氣固相催化反應(yīng)固定床反應(yīng)器

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1、氣 固 相 催 化 固 定 床 反 應(yīng) 器 基 本 問 題 溫 度 、 濃 度 分 布 ， 氣 相 壓 降 ， 轉(zhuǎn) 化 率 及催 化 劑 用 量 選 擇 固 定 床 反 應(yīng) 器 的 原 則 什 么 反 應(yīng)需 要 用 固 定 床 反 應(yīng) 器 ？ 氣 固 相 催 化 反 應(yīng) 首 選 非 常 普 遍 如 ， 合 成 氨 、 硫 酸 、 合 成 甲 醇 、 環(huán) 氧 乙烷 乙 二 醇 、 苯 酐 及 煉 油 廠 中 的 鉑 重 整 等 。 流體在固定床反應(yīng)器內(nèi)的傳遞特性 氣 體 在 催 化 劑顆 粒 之 間 的 孔隙 中 流 動 ， 較在 管 內(nèi) 流 動 更容 易 達(dá) 到 湍 流 。 氣 體 自 上 而

2、 下流 過 床 層 。 床 層 空 隙 率 B： 單 位 體 積 床 層 內(nèi) 的 空 隙體 積 （ 沒 有 被 催 化 劑 占 據(jù) 的 體 積 ， 不 含催 化 劑 顆 粒 內(nèi) 的 體 積 ） 。 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 關(guān) 。 顆 粒 密 度 床 層 堆 積 密 度 ， 床 層 體 積顆 粒 體 積床 層 體 積空 隙 體 積 PB PBBPB 111 VV 壁 效 應(yīng) ： 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

3、 要 大 于 顆粒 直 徑 的 8倍 以 上 。 顆 粒 的 定 型 尺 寸 最 能 代 表 顆 粒 性 質(zhì)的 尺 寸 為 顆 粒 的 當(dāng) 量 直 徑 。 對 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 、 外 表 面 積 、比 表 面 積 。 體 積 ： (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 ） 外 表 面 積 ： (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 ） V31S3S 66 dVdV 球

4、形 體 積 ： a21S2S dSdS 球 形 外 表 面 積 ： 比 表 面 積 ： (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 ） SSVS 32SSV66 66SVSd dddVSS 球 形 比 表 面 積 ： ii dxd 1m 氣 體 流 動 通 過 催 化 劑 床 層 ， 將 產(chǎn) 生 壓 降 。 壓 降 計 算 通 常 利 用 厄 根 （ Ergun） 方 程 ： ： 床 層 空 隙 率 氣 體 密 度顆 粒 當(dāng) 量

5、直 徑 ： 床 層 高 度空 塔 氣 速： 平 均 流 速修 正 的 雷 諾 數(shù) ，式 中 ：B gsm Bg gmsmm s 2mg3B Bm : 1Re:Re 175.1Re150dd d lu uddulP 可 用 來 計 算 床 層 壓 力 分 布 。 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

6、B=0.44。 在 反 應(yīng)條 件 下 氣 體 的 密 度 g=2.46kg.m-3， 粘 度 g=2.3 10-5kg.m-1s-1， 氣 體 的 質(zhì) 量 流 速G=6.2kg.m-2s-1。 求 床 層 的 壓 降 。 粒 徑 d s/m m 3 .4 0 4 .6 0 6 .9 0質(zhì) 量 分 率 w 0 .6 0 0 .2 5 0 .1 5 解 ： 求 顆 粒 的 平 均 直 徑 。 計 算 修 正 雷 諾 數(shù) 。 m1096.3mm96.390.6 15.060.4 25.040.3 60.01 31S iidxd 190644.01103.2 2.61096.31Re 5 3Bg Sm

7、 Gd 計 算 床 層 壓 降 。 Pa10898.1 444.0 44.0146.21096.3 2.675.11903150 175.1Re150 175.1Re150 5 3323B BgS 2m 3B BS g2mm LdG Ldup 固定床催化反應(yīng)器的設(shè)計 絕 熱 型 換 熱 型 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 、 制 造 及 操 作 考 慮 ，

