反應(yīng)工程課件第五章

反應(yīng)工程課件第五章第1頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣——反應(yīng)物和產(chǎn)物為氣相固——固體催化劑煉油工業(yè)中的催化重整，異構(gòu)化，基本化學(xué)工業(yè)中的氨合成、天然氣轉(zhuǎn)化，石油化工中的乙烯氧化制環(huán)氧乙烷、乙苯脫氫制苯乙烯等等。

氣-固相催化反應(yīng)是化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用最廣、規(guī)模最大的反應(yīng)過(guò)程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，按產(chǎn)品噸位計(jì)約90%的化工產(chǎn)品是通過(guò)氣固相反應(yīng)過(guò)程生產(chǎn)的。2SO2+O2=2SO3第2頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.1固定床氣－固相催化反應(yīng)器的基本類(lèi)型和數(shù)學(xué)模型5.1.1氣－固相催化反應(yīng)器的基本類(lèi)型換熱方式顆粒狀態(tài)氣－固相催化反應(yīng)器固定床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器絕熱式換熱式內(nèi)冷式外冷(熱)多段絕熱單段絕熱第3頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.1.1.1固定床反應(yīng)器

定義：凡是流體通過(guò)不動(dòng)的固體物料所形成的床層，進(jìn)行反應(yīng)的裝置都稱(chēng)作固定床反應(yīng)器。

非催化的氣—固相反應(yīng)：如水煤氣的生產(chǎn)，氮與電石反應(yīng)生成石灰氮(CaCN2)以及許多礦物的焙燒等，也都采用固定床反應(yīng)器。

氣-固相催化反應(yīng)：氨合成、天然氣轉(zhuǎn)化，石油化工中的乙烯氧化制環(huán)氧乙烷、乙苯脫氫制苯乙烯等等。用途第4頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：①固定床中催化劑不易磨損；②床層內(nèi)流體的流動(dòng)接近于平推流，與返混式的反應(yīng)器相比，可用較少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積來(lái)獲得較大的生產(chǎn)能力。③由于停留時(shí)間可以嚴(yán)格控制，溫度分布可以適當(dāng)調(diào)節(jié)，因此特別有利于達(dá)到高的選擇性和轉(zhuǎn)化率，在大規(guī)模生產(chǎn)中尤為重要。

固定床反應(yīng)器缺點(diǎn)：

①固定床中的傳熱較差；②催化劑的更換必須停產(chǎn)進(jìn)行；

第5頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1)絕熱式催化反應(yīng)器(1）定義：反應(yīng)過(guò)程為絕熱進(jìn)行，反應(yīng)熱使氣體和床層溫度升高，逐漸接近最佳溫度曲線。遇到的問(wèn)題：為什么要采用絕熱操作？反應(yīng)器如實(shí)現(xiàn)絕熱操作？(2）可逆放熱的氣-固相催化反應(yīng)過(guò)程平衡溫度線最佳溫度線xT分析第6頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月A、平衡曲線：X-Te線

表示在一定的溫度、壓力和組成下，可以達(dá)到的平衡轉(zhuǎn)化率X，即最大轉(zhuǎn)化率。

初始組成Yi0一定，壓力P一定，平衡曲線就一定。反之改變Yi0，P，平衡曲線就改變。

平衡曲線的作法：定義特性第7頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月B、最佳溫度曲線：X-Tm線定義：將在不同轉(zhuǎn)化率XA下使反應(yīng)速率rA達(dá)到最大時(shí)溫度連成曲線，即是最佳溫度曲線。a、通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定b、化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制時(shí)，用公式計(jì)算最佳溫度曲線的作法：平衡溫度線最佳溫度線xT0.00.600.80r(x,T)第8頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月最佳溫度曲線特性：反應(yīng)器進(jìn)口：轉(zhuǎn)化率低，要求的操作溫度高。反應(yīng)器出口：轉(zhuǎn)化率高，要求的操作溫度低。第9頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際反應(yīng)過(guò)程分析A、實(shí)際反應(yīng)器進(jìn)口物料轉(zhuǎn)化率低，反應(yīng)的最佳溫度高。B、實(shí)際反應(yīng)器進(jìn)口物料溫度一般較低，略大于或等于環(huán)境溫度。C、將實(shí)際反應(yīng)器物料較低的進(jìn)口溫度，加熱到較高的最佳溫度，需要大量換熱面積和熱能。D、對(duì)耐熱溫度較低的催化劑，有可能出現(xiàn)進(jìn)口處的最佳溫度大于耐熱溫度。第10頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

