1、 第七章 氣固相催化固定床反應器氣固相催化固定床反應器 武漢工業學院武漢工業學院 化學與環境工程學院化學與環境工程學院 胡廷平胡廷平 201204關于補充辛普森數值積分知識1 不能積分出來的函數可通過辛普森積分得到數值解2 積分精確程度取決于N的大小，N越大積分精度越高，但計算工作量增大。101000()()()iNxxxNIIxIIxixIIxNx內容提要: 7-1流體在固定床傳遞特性n7-2固定床催化反應器設計n7-2-1單段絕熱反應器n7-2-2 多段絕熱反應器n7-3固定床反應器模型（略講，自學）n7-4 催化劑失活 7.1流體在固定床傳遞特性7.1.1 固定床反應器: 特點:催化劑固

2、定 氣體（液體）流動略講，重在基本概念略講，重在基本概念與之相對的是流化床反應器與之相對的是流化床反應器固定床空隙率的徑向分布并不均勻固定床空隙率的徑向分布并不均勻l固定床同一橫截面處徑向空隙率不相等固定床同一橫截面處徑向空隙率不相等l床層直徑與顆粒直徑比越大，床層空隙率分布越均床層直徑與顆粒直徑比越大，床層空隙率分布越均勻勻l空隙率其它影響因素：催化劑形狀、粒度分布以及空隙率其它影響因素：催化劑形狀、粒度分布以及裝填方式裝填方式固定床徑向流速分布固定床徑向流速分布7.1.2 固定床反應器的流體力學n床層壓降推導:242UdLfp)1 (32dde/Uu Ll空直圓管固定床歐根方程pfpdud

3、uHp23232)1 (75. 1)1 (150歐根方程可直接用于描述固定床，通過變換處歐根方程可直接用于描述固定床，通過變換處理也可用于流化床，是非常著名的方程理也可用于流化床，是非常著名的方程,類似化類似化工原理中過濾方程的推導。工原理中過濾方程的推導。7.1.3 7.1.3 固定床內徑向傳質與傳熱固定床內徑向傳質與傳熱1 1 固定床內徑向傳熱熱固定床內徑向傳熱熱阻阻 （1 1）床層本身）床層本身 （2 2）器壁上層流邊界層）器壁上層流邊界層 （壁膜傳熱系數（壁膜傳熱系數h hw w） 顆粒接觸處的熱傳導顆粒接觸處的熱傳導 相鄰顆粒周圍的邊界層的傳導相鄰顆粒周圍的邊界層的傳導 顆粒間的輻射

4、顆粒間的輻射 顆粒內的傳導顆粒內的傳導 流體流動的貢獻流體流動的貢獻床層總熱阻床層總熱阻（總傳熱系數（總傳熱系數ht）粒內傳熱粒子與流體間的傳熱床層與器壁的傳熱 熱阻大熱阻大er 徑向徑向有效有效導熱導熱系數系數固定床固定床的傳熱問題的傳熱問題2 2 徑向總傳熱系數徑向總傳熱系數h ht t的關聯式的關聯式球形顆粒球形顆粒圓柱形顆粒圓柱形顆粒徑向傳質徑向傳質5 51313多數多數1010rpmrDudPe徑向濃度梯度徑向濃度梯度ptddN5 )/6exp(Re03. 28 . 0tpfttdddh )/6exp(Re26. 195.0tpfttdddh 7.2 7.2 固定床催化反應器的設計固

5、定床催化反應器的設計7.2.1 多段絕熱反應器的類型絕熱反應器的類型00()AAxAARxbAFdxVR0001)()AAxmAAxBAu CdxLR（pgAACHCdxdT)(0絕熱溫升pgAAACHCxxTT)()(0007.2.27.2.2單段絕熱式固定床反應器催化劑用量單段絕熱式固定床反應器催化劑用量pgmBACuRHdldT)1)()(00)1)(AmBAACuRdldx物料衡算方程熱量衡算方程例例7.2 7.2 某固定床反應器某固定床反應器0.1013MPa0.1013MPa下燃燒處理含苯酚廢下燃燒處理含苯酚廢氣，處理量氣，處理量Q Q=1200m=1200m3 3/h/h，苯酚質

