絕熱式固定床催化反應(yīng)器)

1、5.3 5.3 絕熱式固定床催化反應(yīng)器絕熱式固定床催化反應(yīng)器5.3.1 5.3.1 單段絕熱催化床單段絕熱催化床?)()(1)(,),(000000RiyAAAAAfAfAiTVPDyfkddyCkfddNVrCyxBxTyVNA求：、操作條件：、動力學(xué)方程：、出口條件：、進(jìn)口條件：1)1)圖解積分法圖解積分法(1(1）已知條件：）已知條件：(2)(2)求解分析求解分析21)(1)(1)()(00000000AAyyAiyiyAiyASRTdyyfkyfkdydyfkddyBVVVVNA、已知：一定時，、當(dāng) 如果被積函數(shù)如果被積函數(shù)簡單，則可直接積簡單，則可直接積分；若復(fù)雜則采用分；若復(fù)雜則采

2、用圖解積分。圖解積分。yA2yA1Adyd0(3)(3)圖解法求圖解法求V VR R的步驟的步驟RAAAADCBAAAyAdVdNrddyrcyykyykrDCBAyfkddyA的轉(zhuǎn)換與、對基元反應(yīng)：得到。、由已知條件、建立動力學(xué)方程0210b)(a)(4 .224 .224 .2212100000000000DCBAAAAASTRAASRSRATAATARAAyykyykrddyddyddyVNdVdNrdVdVVVdyNdNyNNdVdNrTFCORVVNVVVCdydddyyyyyRRTSRRAADCBA.,b4 .22acb.,a0000000實際數(shù)、實際用量，用校正系、求、描點作圖，

3、并求面積與、計算求相應(yīng)每一個、根據(jù)化學(xué)計量式，對B B、求標(biāo)準(zhǔn)接觸時間、求標(biāo)準(zhǔn)接觸時間C C51)(1)(1)(000AAyyAiyiyAiyAdyyfkyfkdydyfkddyyA1yA5)( 4 .224 .22210DCBAAAyykyykrddyDCBAAdyd00ddyAAdyd02 2）Runge-KuttaRunge-Kutta法法3 3）溫度分布微分式）溫度分布微分式 對絕熱床層中的微元床層作單位時間內(nèi)的熱量衡算時，對絕熱床層中的微元床層作單位時間內(nèi)的熱量衡算時，其衡算式為：其衡算式為：)()()()()()()(0)(00000dldyCHdldyNCNHdldNCNHdld

4、TCNdNHdTdNHdTCNAPbRATPbTRAPbTRbPbTARbARbPbT 0 Z/2 Z 最佳溫度線最佳溫度線平衡溫度線平衡溫度線4 4）單段床層體積與進(jìn)口溫度）單段床層體積與進(jìn)口溫度T T0 0的關(guān)系的關(guān)系00)(1xTTx0000dTdVdTdVSOR5.3.2 5.3.2 多段絕熱式催化反應(yīng)器多段絕熱式催化反應(yīng)器1 1）采用多段的原因）采用多段的原因（1)1)單段適用的場合單段適用的場合A A、轉(zhuǎn)化率變化不大的反應(yīng)、轉(zhuǎn)化率變化不大的反應(yīng)過程過程B B、轉(zhuǎn)化率變化較大，但相、轉(zhuǎn)化率變化較大，但相應(yīng)絕熱溫升較小，絕熱操作應(yīng)絕熱溫升較小，絕熱操作線斜率較大，只要一段床層線斜率較大

5、，只要一段床層就可達(dá)到反應(yīng)的目的過程。就可達(dá)到反應(yīng)的目的過程。平衡溫度線平衡溫度線（2 2）單段操作的缺點：）單段操作的缺點：偏離最佳溫度曲線遠(yuǎn)，反應(yīng)偏離最佳溫度曲線遠(yuǎn)，反應(yīng)器體積大。器體積大。平衡溫度線平衡溫度線最佳溫度線最佳溫度線平衡溫度平衡溫度線線最佳溫度最佳溫度線線2 2）最佳分配）最佳分配（1 1）不確定因素）不確定因素A A、段數(shù)、段數(shù)m mB B、各段進(jìn)出口溫度、各段進(jìn)出口溫度T T，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化率化率X X（2 2）影響）影響A A、段數(shù)越少，偏離最佳溫、段數(shù)越少，偏離最佳溫度曲線越遠(yuǎn)，體積越大，度曲線越遠(yuǎn)，體積越大，而且少到一定程度有可能而且少到一定程度有可能達(dá)不到規(guī)定的出口轉(zhuǎn)化

