1、化學(xué)反應(yīng)工程 課程教案課次15課時(shí)2課 型（請(qǐng)打）理論課 討論課 實(shí)驗(yàn)課 習(xí)題課 其他授課題目（教學(xué)章、節(jié)或主題）：第6章 氣固相催化反應(yīng)固定床反應(yīng)器6.1流體在固定床內(nèi)的傳遞特性6.2固定床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)教學(xué)目的、要求（分掌握、熟悉、了解三個(gè)層次）：1. 掌握流體在固定床內(nèi)的流動(dòng)特性； 2. 掌握固定床催化反應(yīng)器的特點(diǎn)、類(lèi)型和設(shè)計(jì)要求；教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)：重點(diǎn)：固定床催化反應(yīng)器的特點(diǎn)、類(lèi)型和設(shè)計(jì)要求。難點(diǎn)：一維擬均相理想流動(dòng)模型對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。教 學(xué) 基 本 內(nèi) 容方法及手段6.1流體在固定床內(nèi)的傳遞特性固定床反應(yīng)器型式很多，但大體上都可以看成是一些基本單元組合。所謂基本單元是指裝填一定量的

2、固定顆粒的均勻直圓管。氣體在催化劑顆粒之間的孔隙中流動(dòng)，較在管內(nèi)流動(dòng)更容易達(dá)到湍流氣體自上而下流過(guò)床層6.1.1流體在固定床內(nèi)的流動(dòng)特性床層空隙率B：?jiǎn)挝淮矊芋w積內(nèi)的空隙體積（沒(méi)有被催化劑占據(jù)的體積，不含催化劑顆粒內(nèi)的體積）P159若不考慮壁效應(yīng)，裝填有均勻顆粒的床層，其空隙率與顆粒大小無(wú)關(guān)。壁效應(yīng)： B不僅與顆粒尺寸及形狀有關(guān)，還與床層直徑有關(guān)。靠近壁面處的空隙率比其它部位大。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倍以上顆粒的定型尺寸顆粒的定型尺寸是顆粒體系的重要參數(shù)，常用粒徑來(lái)表示。對(duì)于球形顆粒，粒徑自然是球的直徑。對(duì)于其他形狀顆粒，最能代表顆粒性質(zhì)的尺寸為顆粒的當(dāng)量直徑。

3、對(duì)于非球形顆粒，可將其折合成球形顆粒，以當(dāng)量直徑表示。方法有三：體積當(dāng)量直徑(dv)、外表面積當(dāng)量直徑(da) 、比表面積當(dāng)量直徑(ds) 體積當(dāng)量直徑(dv) ：(非球形顆粒折合成同體積的球形顆粒應(yīng)當(dāng)具有的直徑）Vs:顆粒體積外表面積當(dāng)量直徑(da) ： (非球形顆粒折合成相同外表面積的球形顆粒應(yīng)當(dāng)具有的直徑）比表面積當(dāng)量直徑(ds) ： (非球形顆粒折合成相同比表面積的球形顆粒應(yīng)當(dāng)具有的直徑）混合粒子的平均直徑：（各不同粒徑的粒子直徑的加權(quán)平均）Wi是直徑為di的粒子所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 氣體流動(dòng)通過(guò)催化劑床層，將產(chǎn)生壓降。 壓降計(jì)算通常利用厄根（Ergun）方程：空塔氣速: 指不考慮塔內(nèi)裝入的

4、物件，按空塔計(jì)算流體通過(guò)塔的平均流速，以流體的流量除以塔的總截面積而得到的數(shù)值。 可用來(lái)計(jì)算床層壓力分布。如果流體流過(guò)床層時(shí)溫度變化不大，壓降相對(duì)較小，床層填充均勻，則方程解為：如果壓降不大，在床層各處物性變化不大，可視為常數(shù)，壓降將呈線性分布（大多數(shù)情況）。例6.1 在內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)裝有4m高的催化劑層，催化劑的粒徑分布如表所示。催化劑為球體，空隙率B=0.44。在反應(yīng)條件下氣體的密度g=2.46kg.m-3，粘度g=2.310-5kg.m-1s-1，氣體的質(zhì)量流速G=6.2kg.m-2s-1。求床層的壓降。解：求顆粒的平均直徑。計(jì)算修正雷諾數(shù)。計(jì)算床層壓降。6.2固定床催化反應(yīng)器的設(shè)

