“密粒”气固缩核反应平推流反应器模型_王德民.pdf

202313工艺与设备147Modern Chemical Research当代化工研究202313工艺与设备147Modern Chemical Research当代化工研究“密粒”气固缩核反应平推流反应器模型王德民 王利芹（中国核电工程有限公司 北京 100840）摘要：气固反应是化工过程常见而重要的反应。恰当的反应器模型能够简化反应器设计，提高效率。本文首次建立了“密粒”缩核反应平推流反应器的设计模型，并分析了一工业数据，结果表明，高度计算值与文献值相差20%，可见，当前模型能够指导反应器的设计，为反应器设计、操作优化提供支撑，具有重要使用价值。关键词：气固反应；缩核反应；平推流反应器；反应器模型中图分类号：TQ241.12 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.13.049Plug Flow Reactor Model of Nuclear-shrinking Reaction of the“Dense Particle”Wang Demin,Wang Liqin(China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Beijing,100840)Abstract：Gas solid reaction is a common and important reaction in the chemical process.Proper reactor model can simplify reactor design and improve efficiency.In this paper,the design model of the flat plug flow reactor for dense particle nuclear shrinking reaction is established for the first time,and an industrial data is analyzed.The difference between the calculated height and the literature value is 20%.The results show that the current model can guide the reactor design,provide support for reactor design and operation optimization,and has important use value.Key words：gas solid reaction；nuclear shrinking reaction；plug flow reactor；dynamic model气固反应是化工过程常见而重要的反应1。气固反应类型众多，包括气固催化反应2和气固非催化反应3。不同类型的反应研究处于不同的研究状态。气固阶梯反应见4，多孔颗粒研究相对充分5-6，如Sohn等7开发了金属硫化矿氢还原反应的多孔颗粒的气固反应模型，其模型考虑了固体相对量、颗粒尺寸、颗粒孔隙率、气相组分的扩散和体系热力学特征对反应模型的影响。李明春等8利用空隙网络法建立了包含细观孔隙结构、微观气固反应及宏观传输过程的多孔填充床模型。宋颖韬等9考虑气体的压缩性，建立了多组分气体对流、反应、扩散的数学模型。气固催化反应是另一个热点研究领域。高宁晗等10采用六组分反应网络建立了工业C8芳烃异构化生产对二甲苯的径向床反应器模型并模拟计算工业运行数据。结果表明，模型能够指导径向反应器的设计与放大。气固非催化反应的研究亦较多。余剑等11研发了微型流化床反应动力学热分析方法与仪器，以测量非催化气固的本征动力学。卢建翔等3建立了加氢裂化反应器的模型。结果表明，模型能够比较准确地反映产品分布和反应器的温度分布。所谓“密粒”缩核气固反应，指固体颗粒基本不含内孔道，随反应的进行固体颗粒和气体生成气相产物因而逐渐缩小的反应12。目前，尚未见“密粒”缩核反应器平推流反应器的数学模型的相关报道。化学反应器是化工生产中的核心装置，固定床反应器是广泛应用的反应器类型之一13。反应器设计模型为反应器设计的基础，本文首次建立了“密粒”缩核反应平推流反应器的设计模型，为反应器设计、操作优化提供支撑，具有重要使用价值。1.反应器设计模型假设球形“密粒”在反应器中进行的气固反应可以表示为式（1）。气态的A不断和固体颗粒B反应，生成气态反应物R。可见，上述反应属于“密粒”缩核反应。（1）下面以气固顺流平推流反应器为例进行推导。(1)固相衡算当采用平推流反应器时，固体球形颗粒前进的速度u和个数处理量qN，床层截面积S之间的关系为：（2）式中，u为球形颗粒的前进速度；qN为以个数表示的颗粒处理量；V球为单个颗粒球的体积；为床层孔隙率；S为床层截面积。则固体球形颗粒的前进速度 （3）上式说明，由于沿流动方向，V球逐渐减小，则欲使固体球形颗粒以恒定速度下降，则反应器截面需逐渐减小。若反应器为直筒形，即S不变，则u必逐渐减小。202313工艺与设备148Modern Chemical Research当代化工研究202313工艺与设备148Modern Chemical Research当代化工研究首先，考虑固体球形颗粒以恒定速度下降的情况。采用平推流反应器时，反应器进口处固体球形颗粒前进的速度u0和个数处理量qN，反应器进口床层截面积S0之间的关系为：（4）则固体球形颗粒的前进速度：（5）显然，颗粒前进的距离l与其反应时间t满足：（6）两边取微分得：（7）不同位置的截面积为：（8）式中，V球为单个固体颗粒的体积。在平推流反应器内，单个固体球形颗粒的体积V球沿反应器流动方向从一个界面l到另一个界面l+dl而变化，现取长度为dl、体积为dV进行考察。边界条件为：反应器入口，t=0，l=0，V=0。