8、絕熱 型 比 較 簡 單 。 從 設(shè) 計 上 講 ， 基 本 方 程 是 一 樣 的 。 設(shè) 計 固 定 床 反 應(yīng) 器 的 要 求 ： 1生 產(chǎn) 強 度 盡 量 大 2氣 體 通 過 床 層 阻 力 小 3床 層 溫 度 分 布 合 理 4運 行 可 靠 ， 檢 修 方 便 計 算 包 括 三 種 情 況 ： 1設(shè) 計 新 反 應(yīng) 器 的 工 藝 尺 寸 2對 現(xiàn) 有 反 應(yīng) 器 ， 校 核 工 藝 指 標(biāo) 3對 現(xiàn) 有 反 應(yīng) 器 ， 改 進(jìn) 工 藝 指 標(biāo) ， 達(dá) 到 最大 生 產(chǎn) 強 度 。 模 型 化 對 于 一 個 過 程 ， 進(jìn) 行 合 理 的 簡 化 ， 利 用數(shù) 學(xué) 公 式

9、進(jìn) 行 描 述 ， 在 一 定 的 輸 入 條 件下 ， 預(yù) 測 體 系 輸 出 的 變 化 。 對 同 一 個 體 系 ， 根 據(jù) 不 同 的 簡 化 和 假 定 ，可 以 構(gòu) 造 不 同 的 模 型 。 不 同 的 簡 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 際 體 系的 差 異 。 根 據(jù) 不 同 的 簡 化 和 假 定 ， 分 為 幾 種 不 同層 次 的 模 型 。 對 于 固 定 床 反 應(yīng) 器 ， 一 般 有 以 下 模 型 ： 一 維 擬 均 相 平 推 流 模 型 一 維 擬 均 相 帶 有 軸 向 返 混 的

10、 模 型 二 維 擬 均 相 模 型 二 維 非 均 相 模 型 二 維 非 均 相 帶 有 顆 粒 內(nèi) 梯 度 的 模 型 一 維 ： 參 數(shù) 只 隨 軸 向 位 置 而 變 。 二 維 ： 參 數(shù) 隨 軸 向 和 徑 向 位 置 而 變 。 擬 均 相 ： 流 相 和 固 相 結(jié) 合 ， 視 為 同 一 相 。 非 均 相 ： 流 相 和 固 相 分 別 考 慮 。 平 推 流 ： 不 考 慮 軸 向 返 混 。 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 。 一 維 擬 均 相 平 推 流 模 型 質(zhì) 量 衡 算 在 管 式

11、反 應(yīng) 器 中 垂 直 于 流 動方 向 取 一 個 微 元 ， 以 這 個 微元 對 A組 份 做 物 料 衡 算 ： dv輸 入 輸 出 = 反 應(yīng) 積 累 FA FA+dFA (-RA)(1- B)Aidl 0 整 理 得 ： 對 照 平 推 流 反 應(yīng) 器 模 型 二 者 相 同 出： 催 化 劑 堆 密 度或 者 以 催 化 劑 質(zhì) 量 計 ： 以 催 化 劑 體 積 計 A0 A0A0 0A00BAA B0A0 BAA AA00 BAA dddddd 1dd x BAL Rxculcu lRx cuRlx RcuRlx 出A0 AA0A0R dx rxcVV 熱 量 衡 算 ： （

12、 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)Aidl熱 交 換 ： U(T-Tr) didl di反 應(yīng)器 直 徑積 累 ： 0U:氣 流 與 冷 卻 介 質(zhì) 之 間 的 換 熱 系 數(shù)T r： 環(huán) 境 溫 度 將 各 式 代 入 ， 得 動 量 衡 算 ： 仍 然 是 Ergun方 程 gp rBA 41dd uc TTdUHRlT i s 2mg3B Bm 175

13、.1Re150dd dulp 將 三 個 方 程 聯(lián) 立 ： 邊 界 條 件 ： L=0, p=p 0, xA=xA0, T=T0 gp rBA 41dd uc TTdUHRlT i 0A0 BAA 1dd cuRlx s 2mg3B Bm 175.1Re150dd dulp 需 要 注 意 的 問 題 1 從 解 題 的 角 度 看 ， 一 般 壁 溫 恒 定 ， 實際 情 況 并 非 如 此 。 2 對 于 低 壓 系 統(tǒng) ， 壓 降 十 分 重 要 。 3 U不 是 物 性 參 數(shù) ， 需 實 驗 確 定 。 4 注 意 u0, u, um 的 關(guān) 系 。 5 如 果 多 根 管 子 并

