催化反應(yīng)器多相設(shè)計(jì)-wenkub
2023-01-22 03:20:56 本頁(yè)面
【正文】 粒度均一的顆粒所構(gòu)成的床層，在與器壁距離為 1～ 2倍顆粒直徑處，空隙率最大，床層中心較小，這種影響叫做壁效應(yīng)。 二、床層壓降 在固定床反應(yīng)器中，流體在床層內(nèi)的孔道中流動(dòng)，這些孔道相互交錯(cuò)聯(lián)通，各個(gè)孔道的幾何形狀相差甚大，其橫截面積既不規(guī)則也不相等。 流體流過(guò)固定床時(shí)所產(chǎn)生的壓力損失主要來(lái)自?xún)煞矫妫阂环矫媸怯捎陬w粒的粘滯曳力，即流體與顆粒表面間的摩擦；另一方面是由于流體流動(dòng)過(guò)程中孔道截面積突然擴(kuò)大和收縮，以及流體對(duì)顆粒的撞擊及流體的再分布而產(chǎn)生。 固定床壓力降計(jì)算公式： 203( 1 )SLuPfd??????式中： ρ — 流體密度 dS — 顆粒比外表面積相當(dāng)直徑 f — 摩擦系數(shù) L — 床層高度 u0— 空管流速 ε — 床層空隙率 01 5 0 11 . 7 5 R eR e 1Sduf ???? ? ? ?當(dāng) Re＜ 10時(shí)， f = 1/Re 當(dāng) Re＞ 1000 時(shí)， f = 從公式可以看出， 對(duì)固定床壓力降影響最大的是床層空隙率和流體流速。 固定床壓力降 影響 因素： ① 熱量通過(guò)空隙中的流體以對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射的方式向外傳遞； ②熱量通過(guò)固體顆粒向外傳遞，其中包括 ： (a)顆粒接觸面處的傳導(dǎo)； (b)相鄰顆粒周?chē)倪吔鐚拥膫鲗?dǎo)； (c)顆粒間的輻射； (d)顆粒內(nèi)的傳導(dǎo)。床層熱阻和壁膜熱阻合并作為一個(gè)熱阻來(lái)考慮，用床層與器壁間的給熱系數(shù) h0來(lái)表示， 給熱速率式以床層平均溫度 tm與壁溫 tW之差來(lái)定義： 式中： A為傳熱面積， h0 值大致為 ～ 320kJ／ (m2 對(duì)于球形顆粒 0. 80 3 Re e xp ( 6 / )tPthd dd? ??若顆粒為圓柱形 0. 950 6 Re e xp ( 6 / )tPthd dd? ??此式的適用條件為 20＜ Re＜ 7600及 ＜ dP／ d t＜ 應(yīng)用范圍是 20＜ Re＜ 800， ＜ dP／ d t＜ 。 床層熱阻用徑向有效導(dǎo)熱系數(shù) λ er 來(lái)描述。 / ( R e ) ( P r )er ab?? ?? 內(nèi)壁上的層流邊界層熱阻，可用壁膜傳熱系數(shù) hW來(lái)描述。但是隨著流速的提高和粒徑的改大，徑向和軸向的混合程度也增大起來(lái)，從數(shù)學(xué)模型精度的要求來(lái)看，就需要把這一影響包括在內(nèi)。若用徑向的平均溫度和平均濃度分別代替徑向溫度分布和徑向濃度分布，則可將這個(gè)典型的二維問(wèn)題簡(jiǎn)化為一維問(wèn)題，于是可用常微分方程來(lái)描述。 一、固定床反應(yīng)器一維數(shù)學(xué)模型 假定條件： ①流體以勻速作活塞流流動(dòng)； ②徑向無(wú)濃度梯度和速度梯度、溫度梯度。 設(shè)進(jìn)入床層的流體質(zhì)量速度為 G，組分 A的質(zhì)量分率為 wAO，取床層高度為 dZ的微元作 A的物料衡算： 大多數(shù)工業(yè)多相催化反應(yīng)，相間傳遞并不顯著，因而可以用 η 代替 η 0 ? ?0 0A AA bAG dxM dZ? ??? ?? R () 若不考慮軸向熱擴(kuò)散，對(duì)微元體積作熱量衡算則有 ? ?0 4( ) ( )APb rctdTGCdZUH T Td?? ?? ? ? ? ?? R以上二式的推導(dǎo)方法與式第四章完全一樣，形式也相似 () 流體流過(guò)床層時(shí)壓力變化太大的話(huà)，還需建立一動(dòng)量衡算式，即壓力分布方程 23(1 )Pd GP fddZ?????? () 式 ()～ 式 ()的初值條件為 若冷卻介質(zhì)溫度 TC如果不能視作常數(shù)，則還需多加一個(gè)冷卻介質(zhì)溫度的軸向分布方程 000 , 0 , ,AZ x T T P P? ? ? ?() 4 ()CcC P CtdTGCdZU TTd? ?() 相應(yīng)地增加初值條件 00, CCZ T T??() 若為多個(gè)反應(yīng) 011 , 2 ,Mijijbjjd iuCdZ rK? ??? ?? ?014( ) ( )Ki P t b j i jcj tj rjUrHdTuCdZ TTd? ? ? ??? ? ? ? ??相應(yīng)的初值條件 000 , , 1 , 2iiZ T T C C i K? ? ? ?() 設(shè)在床層內(nèi)進(jìn)行的反應(yīng)共有 M個(gè)，關(guān)鍵組分?jǐn)?shù)為 K 固定床床層太薄時(shí)，活塞流的假定不成立。 上述模型方程的應(yīng)用，需要具備三類(lèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 最基本的是物料衡算式 ()和熱量衡算式 () 3 固定床絕熱反應(yīng)器 固定床絕熱反應(yīng)器有單段與多段之分。 