絕熱反應(yīng)的使用——單段絕熱催化反應(yīng)器；多段絕熱催化反應(yīng)器；連續(xù)換熱式催化反應(yīng)器的進(jìn)口段。換熱器1換熱器2轉(zhuǎn)化器40℃400℃<<700℃解決辦法采用絕熱反應(yīng)器。A、氣體在催化劑活性溫度以上進(jìn)入反應(yīng)器，其后進(jìn)行絕熱反應(yīng)，利用放熱使氣體（床層）升溫。B、邊反應(yīng)邊升溫，逐步接近最佳溫度曲線。第11頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3）單段絕熱式催化反應(yīng)器平衡溫度線最佳溫度線xT

原料氣

產(chǎn)物催化劑

第12頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月A、絕熱過(guò)程的熱量衡算第13頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月B、單段適用的場(chǎng)合a、轉(zhuǎn)化率變化不大的反應(yīng)過(guò)程b、轉(zhuǎn)化率變化較大，但相應(yīng)絕熱溫升較小，絕熱操作線斜率較大，只要一段床層就可達(dá)到反應(yīng)的目的過(guò)程。平衡溫度線最佳溫度線xT第14頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(4）多段絕熱式催化反應(yīng)器絕熱反應(yīng)——換熱——絕熱反應(yīng)——換熱分類(lèi)間接換熱式冷激式間接換熱式+冷激式外部間接換熱式內(nèi)部間接換熱式原料氣冷激式非原料氣冷激式第15頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ⅠⅣⅢⅡ平衡溫度線最佳溫度線xTA、間接換熱式a、內(nèi)部間接換熱式b、外部間接換熱式第16頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)：a、由于Yi0，P不變，則x-Te，x-Tm曲線不變，各段共用。b、冷卻過(guò)程無(wú)反應(yīng)，但溫度變化，故各段冷卻線相互平行，且平行于T軸。c、雖然反應(yīng)過(guò)程中轉(zhuǎn)化率變化，但原料氣的初始組成不變，各段的操作線斜率相同，相互平行。平衡溫度線最佳溫度線xT第17頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月B、原料氣冷激式ⅠⅣⅢⅡ平衡溫度線最佳溫度線xT第18頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)：a、由于Yi0，P不變，則x-Te，x-Tm曲線不變，各段共用。b、冷卻過(guò)程雖然無(wú)反應(yīng)，但反應(yīng)后的氣體與冷原料氣混合，溫度降低的同時(shí)，轉(zhuǎn)化率也降低，故各段冷卻線相互不平行，也不平行于T軸。c、雖然反應(yīng)過(guò)程中轉(zhuǎn)化率變化，但原料氣的初始組成不變，各段的操作線斜率相同，相互平行。平衡溫度線最佳溫度線xT第19頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月C、非原料氣冷激式ⅠⅣⅢⅡ平衡溫度線最佳溫度線xT平衡溫度線第20頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月平衡溫度線最佳溫度線xT平衡溫度線a、由于非原料氣加入，使得Yi0逐段降低，導(dǎo)致Te上升，則x-Te，x-Tm曲線逐段抬高，各段不相同。b、冷卻過(guò)程無(wú)反應(yīng)，各段冷卻線相互平行，且平行于T軸。c、由于非原料氣加入，使得Yi0逐段降低，導(dǎo)致絕熱操作線斜率逐段增大，各段的操作線相互不平行。特點(diǎn)：第21頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）五段絕熱式固定床催化反應(yīng)器中，段間為間接換熱，請(qǐng)畫(huà)出操作狀況簡(jiǎn)圖（X-T圖）。2）五段絕熱式固定床催化反應(yīng)器中，段間為原料氣冷激式，請(qǐng)畫(huà)出操作狀況簡(jiǎn)圖（X-T圖）。3）五段絕熱式固定床催化反應(yīng)器中，段間為非原料氣冷激式，請(qǐng)畫(huà)出操作狀況簡(jiǎn)圖（X-T圖）。4）四段絕熱式固定床催化反應(yīng)器中，1-2段間為原料氣冷激式、其余段為間接換熱式，請(qǐng)畫(huà)出操作狀況簡(jiǎn)圖（X-T圖）。思考題：第22頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5）在多段固定床絕熱式氣一固相催化反應(yīng)器中,進(jìn)行單一可逆放熱反應(yīng)、對(duì)間接換熱式操作狀況敘述不正確的是()。（A）操作線相互不平行； （B）冷卻線水平；（C）最佳溫度曲線連續(xù)；（D）平衡曲線連續(xù)；6）在多段固定床絕熱式氣一固相催化反應(yīng)器中,進(jìn)行單一可逆放熱反應(yīng)、對(duì)非原料氣冷激式操作狀況敘述不正確的是（）。（A）操作線相互不平行； （B）冷卻線水平；（C）最佳溫度曲線不連續(xù)；（D）平衡曲線連續(xù)；7）氣一固相催化反應(yīng)器主要分為()和()兩大類(lèi)。8)固定床催化反應(yīng)器按換熱方式分為()和()兩類(lèi)，按氣體在催化床中流動(dòng)方向分為()和()兩類(lèi)。9）多段換熱式分為()和()兩類(lèi)。第23頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2)連續(xù)換熱式催化反應(yīng)器第24頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第25頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自熱式反應(yīng)器:反應(yīng)前后的物料在床層中自己進(jìn)行換熱稱(chēng)作自熱式反應(yīng)器。