14、 聯(lián) ， 體 系 將 自 動 調(diào) 節(jié)各 管 的 流 量 ， 使 壓 降 相 同 ， 此 時 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 。 典 型 模 擬 結(jié) 果 兩 種 特 殊 情 況 ： 1 等 溫 ： 反 應(yīng) 熱 效 應(yīng) 不 大 ， 管 徑 較 小 ，傳 熱 很 好 時 ， 可 近 似 按 等 溫 計 算 。 等 溫 時 ， 。為 常 數(shù) ， 計 算 大 大 簡 化常 數(shù) 中 ， 反 應(yīng) 速 率的同 時 ：k RcuRlx uc TTdUHRlT iA0A0 BAA gp rBA 1dd 041dd 2絕 熱 ： 若 絕 熱

15、 ， 則 T=Tr， 或 者 認(rèn) 為 U=0。 此 時 ， 將 物 料 衡 算 式 與 熱 量 衡 算 式 合 并 ，可 得 ： ： 絕 熱 溫 升 ， 如 果 在 一 定 范 圍 內(nèi) 視 物 性為 常 數(shù) ， 將 不 隨 x及 T變 化 。 則 ： T T0= (x x0)溫 度 與 轉(zhuǎn) 化 率 形 成 一 一對 應(yīng) 關(guān) 系 ， 中 ，溫 度 可 以 由 T= T 0 + (x x0)代 替 。 p0Agp 0A0dd mc HFAAuc cuHxT ii A00 BAA 1dd cuRlx AA0A AA0AP A0AP0A0T BT AA0A0 B0A0 BAA dd dd dd1 dd

16、11dd RxFW RxFV RFVcuA lA RxlcucuRlx 質(zhì) 量 為 基 準(zhǔn) ， 則 ：如 果 動 力 學(xué) 方 程 以 顆 粒 準(zhǔn) ， 則 ：學(xué) 方 程 以 顆 粒 體 積 為 基 力中 的 基 準(zhǔn) 對 應(yīng) ， 如 果 動要 求 與 反 應(yīng) 動 力 學(xué) 方 程 積 ：左 端 上 下 同 乘 床 層 截 面 變 形 ： 可 逆 放 熱 反 應(yīng) 絕 熱 反 應(yīng) 器 的 最 優(yōu)化 （ 以 SO2 1/2O2=SO3為 例 ）x T平 衡 線 等 速 率 線0 二 氧 化 硫 氧 化 反 應(yīng) T x圖 示 意 二 氧 化 硫 氧 化 反 應(yīng) 氣 固 相 催 化 反 應(yīng) ，用 于 硫 酸

17、生 產(chǎn) ， 可 逆 ， 強 放 熱 ， 絕 大 多數(shù) 生 產(chǎn) 過 程 采 用 多 段 絕 熱 操 作 。 最 優(yōu) 化 目 的 ： 在 完 成 一 定 生 產(chǎn) 任 務(wù) 的 條件 下 ， 使 用 的 催 化 劑 最 少 。 已 知 條 件 ： 第 一 段 入 口 和 最 后 一 段 出 口轉(zhuǎn) 化 率 ； 第 一 段 入 口 反 應(yīng) 物 濃 度 ， 各 物性 參 數(shù) ； 段 與 段 間 采 用 間 接 冷 卻 。 可 以 改 變 的 參 數(shù) ： 各 段 的 入 口 溫 度 ； 段與 段 之 間 的 轉(zhuǎn) 化 率 。 以 四 段 為 例 ： 催 化 劑 用 量 為 ： （ 基 于 擬 均 相 平 推 流

18、 模型 ） 基 于 某 一 動 力 學(xué) 方 程 ， 適 當(dāng) 選 取 各 段 的入 口 溫 度 ； 段 與 段 之 間 的 轉(zhuǎn) 化 率 共 7個（ N段 為 2N 1個 ） 參 數(shù) ， 使 W最 小 。 4outin4out3in3out2in21outin1 ,d,d,d,d 43210A xxxxxxxx Txr xTxr xTxr xTxr xFW x1in,T1inx1out,T2inx2outT3inx 3outT4inx4out第 一 段第 二 段第 三 段第 四 段 斜 線 為 段 內(nèi) 操 作 線 ， 斜 率 為 1/ 。水 平 線 表 示 段 間 為 間 接 冷 卻 ， 只 是

