6.2固定床催化反应器的设计

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

• 2对现有反应器，校核工艺指标

• 3对现有反应器，改进工艺指标，达到最大生产强度。

一、模型化

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。

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。

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：

一维拟均相平推流模型

一维拟均相带有轴向返混的模型

二维拟均相模型

二维非均相模型

二维非均相带有颗粒内梯度的模型

• 一维：参数只随轴向位置而变。

• 二维：参数随轴向和径向位置而变。

• 拟均相：流相和固相结合，视为同一相。

• 非均相：流相和固相分别考虑。

• 平推流：不考虑轴向返混。

• 带有轴向返混的模型：在平推流模型的基础上叠加了轴向返混。

1、一维拟均相平推流模型

质量衡算

在管式反应器中垂直于流动方向取一个微元，以这个微元对A组份做物料衡算：

对照平推流反应器模型二者相同

热量衡算：（仍然是那块体积）

动量衡算：仍然是Ergun方程

需要注意的问题

1 从解题的角度看，一般壁温恒定，实际情况并非如此。

2 对于低压系统，压降十分重要。

3 U不是物性参数，需实验确定。

4 注意u₀, u, u_m 的关系。

5 如果多根管子并联，体系将自动调节各管的流量，使压降相同，此时各管的处理量不同，转化率不同，造成生产能力和产品质量下降。

两种特殊情况：

1 等温：反应热效应不大，管径较小，传热很好时，可近似按等温计算。

• 等温时，

2绝热：若绝热，则T=T_r，或者认为U=0。此时，将物料衡算式与热量衡算式合并，可得：

二氧化硫氧化反应－－气固相催化反应，用于硫酸生产，可逆，强放热，绝大多数生产过程采用多段绝热操作。

最优化目的：在完成一定生产任务的条件下，使用的催化剂最少。

已知条件：第一段入口和最后一段出口转化率；第一段入口反应物浓度，各物性参数；段与段间采用间接冷却。

可以改变的参数：各段的入口温度；段与段之间的转化率。

以四段为例：

催化剂用量为：（基于拟均相平推流模型）

基于某一动力学方程，适当选取各段的入口温度；段与段之间的转化率共7个（N段为2N－1个）参数，使W最小。

调用最优化程序，就可以求得W最小值？可以，但很困难。

进一步数学处理：在任意一段内，当x_in及x_out确定之后，应选取适当的进口温度T_in，使催化剂量最小。

例6-3  (1)任务书  在管式反应器中进行的邻二甲苯催化氧化制邻苯二甲酸酐是强放热反应过程，催化剂为V₂O₅，以有催化作用的硅胶为载体。

活性温度范围：  610～700K；粒径：    d_P=3mm；堆积密度：    ρ_B=1300kg.m^-3 

催化剂有效因子：η =0.67；催化剂比活性：  L_R=0.92；反应器管长：    L=3m

管内径：    d_t=25mm；管数：    n=2500根

由邻苯二甲酸酐产量推算，原料气体混合物单管入口质量流速:G=9200kg.m^-2h^-1。烃在进入反应器之前蒸发，并与空气混合。为保持在爆炸极限以外，控制邻二甲苯的摩尔分数低于1％。操作压力接近常压：p=1267kPa。

教学后记：