6、率。達(dá)不到規(guī)定的出口轉(zhuǎn)化率。B B、在指定段數(shù)下，各段進(jìn)出口溫度、在指定段數(shù)下，各段進(jìn)出口溫度T T，轉(zhuǎn)化率，轉(zhuǎn)化率X X選取不同選取不同值，反應(yīng)器體積不同，值，反應(yīng)器體積不同，有可能出現(xiàn)達(dá)不到規(guī)定出口轉(zhuǎn)化率有可能出現(xiàn)達(dá)不到規(guī)定出口轉(zhuǎn)化率的情況，即使出口轉(zhuǎn)化率達(dá)到要求，也不能保證反應(yīng)器體的情況，即使出口轉(zhuǎn)化率達(dá)到要求，也不能保證反應(yīng)器體積最小。積最小。（3 3）處理方法）處理方法A A、段數(shù)、段數(shù)m m，太多設(shè)備復(fù)雜，一般，太多設(shè)備復(fù)雜，一般3-53-5段。段。B B、在選定段數(shù)下，各段進(jìn)出口溫度、在選定段數(shù)下，各段進(jìn)出口溫度T T，轉(zhuǎn)化率，轉(zhuǎn)化率X X決定反應(yīng)決定反應(yīng)器體積的大小。存在最佳分

7、配問題，而且與器體積的大小。存在最佳分配問題，而且與反應(yīng)器的具體反應(yīng)器的具體形式有關(guān)。形式有關(guān)。3 3）多段間接換熱式各段始末溫度和轉(zhuǎn)化率的最佳分配）多段間接換熱式各段始末溫度和轉(zhuǎn)化率的最佳分配（1 1）催化床出口溫度不受耐熱溫度限制）催化床出口溫度不受耐熱溫度限制A A、獨(dú)立變量數(shù)、獨(dú)立變量數(shù)12) 1(24e1n,)(nn,:n44),(1111i011nnnnxxxxTTxxdcTTxxfVbVVaiiiiiAfAiiiiRiiRT、獨(dú)立變量數(shù)條冷卻線共有，冷卻過程中轉(zhuǎn)化率不變條絕熱操作線，段有最后一段出口轉(zhuǎn)化率第一段進(jìn)口轉(zhuǎn)化率、已知個變量，總共有、總變量數(shù)：一段有、平衡溫度平衡溫度線線

8、最佳溫度最佳溫度線線B B、條件式、條件式0001n2n1nx212122112211111iiTVTVxVxVdTTVdTTVdxxVdxxVdVdTTVdxxVdVbTaRTRTRTRTRTRTRTRTRTniiiRTniiiRTRT必須同時滿足：、條件式個合計：個為獨(dú)立變量，共取各段進(jìn)口溫度個為獨(dú)立變量，共取各段出口轉(zhuǎn)化率、選取獨(dú)立變量條件式的原始形式：條件式的原始形式：C C、第一類條件式：、第一類條件式：iRiiRiiRiiRiiRTRiiiRiiRniRiRiRTniRiRTiRTxVxVxVxVxVVxxxVxxVxVxVxVVVnxV111i11i2110,01,0有關(guān)還與所以

9、有關(guān)，與個共101110010010000001,iiiiiiiiiiiiiiiSRiiSRiiRiiRiddxddxddxdxddxdTxxdVdVVVxVxV為定值時，當(dāng)物理意義：前一段出口反應(yīng)速率的絕對值，應(yīng)該等于物理意義：前一段出口反應(yīng)速率的絕對值，應(yīng)該等于后一段進(jìn)口處反應(yīng)速率的絕對值。后一段進(jìn)口處反應(yīng)速率的絕對值。條件式中負(fù)號的意義：條件式中負(fù)號的意義：平衡溫度線平衡溫度線最佳溫度線最佳溫度線作用：確定各段之間的間接換熱過程作用：確定各段之間的間接換熱過程D D、第二類條件式：、第二類條件式：），（可得第二類條件式：必須n21i0,0,00i0000iiiSRiiSRiiRiRTTd