19、溫 度 降 低 ， 轉(zhuǎn) 化 率 不 變 。 x T0 二 氧 化 硫 氧 化 反 應(yīng) T x圖 示 意 在 T x圖 上 看 ： 調(diào) 用 最 優(yōu) 化 程 序 ， 就 可 以 求 得 W最 小 值 ？ 可 以 ， 但 很 困 難 。 進(jìn) 一 步 數(shù) 學(xué) 處 理 ： 在 任 意 一 段 內(nèi) ， 當(dāng) xin及 xout確 定 之 后 ， 應(yīng)選 取 適 當(dāng) 的 進(jìn) 口 溫 度 Tin， 使 催 化 劑 量 最小 。 0d,1 , ,din2in 0Aoutinoutin ouin xT TxrrTxr dxT Txr xFWxxxx xx t 在 任 意 相 鄰 兩 段 間 ： 速 率 。等 于 前

20、一 段 的 出 口 反 應(yīng)后 一 段 的 入 口 反 應(yīng) 速 率 少 ， 無 論 中 間 轉(zhuǎn) 化 率 是 多即 ：變 上 限 定 積 分 的 偏 微 分 。使 兩 段 催 化 劑 之 和 最 小選 取 中 間 轉(zhuǎn) 化 率 TxrTxr TxrTxr Txr xTxr xx xx Txr xTxr xFWFW iiii iiii xx ixx ii ii xx ixx iii iiii iiii , 0,1,1 0,d,d ,d,d in11out in11out 1out in1out 1A01A0 out1in1outin out1in1outin 匯 總 ： 01 , 01 , 01 ,

21、01 4424 444333 3323 333222 2 222 222111 1121 4433 2211 dxTrr TxrTxr dxTrr TxrTxr dxTrr TxrTxr dxTrr inxx ininoutout inxx ininoutout in xx ininoutout inxx outinoutin outinoutin第 四 段 ：第 三 、 四 段 之 間 ：第 三 段 ：第 二 、 三 段 之 間 ：第 二 段 ：第 一 、 二 段 之 間 ：第 一 段 ： 七 個 方 程 ， 七 個 未 知 數(shù) ， 可 能 是 唯 一 解 。 討 論 ： 從 T x圖 上

22、看 ：x T0 二 氧 化 硫 氧 化 反 應(yīng) T x圖 示 意 例 6-3 (1)任 務(wù) 書 在 管 式 反 應(yīng) 器 中 進(jìn) 行 的鄰 二 甲 苯 催 化 氧 化 制 鄰 苯 二 甲 酸 酐 是 強 放 熱反 應(yīng) 過 程 ， 催 化 劑 為 V2O5， 以 有 催 化 作 用 的 硅膠 為 載 體 。 活 性 溫 度 范 圍 ： 610 700K 粒 徑 ： dP=3mm 堆 積 密 度 ： B=1300kg.m-3 催 化 劑 有 效 因 子 ： =0.67 催 化 劑 比 活 性 ： LR=0.92 反 應(yīng) 器 管 長 ： L=3m 管 內(nèi) 徑 ： dt=25mm 管 數(shù) ： n=250

23、0根 由 鄰 苯 二 甲 酸 酐 產(chǎn) 量 推 算 ， 原 料 氣 體 混合 物 單 管 入 口 質(zhì) 量 流 速 :G=9200kg.m-2h-1。烴 在 進(jìn) 入 反 應(yīng) 器 之 前 蒸 發(fā) ， 并 與 空 氣 混合 。 為 保 持 在 爆 炸 極 限 以 外 ， 控 制 鄰 二甲 苯 的 摩 爾 分 數(shù) 低 于 1 。 操 作 壓 力 接 近常 壓 ： p=1267kPa。 原 料 氣 中 鄰 二 甲 苯 的 初 摩 爾 分 數(shù) ： yA0=0.9 空 氣 的 初 摩 爾 分 數(shù) ： yB0=99.1 混 合 氣 平 均 相 對 分 子 質(zhì) 量 ： M=30.14kg.kmol-1 混 合 氣

