第3章 催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)概論ppt課件

1、第三章 催化反響器設(shè)計(jì)概論第一節(jié)第一節(jié) 催化反響器根本類催化反響器根本類1 氣氣-固相固定床催化反響器固相固定床催化反響器2 氣氣-固相流化床催化反響器固相流化床催化反響器3 氣氣-液液-固三相懸浮床催化反響固三相懸浮床催化反響器器催化反響工程催化反響工程催化反響器：產(chǎn)量已定催化反響器：產(chǎn)量已定根本問(wèn)題：放熱反響移熱；吸熱反響根本問(wèn)題：放熱反響移熱；吸熱反響供熱供熱 以移熱為例：換熱方式，催化床是絕熱的，以移熱為例：換熱方式，催化床是絕熱的，段間換熱；段間換熱； 內(nèi)冷自熱式內(nèi)冷自熱式 催化床中插入冷管催化床中插入冷管 催化劑裝在管內(nèi)催化劑裝在管內(nèi)可逆放熱反響的平衡可逆放熱反響的平衡催化反響工程

2、催化反響工程接近平衡推進(jìn)力減小催化床體積增大接近平衡推進(jìn)力減小催化床體積增大固體催化劑顆粒固體催化劑顆粒 傳質(zhì)，壓力降傳質(zhì)，壓力降流體流動(dòng)，壓力降流體流動(dòng)，壓力降軸向流動(dòng)，徑向流動(dòng)，軸徑向流動(dòng)軸向流動(dòng)，徑向流動(dòng)，軸徑向流動(dòng)流體分布流體分布 還有材質(zhì)，直徑，反響器制造，運(yùn)輸還有材質(zhì)，直徑，反響器制造，運(yùn)輸催化反響工程催化反響工程一一 合成氨工業(yè)中的催化反響器合成氨工業(yè)中的催化反響器Topse s-200型氨合成器型氨合成器看設(shè)備圖各主要部分氣體流動(dòng)催化劑裝卸看設(shè)備圖各主要部分氣體流動(dòng)催化劑裝卸熱膨脹熱膨脹高溫高壓設(shè)備耐溫不受壓，耐壓不受高溫高溫高壓設(shè)備耐溫不受壓，耐壓不受高溫二二 煉油工業(yè)中的催

3、化反響器煉油工業(yè)中的催化反響器催化裂化反響器催化裂化反響器催化重整反響器催化重整反響器加氫裂化反響器加氫裂化反響器催化劑粒度催化劑粒度20-100m20-100m的微粒的微粒時(shí)間短時(shí)間短 2-4 2-4秒，催化劑結(jié)焦失活，流態(tài)化催化反響器秒，催化劑結(jié)焦失活，流態(tài)化催化反響器反響器再生器反響器再生器催化反響工程催化反響工程催化反響工程催化反響工程催化反響工程催化反響工程流態(tài)化技術(shù)流態(tài)化技術(shù)氣體分布顆粒的流動(dòng)特性特征流速氣體分布顆粒的流動(dòng)特性特征流速床層的膨脹與壓降氣泡行為乳相行為床層的膨脹與壓降氣泡行為乳相行為流化床的熱、質(zhì)傳送顆粒夾帶與分別數(shù)學(xué)模型流化床的熱、質(zhì)傳送顆粒夾帶與分別數(shù)學(xué)模型催化反

4、響工程催化反響工程催化反響工程催化反響工程催化反響工程催化反響工程催化反響工程催化反響工程三三 根本有機(jī)化工中的催化反響器根本有機(jī)化工中的催化反響器平行平行 連串連串 平行連串反響系統(tǒng)平行連串反響系統(tǒng)反響器進(jìn)口氣體組成，操作壓力，操作溫度，反響器進(jìn)口氣體組成，操作壓力，操作溫度，產(chǎn)量產(chǎn)量溫度溫度深度氧化的副反響，活化能大于主反響，反響熱大于主反響的；深度氧化的副反響，活化能大于主反響，反響熱大于主反響的；降低溫度有利，假設(shè)溫度高，副反響加劇，飛溫，能夠燒壞降低溫度有利，假設(shè)溫度高，副反響加劇，飛溫，能夠燒壞催化劑，反響器催化劑，反響器平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系假設(shè)在某一溫度下，平