10、VdVVVTVTV物理意義：各段接觸時間對進(jìn)口溫度的偏導(dǎo)數(shù)為零。物理意義：各段接觸時間對進(jìn)口溫度的偏導(dǎo)數(shù)為零。 平衡溫度線平衡溫度線最佳溫度線最佳溫度線 0)()()(00011dxTdxddxTdxddxTdxdTxxxxxxxxxiiimmiii 作用：利用進(jìn)口狀態(tài)點來確定出口狀態(tài)點作用：利用進(jìn)口狀態(tài)點來確定出口狀態(tài)點平衡溫度平衡溫度線線最佳溫度最佳溫度線線E E、最佳分配的方法、最佳分配的方法a a、第一段進(jìn)口溫度、第一段進(jìn)口溫度T T1 1不確定：不確定：假定假定T T1 1，做絕熱操作線，根據(jù)，做絕熱操作線，根據(jù)第二類條件式確定第一段出口第二類條件式確定第一段出口狀態(tài)點狀態(tài)點B,B,

11、再根據(jù)第一類條件式再根據(jù)第一類條件式確定第二段進(jìn)口狀態(tài)點確定第二段進(jìn)口狀態(tài)點C,C,依次依次類推做類推做m m段絕熱操作線，若段絕熱操作線，若X XAmAmXXAfAf，說明，說明T T1 1假設(shè)正確，若假設(shè)正確，若X XAmAmX XAfAf，重新假設(shè)，重新假設(shè)T T1 1（減?。p小T T1 1）, ,重做，直到重做，直到T T1 1T T起始活性溫起始活性溫度度，轉(zhuǎn)化率仍不能滿足要求，轉(zhuǎn)化率仍不能滿足要求，則則m m段不夠。段不夠。平衡溫度平衡溫度線線最佳溫度最佳溫度線線b b、第一段進(jìn)口溫度、第一段進(jìn)口溫度T T1 1為固定為固定值：值： 假定第一段出口轉(zhuǎn)化率假定第一段出口轉(zhuǎn)化率X X

12、1 1，根據(jù)第一類條件式確定第二段根據(jù)第一類條件式確定第二段進(jìn)口狀態(tài)點進(jìn)口狀態(tài)點C,C,再根據(jù)第二類條再根據(jù)第二類條件式確定第二段出口狀態(tài)點件式確定第二段出口狀態(tài)點D,D,依次類推做依次類推做m m段絕熱操作線，段絕熱操作線，若若X XAmAmXXAfAf，說明，說明X X1 1假設(shè)正確，假設(shè)正確，若若X XAmAmX XAfAf，重新假設(shè)，重新假設(shè)X X1 1（提高（提高X X1 1),),重做，若轉(zhuǎn)化率仍不能滿重做，若轉(zhuǎn)化率仍不能滿足要求，則足要求，則m m段不夠。段不夠。（2 2）催化床出口溫度受耐熱溫度限制）催化床出口溫度受耐熱溫度限制 A A、各段、各段出口溫度都受耐熱溫度限制出口溫

13、度都受耐熱溫度限制平衡溫度平衡溫度線線最佳溫度最佳溫度線線平衡溫度平衡溫度線線最佳溫度最佳溫度線線1n) 1(24en1n,)(nn,:n44),(1111i011nnnnxxxxTTxxdcTTxxfVbVVaiiiiiAfAiiiiRiiRT、獨(dú)立變量數(shù)個化劑耐熱溫度，共各段出口溫度都等于催條冷卻線共有，冷卻過程中轉(zhuǎn)化率不變條絕熱操作線，段有最后一段出口轉(zhuǎn)化率第一段進(jìn)口轉(zhuǎn)化率、已知個變量，總共有、總變量數(shù)：一段有、獨(dú)立變量數(shù)獨(dú)立變量數(shù)000),(1nx2111221111121ixVxVdxxVdxxVdxxVdVdxxVdVhxxxxfVfRTRTnnRTRTRTRTniiiRTRTni

14、RT、條件式個為獨(dú)立變量，共取各段出口轉(zhuǎn)化率、選取獨(dú)立變量條件式原形：條件式原形：最佳分配的條件式分析最佳分配的條件式分析 0,0),(,),()()(10000001max11111maxiiiiiiiiiiiSRiiSRiiRiiiiRiiRiiRTiiiiiiiiiRiiiiiixxTxxTdVdVVVxVxTTVxVxVTTxTTxxfTTxxfVxTxxTT11)(1iiiixTTx條件式的解析分析條件式的解析分析最佳分配方法：最佳分配方法：利用條件利用條件式求出第一段的出口轉(zhuǎn)化式求出第一段的出口轉(zhuǎn)化率率X X1 1，確定第一段出口狀態(tài)，確定第一段出口狀態(tài)點點B B，過，過B B點做