24、 平 均 熱 容 ： cP=1.071kJ.kg-1K-1 混 合 氣 入 口 溫 度 ： 640-650K 化 學(xué) 反 應(yīng) 式 ： 宏 觀 反 應(yīng) 動 力 學(xué) ： SPBA O3HOCHC3OCHHC 2324622346 Tk pkpLR 13636837.19exp hkgkmol 11 BARA (2)設(shè) 計 要 求 按 一 維 擬 均 相 理 想 流 模 型 分別 測 算 在 絕 熱 式 反 應(yīng) 器 和 換 熱 式 反 應(yīng) 器 中的 轉(zhuǎn) 化 率 分 布 、 溫 度 分 布 ， 并 繪 制 L-xA-T分 布 曲 線 。 在 換 熱 條 件 下 ， 反 應(yīng) 器 管 間 用 熔 鹽 循

25、環(huán) 冷卻 ， 并 將 熱 量 傳 遞 給 外 部 鍋 爐 。 管 間 熱 載體 熔 鹽 溫 度 范 圍 630650K。 床 層 對 流 給 熱 系 數(shù) hW=561kJ.m-2h-1K-1 顆 粒 的 有 效 導(dǎo) 熱 系 數(shù) S=2.80kJ.m-1h-1K-1 總 括 給 熱 系 數(shù) 一 方 面 可 以 進(jìn) 行 反 應(yīng) 器 設(shè) 計 的 優(yōu) 化 （ 多方 案 比 較 ） ； 另 一 方 面 可 以 進(jìn) 行 反 應(yīng) 器參 數(shù) 的 靈 敏 性 分 析 ， 即 通 過 改 變 如 下 參數(shù) ， 考 慮 測 算 結(jié) 果 的 變 化 。 112tWS W KhmkJ8 8 dhhU S 催 化 劑 有

26、 效 因 子 總 括 給 熱 系 數(shù) U 催 化 劑 比 活 性 LR 管 間 冷 載 體 熔 鹽 溫 度 TS 進(jìn) 料 組 成 （ 原 料 氣 中 鄰 二 甲 苯 的 初 摩 爾 分 數(shù) ） yA0 操 作 壓 力 p 管 內(nèi) 徑 dt 管 數(shù) n 混 合 氣 入 口 溫 度 T 0 原 料 氣 體 混 合 物 單 管 入 口 質(zhì) 量 流 速 G (3)計 算 方 法 設(shè) 定 入 口 溫 度 等 于 管 壁 溫 度 ， 調(diào) 用 數(shù) 值積 分 程 序 同 時 對 以 下 兩 式 進(jìn) 行 數(shù) 值 積 分 。 0A0m BAA 1dd cuRlx Wt0BAPBm 411dd TTdhRHculT

27、 (4)計 算 結(jié) 果 根 據(jù) 計 算 結(jié) 果 繪 制 xA-l， T-l曲 線 ， 如 圖 。 按 照 設(shè) 計 要 求 改 變 諸 參 數(shù) 看 其 影 響 。 固定床反應(yīng)器模型評述 一 、 帶 有 軸 向 返 混 的 一 維 模 型 非 理 想 模 型 ， 當(dāng) 平 推 流 模 型 描 述 不 夠 滿意 時 采 用 。 修 正 軸 向 熱 量 、 質(zhì) 量 返 混 帶 來 的 與 平 推流 模 型 的 偏 離 。 物 理 模 型 ： 在 擬 均 相 平 推 流 模 型 上 迭 加 一 個 軸 向 返混 ， 與 非 理 想 流 動 中 介 紹 的 返 混模 型 相 同 ， 但 增 加 熱 擴(kuò) 散

28、的 考 慮 。 穩(wěn) 態(tài) ， 在 dVR體 積 中 對 A組 份 做 物 料 衡 算 ： 輸 入 輸 出 反 應(yīng) 輸 入 輸 出 反 應(yīng) LdlcA0,FA0,xA0=0,V0 cA,FA,xA,VFA, xA FA+dFA,xA+dxAdVR lAR cuAFAllcclEFF AlcEF i iii d1 dd dddddd dd BA AAAAZAA AZA 將 以 上 三 式 合 并 ， 得 ： 式 中 ， EZ為 軸 向 有 效 擴(kuò) 散 系 數(shù) 。 相 應(yīng) ， 在 同 樣 條 件 下 ， 對 dVR做 熱 量 衡 算 ： 01dddd AA2A2Z BRlculcE lTATTcAu