自熱式反應(yīng)器示意圖第26頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1)概述

反應(yīng)和換熱同時(shí)進(jìn)行，邊反應(yīng)，邊換熱，換熱器設(shè)置在床層內(nèi)。連續(xù)換熱式操作狀況：開(kāi)始有一絕熱段，為絕熱操作，升溫至冷卻段的進(jìn)口，已接近最佳溫度，冷卻段連續(xù)換熱，接近最佳溫度曲線操作。平衡溫度線最佳溫度線xT平衡溫度線最佳溫度線xT第27頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分類(lèi)外冷列管式單管逆流式內(nèi)冷自熱式外部供熱管式單管并流式雙套管并流式三套管并流式按換熱情況分按冷管結(jié)構(gòu)分第28頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月①管徑：一般為25～50mm的管子，但不小于25mm。②催化劑粒徑：應(yīng)小于管徑的8分之一，通常固定床用的粒徑約為2～6mm，不小于1.5mm。③傳熱所用的熱載體：沸水可以用于100℃～300℃的溫度范圍。聯(lián)苯與聯(lián)苯醚的混合物以及以烷基萘為主的石油餾分能用于200～350℃的范圍。無(wú)機(jī)熔鹽(硝酸鉀，硝酸鈉及亞硝酸鈉的混合物)可用于300～400℃的情況。對(duì)于600～700℃左右的高溫反應(yīng)，只能用煙道氣作為熱載體。第29頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月列管式反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：①傳熱較好，管內(nèi)溫度較易控制；②返混小、選擇性較高；③只要增加管數(shù)，便可有把握地進(jìn)行放大；④對(duì)于極強(qiáng)的放熱反應(yīng)，還可用同樣粒度的惰性物料來(lái)稀釋催化劑適用原料成本高，副產(chǎn)物價(jià)值低以及分離不是十分容易的情況。第30頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月溫度床層深度溫度轉(zhuǎn)化率（2)三套管并流式第31頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月A、結(jié)構(gòu)：冷管，中心管，冷氣分氣盒，集氣盒。B、氣體流程：冷氣分氣盒冷管內(nèi)內(nèi)環(huán)隙集氣盒中心管床層。C、氣體間的換熱：床層熱氣與環(huán)隙冷氣間換熱。D、溫度分布第32頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3)雙套管并流式第33頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（4)單管并流式第34頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（5)單管逆流式第35頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（6)單管外冷式第36頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）軸向反應(yīng)器與徑向反應(yīng)器VS第37頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第38頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流態(tài)化現(xiàn)象5.1.1.2流化床反應(yīng)器

LLfLLfL0LLmf

流體

流體

流體

流體

流體流體

固定床起始流化膨脹床鼓泡床氣力輸送節(jié)涌第39頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

第40頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第41頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第42頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第43頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第44頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第45頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第46頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流化床反應(yīng)器第47頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月思考題1）連續(xù)換熱式催化反應(yīng)器可分為(),(),()等三種。2）內(nèi)冷自熱式催化床，根據(jù)冷管的結(jié)構(gòu)不同，主要可分為(),(),()、（）等四種，其中沒(méi)有絕熱段的是（）。第48頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.1.2催化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型1)分類(lèi)(1）按反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分為：非均相模型、擬均相模型。非均相模型:存在濃度差、溫度差擬均相：不存在濃度差、溫度差擬均相適用情況：a、化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制b、活性較正系數(shù)（無(wú)宏觀動(dòng)力學(xué)資料）(2）按氣體的流動(dòng)方向和濃度、溫度分布狀況分為：一維模型、二維模型。一維：軸向濃度差、溫度差；二維：軸向濃度差、溫度差；軸徑向濃度差、溫度差；(3）按流動(dòng)方式分為：理想流動(dòng)，非理想流動(dòng)。理想流動(dòng)：平推流，全混流。非理想流動(dòng)：考慮返混（擴(kuò)散）。第49頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月維數(shù)相數(shù)返混根據(jù)相態(tài)(擬均相？非均相？），維數(shù)（一維？二維？），返混（有返混？無(wú)返混？）的不同情況，可以建立八種（）不同的數(shù)學(xué)模型第50頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表5－1催化反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型分類(lèi)一維模型A類(lèi)：