15、絕熱操作線點做絕熱操作線與與T T軸交于軸交于A A點，即為第一點，即為第一段進(jìn)口狀態(tài)點段進(jìn)口狀態(tài)點A, A, 依次類推依次類推做做m m段絕熱操作線，若段絕熱操作線，若X XAmAmXXAfAf，則分配結(jié)束，若，則分配結(jié)束，若X XAmAmX XAfAf，則，則m m段不夠，需要段不夠，需要增加段數(shù)。增加段數(shù)。平衡溫度線平衡溫度線最佳溫度線最佳溫度線0100iiiiiiixxTx平衡溫度線平衡溫度線最佳溫度線最佳溫度線B B、部分段、部分段出口溫度都受耐熱溫度限制出口溫度都受耐熱溫度限制若共若共n n段，前段，前n n1 1段受段受限制，后限制，后n-nn-n1 1段不段不受限制。受限制。最

16、佳分配時，前最佳分配時，前n n1 1段按受限制的條件段按受限制的條件式分配，后式分配，后n-nn-n1 1段段按不受限制的條件按不受限制的條件式分配。式分配。平衡溫度線平衡溫度線最佳溫度線最佳溫度線（3 3）給定段數(shù)，能否達(dá)到）給定段數(shù)，能否達(dá)到出口轉(zhuǎn)化率的預(yù)估出口轉(zhuǎn)化率的預(yù)估 在不計較反應(yīng)體積在不計較反應(yīng)體積最小的情況下，分析多最小的情況下，分析多段完成規(guī)定轉(zhuǎn)化率的最段完成規(guī)定轉(zhuǎn)化率的最大可能性。大可能性。 每一段：出口的最每一段：出口的最大轉(zhuǎn)化率為大轉(zhuǎn)化率為平衡轉(zhuǎn)化率平衡轉(zhuǎn)化率，進(jìn)口冷卻的最低溫度為進(jìn)口冷卻的最低溫度為催化劑催化劑起始活性溫度起始活性溫度。 在平衡溫度曲線和在平衡溫度曲線

17、和催化劑起始活性溫度之催化劑起始活性溫度之間，做間，做n n段分配，若段分配，若XnXn大大于于X Xf f說明可能性存在，說明可能性存在，若若X Xn n小于小于X Xf f，則不可能。，則不可能。（4 4）最佳分配的局限）最佳分配的局限 上述最佳分配的目標(biāo)函數(shù)為催化劑用量，分配結(jié)果使反上述最佳分配的目標(biāo)函數(shù)為催化劑用量，分配結(jié)果使反應(yīng)體積最小，這種方法只適用于確定的初始條件，是局部的應(yīng)體積最小，這種方法只適用于確定的初始條件，是局部的最佳化，廣義的最佳化為全系統(tǒng)的優(yōu)化。最佳化，廣義的最佳化為全系統(tǒng)的優(yōu)化。 4 4）多段冷激式各段始末溫度，轉(zhuǎn)化率和冷激氣量的最佳分配多段冷激式各段始末溫度，轉(zhuǎn)

18、化率和冷激氣量的最佳分配 反應(yīng)和換熱同時進(jìn)行反應(yīng)和換熱同時進(jìn)行，邊反應(yīng)，邊換熱，換熱器設(shè)置在，邊反應(yīng)，邊換熱，換熱器設(shè)置在床層內(nèi)。床層內(nèi)。 催化劑裝在冷管間而與冷管內(nèi)未反應(yīng)氣體連續(xù)換熱，未催化劑裝在冷管間而與冷管內(nèi)未反應(yīng)氣體連續(xù)換熱，未反應(yīng)氣體經(jīng)冷管預(yù)熱至催化床進(jìn)口溫度，故稱為自熱式。反應(yīng)氣體經(jīng)冷管預(yù)熱至催化床進(jìn)口溫度，故稱為自熱式。 連續(xù)換熱式操作狀況：開始有一連續(xù)換熱式操作狀況：開始有一絕熱段絕熱段，為絕熱操作，為絕熱操作，升溫至冷卻段的進(jìn)口，已接近最佳溫度，冷卻段升溫至冷卻段的進(jìn)口，已接近最佳溫度，冷卻段連續(xù)換熱連續(xù)換熱，接近最佳溫度曲線操作。接近最佳溫度曲線操作。平衡溫平衡溫度線度線最