29、llTTlATcAu ii ii ddd ddddd Zpg Zpg 輸 出 ：輸 入 ： 反 應(yīng) ： 散 熱 ： 輸 入 放 熱 輸 出 散 熱 整 理 得 ： Z為 軸 向 有 效 導(dǎo) 熱 系 數(shù) lTThd lAHRi id d1 r0 BA 041dddd rBAp22Z TTdhHRlTculT iog 邊 值 條 件 ： 二 階 常 微 分 方 程 組 ， 兩 點 邊 值 問 題 。 可 調(diào) 用 程 序 求 解 0dd 0dd dddd0 A Z0pg0 AZAA00 lTlcLl lTTTcu lcEccul 討 論 ： 1 軸 向 擴(kuò) 散 的 引 入 ， 可 以 導(dǎo) 致 溫 度

30、 、 濃度 分 布 趨 于 平 緩 。 2 許 多 不 確 定 因 素 可 以 歸 結(jié) 到 軸 向 擴(kuò) 散中 。 3 軸 向 擴(kuò) 散 可 能 會 造 成 多 重 態(tài) 。 4 軸 向 擴(kuò) 散 系 數(shù) 與 軸 向 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 有 一 定的 函 數(shù) 關(guān) 系 。 5 經(jīng) 驗 證 明 ， 當(dāng) 床 層 厚 度 大 于 50倍 顆 粒直 徑 時 ， 軸 向 熱 質(zhì) 擴(kuò) 散 （ 軸 向 返 混 ） 對出 口 轉(zhuǎn) 化 率 所 造 成 的 影 響 可 以 忽 略 不 計 。 6 軸 向 擴(kuò) 散 系 數(shù) 和 軸 向 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 都 不 是物 性 參 數(shù) 。 其 中 都 包 含 了 流 體 和 固 體 顆粒

31、雙 重 的 貢 獻(xiàn) 。 7 軸 向 擴(kuò) 散 系 數(shù) 和 軸 向 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 需 通 過實 驗 求 取 或 參 考 文 獻(xiàn) 值 及 通 過 經(jīng) 驗 公 式求 取 。 二 、 二 維 擬 均 相 模 型 二 維 ： 軸 向 和 徑 向 對 于 徑 向 存 在 較 大 的 溫 度 差 、 濃 度 差 的反 應(yīng) 器 ， 一 維 模 型 有 時 不 能 滿 足 要 求 ，需 要 考 慮 徑 向 的 溫 度 濃 度 分 布 。 與 一 維 模 型 相 比 ， 考 慮 的 因 素 更 多 ， 得到 的 結(jié) 果 更 復(fù) 雜 ， 各 有 優(yōu) 缺 點 。 模 型 假 定 ： 1 反 應(yīng) 在 圓 管 式 反 應(yīng)

32、 器 中 進(jìn) 行 。 2 流 體 在 催 化 劑 管 內(nèi) 為 非 理 想 流 動 ， 存在 著 軸 、 徑 向 的 質(zhì) 量 和 熱 量 擴(kuò) 散 。 3 流 固 相 之 間 沒 有 溫 度 、 濃 度 差 。 4 擴(kuò) 散 遵 循 Fick擴(kuò) 散 定 律 。 在 管 式 反 應(yīng) 器 中 取 一 微 元 ： drdlR r 定 常 態(tài) 條 件 下 就 環(huán) 形 微 元 對 A做 物 料 衡 算 ： 0 dd21 d2dd2 dd2 ddd2 d2d2 A ArAAl AA AAr AlA積 累 ：反 應(yīng) ：輸 出 ：輸 入 ： lrrR rcElrllcclErr llccurr rrccrElrr