擬均相模型B類(lèi)：

非均相模型AI：

基礎(chǔ)模型BI：

基礎(chǔ)模型＋相間分布AII：

AI+軸向返混BII：

BI+軸向返混二維模型AIII：

AI＋徑向分布BIII：

BI＋徑向分布AIV：

AIII＋軸向返混BIV：

BIII＋軸向返混2）基礎(chǔ)模型一維+擬均相+平推流第51頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）顆粒特性（1）單個(gè)無(wú)規(guī)則顆粒直徑：A、等體積相當(dāng)直徑dp：用體積相同的球形顆粒的直徑表示非球形顆粒的直徑。

球粒：

非球粒：VP

VP=VS

5.2固定床流體力學(xué)5.2.1固定床的物理特性第52頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月B、等外表面積相當(dāng)直徑Dp：用外表面積相同的球形顆粒的直徑表示非球形顆粒的直徑。

球粒：

非球粒：SP

SS=SP

第53頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月C、等比表面積相當(dāng)直徑dS：用比面積相同的球形顆粒的直徑表示非球形顆粒的直徑。比表面積Sg:m2/m3:單位體積的催化劑所具有的表面積。m2/g:單位質(zhì)量的催化劑所具有的表面積。

球粒：非球形顆粒：第54頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）顆粒的形狀

形狀系數(shù)：用體積相同的球形顆粒的外表面積比上非球形顆粒的外表面積。

第55頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月思考題：直徑為d，高為h的圓柱形催化劑，（1）求其相當(dāng)直徑ds與形狀系數(shù)。（2）若顆粒為高和直徑相等的圓柱形催化劑，求其相當(dāng)直徑ds與形狀系數(shù)。第56頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）混合顆粒的直徑—平均直徑算術(shù)平均直徑：調(diào)和平均直徑：幾何平均直徑：第57頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）床層的特性（1）空隙率：指催化劑床層的空隙體積與催化劑床層總體積之比，用ε表示。（2）壁效應(yīng)：容器的器壁產(chǎn)生的影響。床層空隙率的大小與顆粒直徑、形狀、粒度分布、顆粒直徑與床直徑之比，以及顆粒的充填方法等有關(guān)。固定床中同一橫截面上的空隙率是不均勻的，對(duì)于粒度均一的顆粒所構(gòu)成的床層，在與器壁距離為0～1倍顆粒直徑處，空隙率最大，床層中心較小第58頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）固定床當(dāng)量直徑de

de=4RH

式中：dS等比表面積相當(dāng)直徑

水力半徑=第59頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.2單相流體在固定床中的流動(dòng)及壓力降1）流動(dòng)特性流體在固定床中的流動(dòng)比在空管內(nèi)的流動(dòng)情況要復(fù)雜的多，是顆粒物料所組成的孔道中流動(dòng)，受粒度、粒度分布、形狀及粗糙度的影響。一般情況顆粒是隨機(jī)堆積的，床層中心處的空隙率往往比接近器壁處環(huán)形區(qū)域的空隙率小。2）床層流體的徑向流速分布流過(guò)床層的徑向流速分布是不均勻的。從床層中心處算起，隨著徑向位置的增大，流速增加，在離器壁的距離等于0～1倍顆粒直徑處，流速最大，然后隨徑向位置的增大而降低，至壁面處為零。第60頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）單相流體通過(guò)固定床的壓力降流體流過(guò)固定床時(shí)所產(chǎn)生的壓力損失主要來(lái)自三方面：一是由于顆粒的粘滯力，即流體與顆粒表面間的摩擦；二是由于流體流動(dòng)過(guò)程中孔道截面積突然擴(kuò)大和收縮，三是由于流體對(duì)顆粒的撞擊及流體的再分布而產(chǎn)生。當(dāng)流體處于層流時(shí)，前者起主要作用；在高流速及薄床層中流動(dòng)時(shí)，起主要作用的是后者。流體在固定床中的流動(dòng)，與空管中的流體流動(dòng)相似，只是流道不規(guī)則而已。故此可將空管中流體流動(dòng)的壓力降計(jì)算公式修正后用于固定床。第61頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）固定床壓力降的計(jì)算：

式中：ρ——流體密度，dS——顆粒等比外表面積相當(dāng)直徑，f——修正摩擦系數(shù)，L——床層高度，u0——空管流速，εB——