6、量分數為，苯酚質量分數為800mg/kg800mg/kg，T T0 0=403K=403K，要求燃燒后苯酚質量分數為，要求燃燒后苯酚質量分數為100mg/kg100mg/kg。催化。催化劑直徑劑直徑8mm8mm，該催化劑上苯酚燃燒為一級反應，該催化劑上苯酚燃燒為一級反應，k k=7.03=7.03* *10106 6exp(-5000/exp(-5000/T T),min),min。忽略外擴散阻力，試。忽略外擴散阻力，試計算催化劑用量。計算催化劑用量。AfAxxAAAAbARTxrTxdxFV0),(),(0TxAs,TxkDeAp,00AAxxTT思路思路Bpkk1/ggaSVr/2 cm

7、10 10013. 1/013. 1-55 107 .162 ar sTTDK/cm ,10003. 694/1069700247 scm TDVDD2KpgKpe/,10564. 75sss31)3tanh(11epsDkR3（1）求有效擴散系數）求有效擴散系數（2）求內擴散有效因子）求內擴散有效因子AxT7973473AfAxxAAAAARTxrTxdxFV0),(),(0KcyHpA73.791000/300008. 029900（3）溫度與轉化率關系）溫度與轉化率關系,106 .115, 1;1007.56, 0sAsAxx xxDkRAAps)73.79473/(2500exp)73

8、.79473(5162634/1 )73.79473/(2500exp)73.79473(5162614/1AAxx3m.3157.2.2 7.2.2 多段絕熱式固定床反應器多段絕熱式固定床反應器產品產品原料原料IIIIIITXA平衡曲線平衡曲線最佳溫最佳溫度線度線 T= XA間接換熱式三段間接換熱式三段固定床反應器固定床反應器T T- -X XA A圖圖i-1ixAi-1Ti-1xAiTixAiTi)(11AiAiiixxTTi-1ixAi-1Ti-1xAiTixAiTiNiRiRVVV1min NixxAABANixxAABARAfAAfARdxFRdxCVV1010000)(1)(10A

9、iRxV NiRRiAifA, 3 , 2)()(0)1(催化劑用量最少催化劑用量最少* * *產品成本最低產品成本最低產量最大產量最大目標函數目標函數0iRTV1,2 , 10AiAixxAAiNiRdxTNixAi, 2, NiTi,1l在規定的進、出口轉在規定的進、出口轉化率下，存在一最佳的化率下，存在一最佳的進口溫度，使催化劑總進口溫度，使催化劑總用量最少，條件式用量最少，條件式（II）。）。01)(1002AXxxiAAdxTRRAAifAi0)1()()(iAifARRTXA平衡曲線平衡曲線最佳溫最佳溫度線度線 T= XAABCDEFl為保證催化劑總用量最少，任何一段的出口轉任何一

10、段的出口轉化速率應等于下一段進化速率應等于下一段進口的轉化速率，條件式口的轉化速率，條件式（I）；）；產品產品原料原料IIIIIITXA平衡曲線平衡曲線最佳溫最佳溫度線度線 T= XA間接換熱式三段間接換熱式三段固定床反應器固定床反應器T T- -X XA A圖圖i-1ixAi-1Ti-1xAiTixAiTi參見課本例6-2l模型分類依據模型分類依據 催化劑顆粒內部催化劑顆粒內部 催化劑外表面催化劑外表面 與流體相主體與流體相主體 反應器徑向反應器徑向 反應器軸向反應器軸向（擬）均相與非均（擬）均相與非均相模型相模型一維與二維模型一維與二維模型（3 3）有徑向濃度和溫度分布的二維模型）有徑向濃

11、度和溫度分布的二維模型非均相模非均相模型分類型分類（1 1）活塞流模型（一維）活塞流模型（一維）（2 2）有軸向返混的一維模型）有軸向返混的一維模型7.3 7.3 固定床反應器的數學模型固定床反應器的數學模型（略講）1.活塞流模型活塞流模型)(00AbAAARdZdXMGw)(4)(0ctrAbptTTdUHRdZdTGC32)1( pdfGdZdp 000, , , 0 , 0:ccATTPPTTXZBC )(4ctcpccTTdUdZdTCG 模型模型假設假設 考慮內外擴散考慮內外擴散 忽略徑向濃度溫度速度分布忽略徑向濃度溫度速度分布模型模型方程方程2.考慮軸向濃度溫度壓力分布（忽略擴散）考慮軸向濃度溫度壓力分布（忽略擴散）0)(0022AbAAaRdZdcudZcdD0)(4)(0022ctrAbptfeaTTdUHRdZdTCudZTddZdTTTCueaptf )(00dZdc