33、lcErrucrr B 輸 入 輸 出 =反 應(yīng) 整 理 得 ： BAAA2A2r BAA2A2lA2A2r 11 11 RlcurcrrcE RlculcErcrrcE 散 項 被 忽 略 ：在 多 數(shù) 情 況 下 ， 軸 向 擴(kuò) 熱 量 衡 算 ： lrrHR rTlrlTrrllTTcurr rrTTrlrr llTTlrrTcurr dd21 d2d2dd2 ddd2 dd2d2 BA rlpgr lpg 微 元 內(nèi) 反 應(yīng) 熱 ： 輸 出 微 元 的 熱 量 ： 輸 入 微 元 的 熱 量 ： 輸 入 輸 出 反 應(yīng) 與 質(zhì) 量 衡 算 類 似 ， 軸 向 熱 擴(kuò) 散 項 可 以 忽

34、略 ： 動 量 衡 算 方 程 與 一 維 模 型 相 同 。 HRlTculTrTrrT BApg22l22r 11 HRlTcurTrrT BApg22r 11 s 2mg3B Bm 175.1Re150dd dulp 邊 界 條 件 ： wwrAA 00A0A ,00 0,000 ,00 TThrTrcLlRr rTrcLlr ppTTccRrl l=0 l=L 在 任 意 截 面 上 流 體 的 平 均 溫 度 濃 度 RR RR rrcRR rcrc rrTRcuR rTcruT 0 A22A0A 02pg2 pg0 d2 d2 d2 d2 關(guān) 于 模 型 參 數(shù) 模 型 參 數(shù) 是

35、 模 型 的 一 個 重 要 組 成 部 分 ，與 模 型 緊 密 結(jié) 合 。 模 型 參 數(shù) 包 含 軸 徑 向 有 效 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 與 擴(kuò)散 系 數(shù) 及 流 體 與 管 壁 之 間 的 給 熱 系 數(shù) 。 模 型 參 數(shù) 的 取 得 ， 與 實 驗 條 件 有 關(guān) ， 在具 體 應(yīng) 用 時 ， 要 選 擇 盡 可 能 接 近 應(yīng) 用 條件 的 文 獻(xiàn) 值 。 徑向溫度分布 非均相模型 考 慮 到 流 體 與 催 化 劑 顆 粒 之 間 有 較 大 的 溫度 差 和 濃 度 差 ， 流 固 相 不 能 當(dāng) 成 一 個 虛 擬的 均 相 處 理 ， 派 生 出 了 非 均 相 模 型 。

36、如 果 再 考 慮 到 顆 粒 內(nèi) 部 的 溫 度 與 濃 度 梯 度 ，又 會 產(chǎn) 生 考 慮 到 粒 內(nèi) 溫 度 濃 度 梯 度 的 模 型 。 熱量傳遞熱量傳遞 擬 均 相 一 維 平 推流 模 型 熱量傳遞熱量傳遞 帶 有 軸 向 返 混 的 擬 均相 一 維 模 型熱 質(zhì) 傳 遞 熱量傳遞熱量傳遞 擬 均 相 二 維 模 型熱 質(zhì) 傳 遞 固 體 相熱量傳遞熱量傳遞 二 維 非 均 相 模 型熱 質(zhì) 傳 遞 抽象成為 熱量傳遞 二 維 非 均 相 模 型熱 質(zhì) 傳 遞 熱量傳遞流 體 相 熱量傳遞考 慮 顆 粒 內(nèi) 梯 度 的 二 維 非 均 相 模 型熱 質(zhì) 傳 遞 熱量傳遞流 體 相 固 體 相 模型評述 考 慮 的 因 素 越 多 ， 模 型 越 復(fù) 雜 ， 模 型 參數(shù) 就 越 多 ， 模 型 參 數(shù) 的 可 靠 性 就 越 重 要 。 并 非 模 型 越 復(fù) 雜 越 好 。 模 型 復(fù) 雜 增 加 了實 驗 、 計 算 工 作 量 ， 增 加 了 出 錯 的 概 率 。 以 簡 單 實 用 為 好 。 如 返 混 嚴(yán) 重 ， 宜 用 帶軸 向 返 混 的 一 維 模 型 ； 徑 向 溫 差 大 ， 宜用 擬 均 相 二 維 模 型 等 。 非 均 相 模 型 慎 用 ， 非 不 得 已 ， 不 用 過 于復(fù) 雜 的 模 型 。