【正文】 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。 ④物料的溫度、濃度沿管長連續(xù)變化。 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徑向無濃度梯度和速度梯度、溫度梯度。這組方程的求解非常困難。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)典型的二維問題簡(jiǎn)化為一維問題，于是可用常微分方程來描述。描述這兩個(gè)方向上的濃度和溫度變化需用偏微分方程，前提是濃度和溫度分布是連續(xù)且光滑的。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，從數(shù)學(xué)模型精度的要求來看，就需要把這一影響包括在內(nèi)。給熱速率式以靠近器壁流體溫度 tR與壁溫 tW之差來定義： ()W R Wq h A t t?? 將顆粒與流體間的給熱系數(shù)以 hP表示，利用給熱系數(shù) hP可以算出粒子與流體間的溫差： ()A A P m G S P mH r h a T T h a T???? ? ? ? ?式中： am= Sa /ρB單位質(zhì)量催化劑的外表面積， Sa床層比表面積； φ 對(duì) 床層比表面積的一項(xiàng)校正 球形顆粒 φ =1 圓柱形顆粒 φ = 片狀體 φ = 無定形顆粒 φ = 2 / 3( Pr ) /AAHPmHrT Q jha ???? ? ?上式與 jH的定義式結(jié)合，可得粒子與流體間的溫差： Q稱為傳熱數(shù) : 對(duì)于氣體 AAmPHrQa C G????Pr 0. 6 1. 0PC ????對(duì)于液體 Pr 2 40 0PC ???? 在固定床反應(yīng)器中，由于固體顆粒的存在，當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，不斷發(fā)生著分散和匯合，在徑向比軸向更為顯著。 / ( 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來描述。由于 λ er與反應(yīng)無關(guān)，因此可在無反應(yīng)的情況下進(jìn)行測(cè)定。 床層熱阻用徑向有效導(dǎo)熱系數(shù) λ er 來描述。 計(jì)算 h0常用的公式： 二維模型需要考慮徑向溫度分布。 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＜ 。K)。床層熱阻和壁膜熱阻合并作為一個(gè)熱阻來考慮，用床層與器壁間的給熱系數(shù) h0來表示， 給熱速率式以床層平均溫度 tm與壁溫 tW之差來定義： 式中： A為傳熱面積， h0 值大致為 ～ 320kJ／ (m2通常固定床的熱量主要是在中心與管壁間作徑向的傳遞，除少數(shù)強(qiáng)放熱等情況外，流動(dòng)方向的軸向?qū)嵊绊懗？珊雎圆挥?jì)。 固定床壓力降 影響 因素： ① 熱量通過空隙中的流體以對(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)相鄰顆粒周圍的邊界層的傳導(dǎo)； (c)顆粒間的輻射； (d)顆粒內(nèi)的傳導(dǎo)。所以顆粒不能太細(xì)，而且最好都能做成圓球狀，氣流速度也應(yīng)適可而止。 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。 流體在固定床中的流動(dòng)，與空管中的流體流動(dòng)相似，只是流道不規(guī)則而已。 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，即流體與顆粒表面間的摩擦；另一方面是由于流體流動(dòng)過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。從床層中心處算起，隨著徑向位置的增大，流速增加，在離器壁的距離等于 1～ 2倍顆粒直徑處，流速最大，然后隨徑向位置的增大而降低，至壁面處為零。 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。但球形或圓柱形顆粒充填的床層，在同一橫截面上的 ε 值，除壁效應(yīng)影響所及的范圍外，還在一平均值上下波動(dòng)，由于壁效應(yīng)的影響，床層直徑與顆粒直徑之比越大，床層空隙率的分布越均勻。 ε ＝ (床層自由體積 )/(床層體積 ) 1 BP???? 固定床中同一橫截面上的空隙率是不均勻的，對(duì)于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)。 ③ 停留時(shí)間可以嚴(yán)格控制，溫度分布可以適當(dāng)調(diào)節(jié)，有利于達(dá)到高的選擇性和轉(zhuǎn)化率。 凡是流體通過固定不動(dòng)的固體顆粒構(gòu)成的床層進(jìn)行反應(yīng)的裝置都稱作固定床反應(yīng)器。如煉油工業(yè)中的催化重整，異構(gòu)化，基本化學(xué)工業(yè)中的氨合成、天然氣轉(zhuǎn)化，石油化工中的乙烯氧化制環(huán)氧乙烷、乙苯脫氫制苯乙烯等等。本章的主要研究對(duì)象是固定床反應(yīng)器，流化床反應(yīng)器則作簡(jiǎn)要的闡述。 