19、佳溫最佳溫度線度線平衡溫平衡溫度線度線最佳溫最佳溫度線度線 某些反應(yīng)熱并不大而在高壓某些反應(yīng)熱并不大而在高壓下進(jìn)行反應(yīng)，如中、小型氨合成及下進(jìn)行反應(yīng)，如中、小型氨合成及甲醇合成，要求高壓容器的催化劑甲醇合成，要求高壓容器的催化劑裝載系數(shù)較大，采用連續(xù)換熱內(nèi)冷裝載系數(shù)較大，采用連續(xù)換熱內(nèi)冷白熱式催化反應(yīng)器。白熱式催化反應(yīng)器。 氨合成過程在超過氨合成過程在超過l0MPal0MPa壓力壓力且且 340-500340-500溫度下進(jìn)行，要求使溫度下進(jìn)行，要求使用的材質(zhì)能耐高溫高壓及高溫、高用的材質(zhì)能耐高溫高壓及高溫、高壓下的氮?dú)涓g，催化反應(yīng)器采用壓下的氮?dú)涓g，催化反應(yīng)器采用內(nèi)外簡體分開的結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒

20、為高合內(nèi)外簡體分開的結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒為高合金鋼制，內(nèi)璧載催化劑，能耐高溫，金鋼制，內(nèi)璧載催化劑，能耐高溫，但只承受內(nèi)外筒間的壓力差。未反但只承受內(nèi)外筒間的壓力差。未反應(yīng)的氮?dú)浠旌蠚膺M(jìn)入內(nèi)外筒間的外應(yīng)的氮?dú)浠旌蠚膺M(jìn)入內(nèi)外筒間的外環(huán)隙向下進(jìn)入床外換熱器管間預(yù)熱環(huán)隙向下進(jìn)入床外換熱器管間預(yù)熱后，進(jìn)入催化床的冷管內(nèi)繼續(xù)升溫，后，進(jìn)入催化床的冷管內(nèi)繼續(xù)升溫，然后進(jìn)入催化床反應(yīng)，反應(yīng)后氣體然后進(jìn)入催化床反應(yīng)，反應(yīng)后氣體進(jìn)入床外換熱器管內(nèi)換熱。外筒由進(jìn)入床外換熱器管內(nèi)換熱。外筒由進(jìn)入反應(yīng)器的未反應(yīng)氣體冷卻，只進(jìn)入反應(yīng)器的未反應(yīng)氣體冷卻，只承受高壓而不承受高溫，可用低合承受高壓而不承受高溫，可用低合金鋼。金鋼。 催

21、化劑裝載在冷管管間的內(nèi)冷催化劑裝載在冷管管間的內(nèi)冷自熱式催化床一般來用一維平推流自熱式催化床一般來用一維平推流模型，并計人催化床內(nèi)筒與高壓外模型，并計人催化床內(nèi)筒與高壓外筒之間的外環(huán)隙傳熱，現(xiàn)以并流三筒之間的外環(huán)隙傳熱，現(xiàn)以并流三套管式氨合成催化床為例討論其一套管式氨合成催化床為例討論其一維平推由數(shù)學(xué)模型。維平推由數(shù)學(xué)模型。 1) 1) 絕熱層絕熱層 目前，對不同型號的氨合成催化劑，大都發(fā)表了本征動力目前，對不同型號的氨合成催化劑，大都發(fā)表了本征動力學(xué)模型，均可使用基于不均勻表面吸附的捷姆金模型，即：學(xué)模型，均可使用基于不均勻表面吸附的捷姆金模型，即：熱量衡算熱量衡算絕熱層的數(shù)學(xué)模型絕熱層的數(shù)

22、學(xué)模型2) 2) 冷卻層冷卻層冷卻層反應(yīng)速率方程冷卻層反應(yīng)速率方程冷卻層熱量衡算方程冷卻層熱量衡算方程冷卻層的數(shù)學(xué)模型冷卻層的數(shù)學(xué)模型5.5.1 5.5.1 概述概述1 1）催化劑的多樣性和應(yīng)用的廣泛性）催化劑的多樣性和應(yīng)用的廣泛性 廣泛性：廣泛性：在現(xiàn)代石油化工和化學(xué)工業(yè)中幾乎有在現(xiàn)代石油化工和化學(xué)工業(yè)中幾乎有80%80%的化學(xué)的化學(xué)反應(yīng)需采用催化劑。在自然界中反應(yīng)需采用催化劑。在自然界中, ,尤其是生物體內(nèi)發(fā)生的化學(xué)尤其是生物體內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)也與催化劑有關(guān)。反應(yīng)也與催化劑有關(guān)。 多樣性：多樣性：生物酶催化劑，過渡金屬、非金屬及金屬化合物、生物酶催化劑，過渡金屬、非金屬及金屬化合物、金屬有

