粒外表與內(nèi)部不存在濃度差溫度差。將傳送過程的影響歸于一個(gè)催化劑活性校正系數(shù)?；钊鳎毫黧w在固定床內(nèi)的流動情況與活塞流非常接近，因之可采用活塞流模型。7固定床反響器的數(shù)學(xué)模型反響器設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用的宏觀動力學(xué)方程是用本征動力學(xué)方程與催化劑活性校正系數(shù)的乘積代之。催化劑活性校正系數(shù)校正的內(nèi)容有：外分散的影響、內(nèi)分散的影響、催化劑中毒情況、催化劑復(fù)原情況、催化劑的衰老情況等。根據(jù)該模型，即可建立固定床反響器的物料衡算方程與熱量衡是方程。根據(jù)方程便可對反響器進(jìn)展分析與計(jì)算。87·3絕熱式固定床反響器固定床絕熱反響器有單段與多段之分。所謂單段絕熱反響器，是指反響物料在絕熱情況下只反響一次;而多段那么是多次在絕熱條件下進(jìn)展反響，反響一次之后經(jīng)過換熱以滿足所需的溫度條件，再進(jìn)展下一次的絕熱反響。每反響一次，稱為一段，一個(gè)反響器可做成一段，也可以將數(shù)段合并在一同組成一個(gè)多段反響器。9絕熱式固定床反響器單段絕熱反響器優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡單；空間利用率高；造價(jià)低。但是，對于一些熱效應(yīng)大的反響，由于溫升過大，反響器出口溫度能夠會超越允許的溫度。對于可逆放熱反響，反響器的軸向溫度分布會遠(yuǎn)離最正確溫度分布，從而呵斥反響器的消費(fèi)才干降低，甚至?xí)捎诨瘜W(xué)平衡的限制而使反響器出口達(dá)不到所要求的轉(zhuǎn)化率。因此，單段絕熱反響器的運(yùn)用遭到了一些限制，單段絕熱反響器適用于以下場所：(1)反響熱效應(yīng)較小的反響，(2)溫度對目的產(chǎn)物收率影響不大的反響;(3)雖然反響熱效應(yīng)大，但單程轉(zhuǎn)化率較低的反響或者有大量惰性物料存在，使反響過程中溫升小的反響，10絕熱式固定床反響器多段絕熱反響器多用以進(jìn)展放熱反響，適用于以下反響：〔1〕反響熱效應(yīng)大；〔2〕有最正確操作溫度；〔3〕單程轉(zhuǎn)化率高。按段間換熱方式不同分為以下三類：〔1〕間接換熱式；(2〕原料氣冷激式；〔3〕非原料氣冷激式。后兩類又可總稱為直接換熱式。該類型反響器表示圖如以下圖所示：11絕熱式固定床反響器圖7.3多段固定床絕熱反響器(補(bǔ)充動畫〕產(chǎn)品原料ⅠⅡⅢⅣ(a)(b)(c)原料產(chǎn)品ⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣ原料冷激劑產(chǎn)品〔a)間接換熱式；〔b〕原料氣冷激式；〔c〕非原料氣冷激式12固定床絕熱反響器的催化劑用量確定催化反響器為完成一定的消費(fèi)義務(wù)所需求的催化劑量，是反響器設(shè)計(jì)的根本內(nèi)容之一。如反響器截面積一定，也就能確定催化劑床層高度。設(shè)反響器在恒壓下進(jìn)展單一反響，那么式〔7.11〕可略去，聯(lián)立求解式〔7.9〕、式〔7.10〕及式〔7.12〕，便可確定到達(dá)規(guī)定的最終轉(zhuǎn)化率所需的床層高度。由于是絕熱反響，床層與外界沒有熱交換，式〔7.10〕右邊第二項(xiàng)為零，固可簡化為

〔7.21〕13固定床絕熱反響器的催化劑用量式〔7.9〕式〔7.21〕相除得Cpt為反響混合物得定壓比熱容，為溫度及組成得函數(shù)，其他物理量為常數(shù)。假設(shè)以平均溫度及平均組成下的比熱容替代，那么式〔7.22〕右邊為常數(shù)，積分之有

(7.22)〔7.