5、衡常數(shù)小，可提高操作壓力假設(shè)在某一溫度下，平衡常數(shù)小，可提高操作壓力移熱問(wèn)題移熱問(wèn)題反響速率與活性溫度反響速率與活性溫度催化反響工程催化反響工程 一 根底數(shù)學(xué)模型1 一維擬均相理想置換模型 2 2 一維非均相理想置換模型一維非均相理想置換模型 321fdldpfdldTfdldypTyl, 0dldygdldTgggTyl, 0催化反響工程催化反響工程SAgAegSASCCSkr,gSeSRSASTTSHr,第二節(jié)第二節(jié) 催化反響器根底數(shù)學(xué)模型催化反響器根底數(shù)學(xué)模型“非均相與非均相與“擬均相模型擬均相模型4非均相非均相4思索氣流主體與催化劑顆粒外外表之間的溫度思索氣流主體與催化劑顆粒外外表之間

6、的溫度差和濃度差，催化劑顆粒內(nèi)部濃度差和溫度差，差和濃度差，催化劑顆粒內(nèi)部濃度差和溫度差，傳送過(guò)程隊(duì)反響速率的影響計(jì)入模型，那么稱傳送過(guò)程隊(duì)反響速率的影響計(jì)入模型，那么稱為非均相模型。為非均相模型。4擬均相擬均相4采用采用“活性校正系數(shù)活性校正系數(shù)COR 來(lái)簡(jiǎn)化概括催化劑來(lái)簡(jiǎn)化概括催化劑粒內(nèi)和催化劑外外表與氣相間的熱、質(zhì)傳送過(guò)粒內(nèi)和催化劑外外表與氣相間的熱、質(zhì)傳送過(guò)程和催化劑失活等要素對(duì)反響速率的影響，即程和催化劑失活等要素對(duì)反響速率的影響，即“擬均相模型。擬均相模型。催化反響工程催化反響工程3 3 二維擬均相數(shù)學(xué)模型二維擬均相數(shù)學(xué)模型 4 4 一維非均相返混模型一維非均相返混模型 eeD有效

7、導(dǎo)熱系數(shù)綜合擴(kuò)散系數(shù),方程床層壓力降采用Ergan32175.1Re150sfmdGdldp11ReGdsm催化反響工程催化反響工程組變化的二階偏微分方程、徑向隨軸向、溫度組成rlTy二二 根本計(jì)算方程根本計(jì)算方程 建立模型建立模型 穩(wěn)定狀態(tài)非穩(wěn)定狀態(tài)累積反應(yīng)量出進(jìn)物料衡算00累積焓變出進(jìn)熱量衡算0222dxudfuduKdfefp動(dòng)量衡算ORgAvRAAccfkdVdNr,擬均相反應(yīng)速率式RAARAAAAdVdNrdVrdNNN如：傳熱或移熱絕熱00,0babaARbpbTdQdQdNHdTCN催化反響工程催化反響工程SAisRAAcfskdVdNr,非均相 催化反響器的數(shù)學(xué)模型實(shí)例實(shí)例 上