5、計(jì)固定床催化反應(yīng)器的特點(diǎn)及類(lèi)型冷激(quench)：又稱(chēng)驟冷。在多層固定床絕熱反應(yīng)器中進(jìn)行放熱反應(yīng)時(shí)，在催化劑層間注入冷的原料，與高溫的反應(yīng)物混合，以直接換熱的方式降低反應(yīng)物的溫度，稱(chēng)為冷激。反應(yīng)物通過(guò)一層催化劑產(chǎn)生一定的絕熱溫升后進(jìn)入下一層前，冷的原料與該反應(yīng)物充分混合(冷激)后再進(jìn)入下一層催化劑進(jìn)行反應(yīng)，以降低進(jìn)入下一層催化劑的入口溫度。 操作方式：絕熱、換熱兩種；操作方式的不同，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)就不同。操作方式由反應(yīng)的熱效應(yīng)和操作范圍的寬窄及反應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益等決定。從反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、制造及操作考慮，絕熱型比較簡(jiǎn)單。從設(shè)計(jì)上講，基本方程是一樣的。設(shè)計(jì)固定床反應(yīng)器的要求1生產(chǎn)強(qiáng)度盡量大2氣體通過(guò)床層

6、阻力小3床層溫度分布合理4運(yùn)行可靠，檢修方便計(jì)算包括三種情況：1設(shè)計(jì)新反應(yīng)器的工藝尺寸（設(shè)計(jì)）2對(duì)現(xiàn)有反應(yīng)器，校核工藝指標(biāo)（核算）3對(duì)現(xiàn)有反應(yīng)器，改進(jìn)工藝指標(biāo)，達(dá)到最大生產(chǎn)強(qiáng)度（核算）。模型化1.對(duì)于一個(gè)過(guò)程，進(jìn)行合理的簡(jiǎn)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(cè)體系輸出的變化。2.對(duì)同一個(gè)體系，根據(jù)不同的簡(jiǎn)化和假定，可以構(gòu)造不同的模型。3.不同的簡(jiǎn)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(jiǎn)化和假定，分為幾種不同層次的模型。對(duì)于固定床反應(yīng)器，一般有以下模型：1）、一維擬均相平推流模型2）、一維擬均相帶有軸向返混的模型3）、二維擬均相模型4）、二維非

7、均相模型5）、二維非均相帶有顆粒內(nèi)梯度的模型1）、一維：參數(shù)只隨軸向位置而變。2）、二維：參數(shù)隨軸向和徑向位置而變。3）擬均相：流動(dòng)相和固定相結(jié)合，視為同一相。4）非均相：流動(dòng)相和固定相分別考慮。5）平推流：不考慮軸向返混。6）帶有軸向返混的模型：在平推流模型的基礎(chǔ)上疊加了軸向返混。6.2.2一維擬均相平推流模型基本假定:P167流體在反應(yīng)器中徑向溫度、濃度是均一的，僅沿軸向變化；流體與催化劑在任一與流動(dòng)方向垂直的橫截面處的溫度、反應(yīng)物濃度是相同的；流體在床層中的流動(dòng)屬平推流。這個(gè)模型對(duì)于管徑較小、反應(yīng)熱效應(yīng)不大，而且流體在床層中流速較快的系統(tǒng)是合適的?；痉匠蹋何锪虾馑惴匠?、熱量衡算方程、動(dòng)

8、量衡算方程質(zhì)量衡算在管式反應(yīng)器中垂直于流動(dòng)方向取一個(gè)微元，以這個(gè)微元對(duì)A組份做物料衡算輸入 輸出 = 反應(yīng) 積累FA FA+dFA (-RA)(1-B)Stdl 0dFA=-FA0dxA=-Stum0CA0dxA整理得： 熱量衡算：（仍然是那塊體積）輸入熱量輸出熱量+反應(yīng)熱效應(yīng)=與外界的熱交換+積累輸入：G cp T G質(zhì)量流量, cp恒壓熱容輸出：G cp(T+dT)反應(yīng)熱效應(yīng)：(-RA)(1-B)(-H) Stdl熱交換：h0(T-Tw)dtdl dt反應(yīng)器直徑積累：0(連續(xù)、穩(wěn)定過(guò)程）h0:床層對(duì)器壁的傳熱系數(shù), Jm-2S-1K-1T、Tw：分別為床層溫度和器壁溫度將各式代入，得動(dòng)量衡算：仍然是Ergun方程將三個(gè)方程聯(lián)立：Um0:進(jìn)口處空床線速度，mS-1邊界條件：L=0, p=p0, xA=0, T=T0需要注意的問(wèn)題1 從解題的角度看，一般壁溫恒定，實(shí)際情況并非如此。2 對(duì)于低壓系統(tǒng)，壓降十分重要。3 h0不是物性參數(shù)，需實(shí)驗(yàn)確定。4 注意um0, u, um 的關(guān)系。5 如果多根管子并聯(lián)，體系將自動(dòng)調(diào)節(jié)各管的流量，使壓降相同，此時(shí)各管的處理量不同，轉(zhuǎn)化率不同，造成生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量下降。講解作業(yè)、討論題、思考題：1、名詞解釋床層孔隙率、比表面積當(dāng)量直徑、體積當(dāng)量直徑、面積當(dāng)量直徑2、簡(jiǎn)答(1)簡(jiǎn)述固定床催化反應(yīng)器的特點(diǎn)