23、機(jī)化合物、分子篩等催化劑，都是現(xiàn)代有機(jī)催化中廣泛金屬有機(jī)化合物、分子篩等催化劑，都是現(xiàn)代有機(jī)催化中廣泛應(yīng)用和存在的催化劑。應(yīng)用和存在的催化劑。計算機(jī)的應(yīng)用使催化劑研究開發(fā)工作大大減少了盲計算機(jī)的應(yīng)用使催化劑研究開發(fā)工作大大減少了盲目性?，F(xiàn)在運(yùn)用計算機(jī)，使催化劑的研究進(jìn)入分子水平。目性?，F(xiàn)在運(yùn)用計算機(jī)，使催化劑的研究進(jìn)入分子水平?？筛鶕?jù)反應(yīng)分子的特點，通過計算機(jī)計算，模擬出催化劑可根據(jù)反應(yīng)分子的特點，通過計算機(jī)計算，模擬出催化劑分子的結(jié)構(gòu)，合成出相應(yīng)分子結(jié)構(gòu)的催化劑。分子的結(jié)構(gòu)，合成出相應(yīng)分子結(jié)構(gòu)的催化劑。研究步驟分研究步驟分5 5步：步：（1 1） 尋找和處理必要的參考文獻(xiàn)；尋找和處理必要的參

24、考文獻(xiàn)；（2 2） 根據(jù)文獻(xiàn)進(jìn)行化學(xué)模擬計算；根據(jù)文獻(xiàn)進(jìn)行化學(xué)模擬計算；（3 3） 化學(xué)試驗；化學(xué)試驗；（4 4） 用計算機(jī)處理實驗數(shù)據(jù)；用計算機(jī)處理實驗數(shù)據(jù)；（5 5 ）設(shè)計催化反應(yīng)和催化劑。）設(shè)計催化反應(yīng)和催化劑。人們利用催化劑已有幾百年，并已制出復(fù)雜、高效的人們利用催化劑已有幾百年，并已制出復(fù)雜、高效的催化劑，但催化理論仍然沒有根本性的突破，催化化學(xué)尚催化劑，但催化理論仍然沒有根本性的突破，催化化學(xué)尚未形成獨(dú)立成熟的學(xué)科。隨著科學(xué)家對分子原子理論和催未形成獨(dú)立成熟的學(xué)科。隨著科學(xué)家對分子原子理論和催化反應(yīng)機(jī)理的深入認(rèn)識，不斷研究和開發(fā)新的催化劑，才化反應(yīng)機(jī)理的深入認(rèn)識，不斷研究和開發(fā)新的

25、催化劑，才有可能逐步獨(dú)立和成熟。有可能逐步獨(dú)立和成熟。強(qiáng)制震蕩非定態(tài)周期操作催化反應(yīng)過程強(qiáng)制震蕩非定態(tài)周期操作催化反應(yīng)過程催化蒸餾催化蒸餾催化萃取耦聯(lián)催化萃取耦聯(lián)滲透蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)的耦合滲透蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)的耦合催化吸收耦聯(lián)催化吸收耦聯(lián)催化吸附耦聯(lián)催化吸附耦聯(lián)催化催化耦聯(lián)催化催化耦聯(lián)膜催化膜催化超臨界化學(xué)反應(yīng)超臨界化學(xué)反應(yīng)微化工技術(shù)微化工技術(shù)5.5.2 5.5.2 催化反應(yīng)過程研究進(jìn)展催化反應(yīng)過程研究進(jìn)展非定態(tài)周期操作的優(yōu)點：非定態(tài)周期操作的優(yōu)點：（1 1）流程集成度更高）流程集成度更高（2 2）熱回收效率更高）熱回收效率更高（3 3）熱回收成本低）熱回收成本低 傳統(tǒng)的間壁式換熱器一次性投入較高