8、海焦化年產(chǎn)上海焦化年產(chǎn)20萬(wàn)噸甲醇合成反響器萬(wàn)噸甲醇合成反響器 反響器內(nèi)徑反響器內(nèi)徑4m,反響管數(shù)反響管數(shù)6705根，催化劑根，催化劑44m3 91年 三聯(lián)供立項(xiàng) 92年 甲醇合成反響器宏觀動(dòng)力學(xué)研討，反響器模擬設(shè)計(jì) 94年 南化機(jī)反響器制造完成，從長(zhǎng)江浮運(yùn)到黃浦江 95年 開車勝利催化反響工程催化反響工程兗礦魯南化工公司年產(chǎn)兗礦魯南化工公司年產(chǎn)10萬(wàn)噸甲醇安裝萬(wàn)噸甲醇安裝1995年年 籌建籌建1998年年3月月 華東理工大學(xué)提交反響器根底設(shè)計(jì)華東理工大學(xué)提交反響器根底設(shè)計(jì)1999年年 反響器制造完成反響器制造完成2000年初年初 安裝安裝2000年年5月月 投產(chǎn)勝利，產(chǎn)品到達(dá)美國(guó)投產(chǎn)勝利，產(chǎn)

9、品到達(dá)美國(guó)US AA級(jí)級(jí) 甲醇規(guī)范甲醇規(guī)范催化反響工程催化反響工程OHCOHCOOHOHCHHCOOHCHHCO22223223232反響器模擬設(shè)計(jì)必需具備的條件反響器模擬設(shè)計(jì)必需具備的條件1 1 反響過(guò)程：反響物系、催化劑、操作條件、轉(zhuǎn)化率、選擇性反響過(guò)程：反響物系、催化劑、操作條件、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率、收率2 熱力學(xué)：熱力學(xué)： 物性參數(shù)、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、分散系數(shù)、形狀方物性參數(shù)、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、分散系數(shù)、形狀方程、平衡程、平衡 常數(shù)、逸度系數(shù)、反響熱常數(shù)、逸度系數(shù)、反響熱 3 反響動(dòng)力學(xué)：反響動(dòng)力學(xué)： 4 質(zhì)量、熱量傳送過(guò)程：質(zhì)量、熱量傳送過(guò)程：cswbbfsgrRkkD111,催化反響

10、工程催化反響工程dWdNrdWdNrdWdNrmmCOCOCOCO22 最佳溫度曲線最佳溫度單一可逆放熱反應(yīng)1化能：正反應(yīng)、逆反應(yīng)的活、211212ln1EEEEEETRTTegem，收率選擇性若主反應(yīng)一級(jí)不可逆平行反應(yīng)TEEE2112選擇性若副反應(yīng)TEEE212催化反響工程催化反響工程第三節(jié)第三節(jié) 催化反響器的操作參數(shù)催化反響器的操作參數(shù)1、反響溫度、反響溫度 一級(jí)不可逆連串反應(yīng)3選擇性選擇性TTAAAEE32121催化反響工程催化反響工程2. 2. 操作壓力操作壓力3. 反響物的初始組成反響物的初始組成4. 空速空速5. 催化劑的顆粒催化劑的顆粒 有利摩爾數(shù)減少的反應(yīng)，P可減少壓縮功摩爾數(shù)

11、增加的反應(yīng)，PpVrdRAs,pds，可適當(dāng)若化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制，催化反響工程催化反響工程 DME甲醚甲醇?xì)庀啻呋撍贫齇HOCHOHCH223320TTNN 等摩爾反應(yīng)，2,mDmmrrdWdNr1 絕熱反響器dlAdyNdWyNddWdNrbDTpTDD0dlDTTKdNHdTCNRsbbsDRbpbTORDTbDCrNAdldy0dldyCHdldTDpbRbinbDTTyl,0,0催化反響工程催化反響工程催化反響工程催化反響工程單管逆流反響器管殼型反響器 單管逆流反應(yīng)器2dlTTDmKdNHdTCNabatbaDRbpbTdlTTDmKdTCNabatbaapaTORDTbDcrNAdldy0微分方程組為lossTTCNDmKdldyCHdldTabpbTatbaDpbRb0abpaTatbaaTTCNDmKdldT0未知0,0,0, 0, 0bbabbDTTTTTyl催化反響工程催化反響工程 管殼型反應(yīng)器3ORDTbDcrNAdldy0fbpbTatbfDpbRbTTCNDmKdldyCHdldT0in