化学反应工程教案15(化工13)-胡江良..docVIP

化学反应工程 课程教案 课次 15 课时 2 课 型 （请打√） 理论课√ 讨论课□ 实验课□ 习题课□ 其他□ 授课题目（教学章、节或主题）： 第6章 气固相催化反应固定床反应器 6.1流体在固定床内的传递特性 6.2固定床反应器的设计 教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：： 1. 掌握流体在固定床内的流动特性； 2. 掌握固定床催化反应器的特点、类型和设计要求； 教学重点及难点： 重点：固定床催化反应器的特点、类型和设计要求。 难点：一维拟均相理想流动模型对反应器进行设计计算。 教 学 基 本 内 容 方法及手段 6.1流体在固定床内的传递特性 固定床反应器型式很多，但大体上都可以看成是一些基本单元组合。所谓基本单元是指装填一定量的固定颗粒的均匀直圆管。 气体在催化剂颗粒之间的孔隙中流动，较在管内流动更容易达到湍流 气体自上而下流过床层 6.1.1流体在固定床内的流动特性 床层空隙率εB：单位床层体积内的空隙体积（没有被催化剂占据的体积，不含催化剂颗粒内的体积）P159 若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒的床层，其空隙率与颗粒大小无关。 壁效应： εB不仅与颗粒尺寸及形状有关，还与床层直径有关。靠近壁面处的空隙率比其它部位大。 为减少壁效应的影响，要求床层直径至少要大于颗粒直径的8倍以上 颗粒的定型尺寸 颗粒的定型尺寸是颗粒体系的重要参数，常用粒径来表示。对于球形颗粒，粒径自然是球的直径。对于其他形状颗粒，最能代表颗粒性质的尺寸为颗粒的当量直径。对于非球形颗粒，可将其折合成球形颗粒，以当量直径表示。方法有三：体积当量直径(dv)、外表面积当量直径(da) 、比表面积当量直径(ds) 体积当量直径(dv) ：(非球形颗粒折合成同体积的球形颗粒应当具有的直径）Vs:颗粒体积 外表面积当量直径(da) ： (非球形颗粒折合成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径） 比表面积当量直径(ds) ： (非球形颗粒折合成相同比表面积的球形颗粒应当具有的直径） 混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子直径的加权平均） Wi是直径为di的粒子所占的质量分数 气体流动通过催化剂床层，将产生压降。 压降计算通常利用厄根（Ergun）方程： 空塔气速: 指不考虑塔内装入的物件，按空塔计算流体通过塔的平均流速，以流体的流量除以塔的总截面积而得到的数值。 可用来计算床层压力分布。如果流体流过床层时温度变化不大，压降相对较小，床层填充均匀，则方程解为： 如果压降不大，在床层各处物性变化不大，可视为常数，压降将呈线性分布（大多数情况）。 例6.1 在内径为50mm的管内装有4m高的催化剂层，催化剂的粒径分布如表所示。 催化剂为球体，空隙率εB=0.44。在反应条件下气体的密度ρg=2.46kg.m-3，粘度μg=2.3×10-5kg.m-1s-1，气体的质量流速G=6.2kg.m-2s-1。求床层的压降。 解：①求颗粒的平均直径。 ②计算修正雷诺数。 ③计算床层压降。 6.2固定床催化反应器的设计 固定床催化反应器的特点及类型 冷激(quench)：又称骤冷。在多层固定床绝热反应器中进行放热反应时，在催化剂层间注入冷的原料，与高温的反应物混合，以直接换热的方式降低反应物的温度，称为冷激。反应物通过一层催化剂产生一定的绝热温升后进入下一层前，冷的原料与该反应物充分混合(冷激)后再进入下一层催化剂进行反应，以降低进入下一层催化剂的入口温度。 操作方式： 绝热、换热两种；操作方式的不同，反应器的结构就不同。 操作方式由反应的热效应和操作范围的宽窄及反应的经济效益等决定。 从反应器的设计、制造及操作考虑，绝热型比较简单。 从设计上讲，基本方程是一样的。 设计固定床反应器的要求 1．生产强度尽量大 2．气体通过床层阻力小 3．床层温度分布合理 4．运行可靠，检修方便 计算包括三种情况： 1．设计新反应器的工艺尺寸（设计） 2．对现有反应器，校核工艺指标（核算） 3．对现有反应器，改进工艺指标，达到最大生产强度（核算）。 模型化 1.对于一个过程，进行合理的简化，利用数学公式进行描述，在一定的输入条件下，预测体系输出的变化。 2.对同一个体系，根据不同的简化和假定，可以构造不同的模型。 3.不同的简化和假定，也决定了模型必然含有一些参数，以修正模型与实际体系的差异。 根据不同的简化和假定，分为几种不同层次的模型。 对于固定床反应器，一般有以下模型： 1）、一维拟均相平推流模型 2）、一维拟均相带有轴向返混的模型 3）、二维拟均相模型 4）、二维非均相模型 5）、二维非均相带有颗