26、。而流向變化的固傳統(tǒng)的間壁式換熱器一次性投入較高。而流向變化的固定床反應(yīng)器是氣固直接接觸，結(jié)構(gòu)簡單，總的傳熱系數(shù)較高，定床反應(yīng)器是氣固直接接觸，結(jié)構(gòu)簡單，總的傳熱系數(shù)較高，且單位體積床層的傳熱面大（等于填料比表面積），因此效且單位體積床層的傳熱面大（等于填料比表面積），因此效果較好。果較好。（4 4）自熱操作區(qū)更寬）自熱操作區(qū)更寬 傳統(tǒng)流程由于熱損失較大及傳熱效率低，為了維持自熱，傳統(tǒng)流程由于熱損失較大及傳熱效率低，為了維持自熱，單位時間需要的反應(yīng)提供的熱量較多，這就需要較高的反應(yīng)單位時間需要的反應(yīng)提供的熱量較多，這就需要較高的反應(yīng)物濃度。而流向變化的反應(yīng)器即使在反應(yīng)物濃度為傳統(tǒng)的物濃度。而流

27、向變化的反應(yīng)器即使在反應(yīng)物濃度為傳統(tǒng)的1/101/10時，仍能維持自熱。時，仍能維持自熱。“反應(yīng)精餾反應(yīng)精餾”工藝徹底改工藝徹底改變了長期以來人們對變了長期以來人們對反應(yīng)反應(yīng)和和分分離離過程的傳統(tǒng)認(rèn)識，它使化學(xué)過程的傳統(tǒng)認(rèn)識，它使化學(xué)反應(yīng)過程和精餾分離的物理過反應(yīng)過程和精餾分離的物理過程結(jié)合在一起，是伴有化學(xué)反程結(jié)合在一起，是伴有化學(xué)反應(yīng)的新型特殊精餾過程。應(yīng)的新型特殊精餾過程。 選擇性高、使可逆反應(yīng)收選擇性高、使可逆反應(yīng)收率提高；溫度易于控制，避免率提高；溫度易于控制，避免出現(xiàn)出現(xiàn)“熱點熱點”問題；縮短反應(yīng)問題；縮短反應(yīng)時間，強(qiáng)化設(shè)備生產(chǎn)能力；能時間，強(qiáng)化設(shè)備生產(chǎn)能力；能耗低，操作費(fèi)用低；投

28、資少。耗低，操作費(fèi)用低；投資少。3) 3) 萃取萃取反應(yīng)耦合反應(yīng)耦合 將限制反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的某些產(chǎn)物靠加入萃取劑的方式從反將限制反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的某些產(chǎn)物靠加入萃取劑的方式從反應(yīng)混合物中移出，從而使反應(yīng)向正方向進(jìn)行。應(yīng)混合物中移出，從而使反應(yīng)向正方向進(jìn)行。應(yīng)用實例：應(yīng)用實例：萃取萃取反應(yīng)耦合工藝制備硫酸鉀反應(yīng)耦合工藝制備硫酸鉀 FeSO FeSO4 4+2KCl+2H+2KCl+2H2 2OKOK2 2SOSO4 4+Fe(OH)+Fe(OH)2 2+2HCl+2HCl 操作條件：操作條件：萃取體系萃取體系30%30%三正三正辛胺辛胺+20%+20%磷酸三丁酯磷酸三丁酯+50%+50%異異戊醇，能從戊醇

29、，能從FeSOFeSO4 4和和KClKCl水溶液水溶液中將中將HClHCl萃出，萃出， 萃取溫度萃取溫度2525，反應(yīng)，反應(yīng)45min, HCl45min, HCl的萃的萃取率達(dá)取率達(dá)87.31%87.31%，可制得優(yōu)等，可制得優(yōu)等品硫酸鉀。反萃取用品硫酸鉀。反萃取用10%10%氨水氨水進(jìn)行，有機(jī)相中的鹽酸幾乎進(jìn)行，有機(jī)相中的鹽酸幾乎全部被反萃取，萃取劑重復(fù)全部被反萃取，萃取劑重復(fù)使用萃取性能不會降低。使用萃取性能不會降低。fpCC 1R泵泵膜膜濃縮液濃縮液透過液，透過液，F(xiàn)p水水滲濾過程滲濾過程)( FluxpFpPPSFPFPp膜表面流動膜表面流動4) 4) 滲透蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)的耦合滲透