取时间为积分变量，在t，t+dt对应的反应器体积dV为：（9）代入式（8），得：（10）两边积分可得：（11）即：（12）然后考虑反应器为直筒形，即S不变，u逐渐减小的情况。现取长度为dl、体积为dV的任一微元管段做物料衡算，此时有：（13）反应量计算过程如下：体积为dV的反应器内固体球形颗粒个数N为：（14）此Ni个固体球形颗粒由于反应而减少的重量为：（15）式中，为单位面积上的气固反应速率；S球为单个固体颗粒的外表面积。则对应的体积减少速率，即式（13）中的反应量为：（16）代入式（13），并化简得：（17）代入边界条件V=0时，r=r0；V=V时，r=0。得：（18）(2)气相衡算首先，考虑固体球形颗粒以恒定速度下降的情况。用FA表示反应气A的摩尔流量。现取长度为dl、时间为dt、体积为dV的任一微元管段对反应气A做物料衡算，这时有：（19）之前提到 中以重量表示，以下的推导中 以物质的量表示比较方便。（20）式中，Mc为固体B的摩尔质量。则有：（21）将上式积分，得：（22）总气体的摩尔组成：惰性气体FD、未反应的反应气FA、生成的气体FC。（23）根据理想气体状态方程，对整体有：（24）气速 （25）式中，S流通为反应器内气体流通面积。然后考虑反应器为直筒形，即S不变，u逐渐减小的情况。现取长度为dl、时间为dt、体积为dV的任一微元管段对氧气做物料衡算，此时有：（26）此处反应量的计算过程与前一种情况相同：（27）202313工艺与设备149Modern Chemical Research当代化工研究202313工艺与设备149Modern Chemical Research当代化工研究代入式（26），并化简得：（28）设式（28）化简为：（29）消去dV得：（30）(3)反应器模型综上，结合固相和气相衡算，得到气固缩核反应的平推流反应器设计模型。固体球形颗粒以恒定速度下降的情况 （31）（32）（33）反应器为直筒形，即S不变，u逐渐减小的情况 （34）（35）（36）相关式的差分形式为：（37）（38）2.模型验证文献14描述了炭块燃烧气固顺流反应器的设备尺寸、反应条件与处理量。使用本文建立的模型对此炭块燃烧气固顺流反应器的进行设计计算，计算结果如表1所示。具体计算过程如下。（1）从文献14中查明反应器的处理能量、炭块的初始直径、床层的孔隙率等基本参数。（2）将此反应器简化为等温反应器，从文献15中获取燃烧反应基础数据，拟合其反应温度900下，比燃烧速率（g/(cm2h)）与氧分压PA（atm）关系，获得比燃烧速率与氧分压的关系式。（3）确定反应器进口情况，取进口氧气体积分数为21%，过量空气系数为（1+=1.2），采用反应器模型的差分形式所述公式进行数值法求解反应器体积。（4）根据反应器体积和内径，计算反应器高度。由表1可知，实际反应器高度为1500mm，而计算高度为1800mm，这可能是因为使用的基础数据存在偏差，可见利用本建立的模型能够指导反应器的设计。表1 处理量为90kg/h时，德国多级燃烧技术设备参数指标内径/mm高度文献值/mm高度计算值/mm650150018003.结论针对“密粒”缩核反应，根据固体颗粒的运行状态，“密粒”气固缩核反应平推流反应器可分为两种情况。第一种情况：恒速变界面，即固体球形颗粒以很定速度下降，此时反应器界面逐渐减小。第二种情况：恒界面变速，即反应器为直筒形，截面积恒定，固体球形颗粒速度逐渐减小。根据气固相物料守恒，建立了“密粒”气固平推流反应器的设计模型。应用本文建立的设计模型，分析了一实际反应器，结果表明高度计算值与文献值相差20%。可见，本文所建立的反应器设计模型能够指导“密粒”气固平推流反应器的设计。【参考文献】1李振山,蔡宁生.气固反应动力学速率方程理论J.清华大学学报(自然科学版),2022,62(04):704-721.2刘媛媛,朱宁,汪洋,等.轻烃裂解催化剂的反应与再生行为研究J.浙江大学学报(工学版),2009,43(09):1723-1727.3卢建翔,周华,师佳,等.工业加氢裂化反应器模型的建立J.石油学报(石油加工),2010,26(06):966-971.4Sohn H Y.Developments in Physical Chemistry and Ba-sic Principles of Extractive and Process Metallurgy in 1981 J.JOM,1982,34(4):44-50.5Szekely,W E J,Y S H.Gas-solid reactionsM.New York:Academic Press,1976.6李振山,蔡宁生.气固反应原理M.北京:科学出版社,2020.7Sohn H Y,Won S.Successive gas-solid reaction model for the hydrogen reduction of cuprous sulfide in the pres-ence of limeJ.Metallurgical and Materials Transactions B,1985,16(3):645-661.8李明春,张进,吴玉胜,等.气固反应多孔填充床反应特性的多尺度模拟J.过程工程学报,2013,13(05):855-861.9宋颖韬,徐曾和,史海明,等.对流扩散对多孔介质气固反应的影响J.材料与冶金学报,2004(03):176-180.10高宁晗,唐晓津,康承琳,等.C8芳烃异构化径向床反应器模型J.石油炼制与化工,2022,53(03):67-72.11余剑,岳君容,刘文钊,等.非催化气固反应动力学热分析方法与仪器J.分析化学,2011,39(10):1549-1554.12郭慕松,李洪钟.流态化手册M.北京:化学工业出版社,2007:813.13张媛媛,马丽萍.数学模型在固定床反应器中的应用J.无机盐工业,2005(07):51-53.14R Boehnert,G Kaiser,H Pirk,et al.