一、 絕熱反應(yīng)器的類(lèi)型 (1).反應(yīng)熱效應(yīng)較小的反應(yīng)； (2).溫度對(duì)目的產(chǎn)物收率影響不大的反應(yīng)； (3).雖然反應(yīng)熱效應(yīng)大，但單程轉(zhuǎn)化率較低的反應(yīng)或者有大量惰性物料存在，使反應(yīng)過(guò)程中溫升小的反應(yīng)， 單段絕熱反應(yīng)器適用的場(chǎng)合： 單段絕熱反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，空間利用率高，造價(jià)低。 多段絕熱反應(yīng)器分類(lèi) 多段絕熱固定床反應(yīng)器多用以進(jìn)行放熱反應(yīng)，如合成氨、合成甲醇、 SO2氧化等。直線(xiàn) AB、CD為各段的操作線(xiàn)，表示各段的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系。 最優(yōu)化問(wèn)題 ? ? ? ?0 (, ,[ ,]) A A A AA x T x TxT? ??? ?RR簡(jiǎn)化計(jì)算，令： ? ? ? ? ? ?120 1 10 , , ,A A A NA A A Nx x xA A Ar b A xxA A A A Ax Axd x d x d xW V FT x T x T? ?? ? ???? ? ? ? ?????? ? ?R R R則總的催化劑用量： 進(jìn) 1 2 xAi 1 Ti 1 i xAi Ti N 出 ? ?10 0,AiAi Ax AA xii AdxW FTT xT? ??????R? ? ? ?11011, 0,A i A iA i A ixxA A AA i A Ai A iA A AW F d x d xxx Tx Tx x?? ????? ? ?? ? ???? ? ?????RR? ? ? ?1, , 1 . 2 ,A A i i A A i ix T x T i N?? ? ??RR() ? ?1 0 1 . 2 ,AiAi Axxi AA iNdxxTT ? ?? ? ?? ? R() 將 W分別對(duì)各段的 xA及 T微分，并令其等于零，則有： () ? ?1 1. 2 ,1 0AiAiAxAi xAx Adx iNxTT? ?????? ???????????? R① 前一段出口時(shí)的反應(yīng)速率與后一段進(jìn)口時(shí)的反應(yīng)速率相等。 (1)假定第一段的出口轉(zhuǎn)化率，根據(jù)式 ()可確定第一段的進(jìn)口溫度，從而由式 ()求第一段出口溫度，并算出第一段的出口轉(zhuǎn)化速率： (2)由式 ()求第二段的進(jìn)口溫度； (3)由式 ()確定第二段出口轉(zhuǎn)化率，再用式 ()求第二段出口溫度并算出第二段出口的轉(zhuǎn)化速率；依此類(lèi)推，直到第 N段為止。使用直徑和高分別為 。Pa) (B) 假定各段的絕熱溫升均等于 。 問(wèn)題分析： 設(shè)第一段的出口轉(zhuǎn)化率為 解：依題意第一段的操作線(xiàn)方程 T＝ 633＋ 則第一段出口溫度 1 6 3 3 + 1 5 5 .2 ( 0 .8 5 ) = 7 6 5 KT ? ??第一段出口平衡常數(shù) 1 0 .0 1 6 5 e x p ( 4 4 0 8 / 7 6 5 ) 5 .2 4 7PK ? ??第一段出口速率常數(shù) 4865422 . 1 7 2 1 0 e x p ( ) 4 . 1 9 7 1 0 /( m in )765k m o l g P a? ? ??? ? ? ?第一段出口物料組成及 β值： PA＝ 104(1－ xA) PB＝ 104－ 104xA PC＝ 103＋ 104xA PD＝ 104＋ 104xA 3 4 4 41 4 4 41( 3 . 9 9 1 1 0 1 . 2 8 3 1 0 ) ( 1 . 5 9 5 1 0 1 . 2 8 3 1 0 ) 0 . 8 2 21 . 2 8 3 1 0 ( 1 ) ( 5 . 9 0 9 1 0 1 . 2 8 3 1 0 )AAA A Pxxx x K?? ? ? ? ? ????? ? ? ? ?∴ 第一段出口轉(zhuǎn)化速率為： 501( 1 ) ( 1 ) 1 .4 3 4 1 0 /( m in)A A Ar k P x m o l g?? ? ?? ? ? ? ?第二段的操作線(xiàn)方程為 633 155 .2( ) 531 155 .2AAT x x? ? ? ? ?設(shè)第二段入口溫度為 663K，則： 第二段入口平衡常數(shù) 2 0 .0 1 6 5 e x p ( 4 4 0 8 / 6 6 3 ) 1 2 .7 3PK ??第二段入口速率常數(shù) 第二段入口 β值 72 10 e xp( 654 2 / 663 ) 26 10 /( m in )k m ol g P a? ? ?? ? ? ? ? ?3 4 4 42 4 4 42( 3 . 9 9 1 1 0 1 . 2 8 3 1 0 ) ( 1 . 5 9 5 1 0 1 .
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