催化反應(yīng)器多相設(shè)計(jì) 1 固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象 2 固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型 3 絕熱式固定床反應(yīng)器 4 換熱式固定床反應(yīng)器 5 自換熱式固定床反應(yīng)器 6 參數(shù)敏感性 7 流化床反應(yīng)器 催化反應(yīng)器多相設(shè)計(jì) ?南通儀創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司 ?南通儀創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司 本章的目的是討論催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析，且只限于采用固體催化劑的反應(yīng)過程。根據(jù)固體催化劑是處于靜止?fàn)顟B(tài)還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，反應(yīng)器又可分為兩大類，屬于靜止?fàn)顟B(tài)的有固定床反應(yīng)器和滴流床反應(yīng)器，催化劑處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的有流化床反應(yīng)器、移動(dòng)床反應(yīng)器和漿態(tài)反應(yīng)器等，這些反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)原理在第 1章中已做過簡(jiǎn)要的介紹。 本章的主要內(nèi)容 以氣態(tài)的反應(yīng)物料通過由固體催化劑所構(gòu)成的床層進(jìn)行反應(yīng)的氣 ?固相催化反應(yīng)器占最主要的地位。此外還有不少非催化的氣 — 固相反應(yīng)，如水煤氣的生產(chǎn)，以及許多礦物的焙燒等，也都采用固定床反應(yīng)器。 1 固定床反應(yīng)器 固定床反應(yīng)器優(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(dòng)接近于活塞流，可用較少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積來獲得較大的生產(chǎn)能力。 固定床反應(yīng)器特點(diǎn)： 固定床反應(yīng)器缺點(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 一、床層空隙率 ε 床層空隙率是表征床層結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)，床層空隙率的大小與顆粒形狀、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)。 2 固定床中的傳遞過程 在非球顆粒充填的床層中，同一截面上的 ε 值，除壁效應(yīng)影響所及的范圍外，都是均勻的。通常所說的床層空隙率指的是平均空隙率。床層各個(gè)橫截面上孔道的數(shù)目不一定相同，流過床層的流體，其徑向流速分布也不均勻。床層直徑與顆粒直徑之比越小，徑向流速分布越不均勻。當(dāng)流體處于層流時(shí)，前者起主要作用；在高流速及薄床層中流動(dòng)時(shí)，起主要作用的是后者。故此可將空管中流體流動(dòng)的壓力降計(jì)算公式修正后用于固定床。 由于在生產(chǎn)流程中，流體的壓頭有限，一般固定床中的壓降不宜超過床內(nèi)壓力的 15％。如何變動(dòng)降低壓力降應(yīng)考慮傳質(zhì)傳熱的問題。 ③床層與器壁的傳熱 三、固定床中的傳熱方式： 四、固定床的傳熱計(jì)算 在擬均相模型中，把包括顆粒與流體的床層看作為均一的固體物質(zhì)，用一個(gè)有效導(dǎo)熱系數(shù) λ e來表征其傳熱特性， λ e是流體流速的函數(shù) (流體靜止時(shí)的值以 λ e0表示 )。因此 λ e一般常是指 λ er ① 一維模型 在一維模型中，床層徑向溫度被認(rèn)為是相同的。h 0 ()mWq h A t t??※ h0不能用以計(jì)算床層的徑向溫度分布。 d t為床層直徑， dP為顆粒比外表面積相當(dāng)直徑。在計(jì)算徑向溫度分布時(shí)，通常把固定床徑向傳熱的熱阻看成是由兩部分組成：一是床層本身，另一是器壁上的層流邊界層。其確定方法是先測(cè)定床層中的溫度分布，后根據(jù)傳熱方程式來反算求出 λ er。 ② 二維模型 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的 λ er值一般為 Re與 Pr的函數(shù)關(guān)系： 式中 λ 是流體的導(dǎo)熱系數(shù)， a及 b為實(shí)驗(yàn)常數(shù)?？筛鶕?jù)實(shí)際情況查找相關(guān)文獻(xiàn)。在一般簡(jiǎn)化的模型中，常把固定床中流體的流動(dòng)看作是活塞流式的，沒有返混。表征這種現(xiàn)象的參數(shù)是徑向和軸向的混合擴(kuò)散系數(shù) Dr和 Da，通常是用顆粒直徑 dp代替 Pe數(shù)中的定性長度 Lr 五、 固定床中流體 軸向、徑向的質(zhì)量傳遞 軸向質(zhì)擴(kuò)散彼克列數(shù)為： () PamaduPeD?氣體 / 1 0 , ( ) 2P a mR e d u P e??? ? ?液體 ( ) 0 . 3 1amPe ?徑向質(zhì)擴(kuò)散彼克列數(shù)為 PrrduPeD?