30、蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)的耦合A A、進(jìn)料在膜一側(cè)溶解；、進(jìn)料在膜一側(cè)溶解； B B、溶解在膜中的組分通過膜擴(kuò)散到透過側(cè)；、溶解在膜中的組分通過膜擴(kuò)散到透過側(cè)； C C、組分在膜透過側(cè)汽化；、組分在膜透過側(cè)汽化； 滲透蒸發(fā)可選擇地脫去某種組分。當(dāng)用于化學(xué)反應(yīng)時滲透蒸發(fā)可選擇地脫去某種組分。當(dāng)用于化學(xué)反應(yīng)時, ,能能選擇性地脫去部分或全部生成物選擇性地脫去部分或全部生成物，使逆反應(yīng)受到抑制，從而，使逆反應(yīng)受到抑制，從而使最終轉(zhuǎn)化率超過平衡轉(zhuǎn)化率。使最終轉(zhuǎn)化率超過平衡轉(zhuǎn)化率。5 5）催化）催化- -吸收耦聯(lián)吸收耦聯(lián) 在進(jìn)行催化合成反應(yīng)的同時，產(chǎn)物被一種溶劑選擇性吸收，在進(jìn)行催化合成反應(yīng)的同時，產(chǎn)物被一種溶劑

31、選擇性吸收，使催化與吸收分離過程同時進(jìn)行；目前較成熟的工藝是催化使催化與吸收分離過程同時進(jìn)行；目前較成熟的工藝是催化吸收耦聯(lián)生產(chǎn)甲醇新工藝。吸收耦聯(lián)生產(chǎn)甲醇新工藝。 常用的溶劑是四乙基乙二醇二甲醚，它有很好的熱穩(wěn)定性，常用的溶劑是四乙基乙二醇二甲醚，它有很好的熱穩(wěn)定性，甲醇和水在其中的溶解度遠(yuǎn)大于氫、一氧化碳、二氧化碳和甲醇和水在其中的溶解度遠(yuǎn)大于氫、一氧化碳、二氧化碳和甲烷。甲醇被固相催化合成的同時，被選擇性吸收，使催化甲烷。甲醇被固相催化合成的同時，被選擇性吸收，使催化和分離同時進(jìn)行，改變了氣固相催化反應(yīng)的平衡限制，提高和分離同時進(jìn)行，改變了氣固相催化反應(yīng)的平衡限制，提高了原料的轉(zhuǎn)化率，氣

32、體無須循環(huán)，節(jié)省動力。了原料的轉(zhuǎn)化率，氣體無須循環(huán)，節(jié)省動力。反應(yīng)器反應(yīng)器產(chǎn)物被吸收產(chǎn)物被吸收反應(yīng)向生成反應(yīng)向生成物方向移動物方向移動 純物質(zhì)超臨界狀態(tài)的定義純物質(zhì)超臨界狀態(tài)的定義pcTc固體固體液體液體TpCp氣體氣體萃取塔進(jìn)料頂部產(chǎn)品低壓氣體底部產(chǎn)品7) 7) 膜催化膜催化膜是反應(yīng)區(qū)的一個分離元件。膜是反應(yīng)區(qū)的一個分離元件。此時膜只有分離功能，此時膜只有分離功能，通過有選擇性地將反應(yīng)產(chǎn)物的部分或全部從反應(yīng)區(qū)移出而通過有選擇性地將反應(yīng)產(chǎn)物的部分或全部從反應(yīng)區(qū)移出而打破化學(xué)反應(yīng)平衡的限制，提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。這種分離打破化學(xué)反應(yīng)平衡的限制，提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。這種分離與反應(yīng)相結(jié)合的膜催化反應(yīng)技術(shù)在很大程度上取決于所用與反應(yīng)相結(jié)合的膜催化反應(yīng)技術(shù)在很大程度上取決于所用膜的選擇滲透性。所用膜主要有致密膜和多孔膜。膜的選擇滲透性。所用膜主要有致密膜和多孔膜。 B B、膜具有催化活性，膜本身是催化劑，或膜是用催化、膜具有催化活性，膜本身是催化劑，或膜是用催化活性物質(zhì)進(jìn)行處理而具有催化功能。活性物質(zhì)進(jìn)行處理而具有催化功能。這種膜催化劑有常規(guī)這種膜催化劑有常規(guī)催化劑難以比擬的優(yōu)點：擴(kuò)散阻力小，溫度極易控制，選催