第六章固定床反應(yīng)器的工藝設(shè)計(jì)

1、第六章第六章 固定床反應(yīng)器的工藝設(shè)計(jì)固定床反應(yīng)器的工藝設(shè)計(jì) 6.1恒溫反應(yīng)器恒溫反應(yīng)器一般的設(shè)計(jì)過程一般的設(shè)計(jì)過程 反應(yīng)速率方程反應(yīng)速率方程, R = rv = Aexp(-E/RT)CaCb (6-1)式中, R表觀反應(yīng)速率，kmo1(s m3)rv一本征反應(yīng)速率 kmo1(s m3)一相內(nèi)效率因子，無因次C反應(yīng)物或產(chǎn)物的克分子濃度：kmol/m3A頻率因子E活化能，kJkmoI；R氣體常數(shù)8.314kJ(kmolK) T絕對(duì)溫度，K 有時(shí)反應(yīng)速率方程用分壓而不是用濃度表示有時(shí)反應(yīng)速率方程用分壓而不是用濃度表示:rvp = A exp (-E/RT)PaPb 式中，P是反應(yīng)物或產(chǎn)物的分壓，b

2、ar rv和和rvp之間的關(guān)系是之間的關(guān)系是:rvp = rv (RT)+ 式中R = 0.08314 m3 bar/(kmol K)設(shè)計(jì)方程設(shè)計(jì)方程 dV = Acdz 進(jìn)入的克分子數(shù)出來的克分子數(shù)進(jìn)入的克分子數(shù)出來的克分子數(shù) 十十 積聚的克分子數(shù)積聚的克分子數(shù) 十十 通過通過反應(yīng)損耗的克分子數(shù)反應(yīng)損耗的克分子數(shù) 在穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，反應(yīng)器中沒有物料積聚，或沒有物料從反應(yīng)器中在穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，反應(yīng)器中沒有物料積聚，或沒有物料從反應(yīng)器中放出放出,Fyo = Fyo(1-dx) + rvdV (6-6)整理得整理得: Fyodx = rvdV (6-7)將將(6-4)代入代入(6-7)得得: Fyodx

3、= rvAcdz (6-8)壓降方程壓降方程 開始可計(jì)算出開始可計(jì)算出Pz值，而后在每一步進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲毫πＵ?。值，而后在每一步進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲毫πＵ?實(shí)例，恒溫反應(yīng)器設(shè)計(jì)實(shí)例，恒溫反應(yīng)器設(shè)計(jì) H2CCH2十H2 CH3一CH3 （6-9）這是一個(gè)放熱反應(yīng)，但它可在很小的恒溫反應(yīng)器中進(jìn)行。銅氧化鎂為催化劑，把這些催化劑裝在一個(gè)內(nèi)徑為9.35mm、長(zhǎng)為280mm帶水夾套的黃銅制的反應(yīng)器管中。由于把37.85 lmin的水循環(huán)通過夾套，因而可得到大于5.67kJ(m2 S K)的水膜傳熱系數(shù)和恒定的管壁溫度。在此反應(yīng)器內(nèi)，979范圍內(nèi)的各種恒定溫度下進(jìn)行的許多試驗(yàn)證明，對(duì)氫氣來說，式(6-9)表示的反

4、應(yīng)是一級(jí)的。通過給定下列條件可寫出反應(yīng)速率方程：rv = kCH (6-10)該系統(tǒng)中， = 1 設(shè)計(jì)方程：設(shè)計(jì)方程： Fyodx = kCHdV 由于反應(yīng)涉及到體積變化，對(duì)此，必須加以考慮 。例如： aA + bB pP +qQ （6-12）設(shè)A為數(shù)量有限的反應(yīng)物。開始時(shí)， NTo = NAo +NBo (6-13) NAo = yoNTo NBo = (1-yo)NTo = (1-yo)NAo/yo (6-14)在達(dá)到轉(zhuǎn)化率分?jǐn)?shù)xA后:NT = NA + NB + NP + NQ = NAo (1-xA) + NBo (b/a)NAoxA + (p/a)NAoxA + (q/a)NAoxA

5、 = NTo NToyoxA(a+b-p-q)/(a+b)(a+b)/a (6-15)令 d = (a+b-p-q)/(a+b) (6-16) 對(duì)于乙烯加氫：對(duì)于乙烯加氫：1克分子乙烯 十 1克分子氫氣 1克分子乙烷 （6-18） a = 1, b = 1, p = 1, q = 0 NT = (1-yoxA)NTo又因?yàn)椋忠驗(yàn)?，?duì)于乙烯加氫這個(gè)反應(yīng)：對(duì)于乙烯加氫這個(gè)反應(yīng)： 設(shè)計(jì)方程變?yōu)椋涸O(shè)計(jì)方程變?yōu)椋簩⑸鲜椒e分得：V = （RTFyo/（kP）xA + ln（yo-1+yoxA）/（yo-1） 現(xiàn)在用上式計(jì)算一個(gè)試驗(yàn)室反應(yīng)器。yo = 0.49 F(總進(jìn)料)=2.010-8 kmo1sR(

6、氣體常數(shù))= 0.08314 m3 bar(kmo1.K)R(氣體常數(shù))8.314kJ(kmol.K)T67十273.2340.2Kk = 5.96106exP(一55731RT) kmol(s. m3)希望：xA1.0 假定P1.0 bar， 如反應(yīng)器內(nèi)徑為如反應(yīng)器內(nèi)徑為1cm，則反應(yīng)器高度將為，則反應(yīng)器高度將為 89.1 cm。 6.2 絕熱氣體反應(yīng)器絕熱氣體反應(yīng)器 定義定義絕熱反應(yīng)器是一種和周圍沒有熱交換的反應(yīng)器。絕熱反應(yīng)器是一種和周圍沒有熱交換的反應(yīng)器。因此，如果放熱反應(yīng)是在絕熱固定床反應(yīng)器中進(jìn)行，則氣流的溫度將沿著入口到出口的方向增加。另一方面，如果吸熱反應(yīng)是在同樣的反應(yīng)器中進(jìn)行，則

7、氣流的溫度將會(huì)沿著反應(yīng)器的長(zhǎng)度降低。 一維塞流模型一維塞流模型 絕熱氣體反應(yīng)器最簡(jiǎn)單的模型是一維塞流模型絕熱氣體反應(yīng)器最簡(jiǎn)單的模型是一維塞流模型, 為了適應(yīng)為了適應(yīng)此模型，反應(yīng)器必須符合下列條件此模型，反應(yīng)器必須符合下列條件: 反應(yīng)器和周圍環(huán)境不應(yīng)有熱交換反應(yīng)器和周圍環(huán)境不應(yīng)有熱交換(絕熱條件絕熱條件)。 通過固定床催化劑床的流動(dòng)應(yīng)該是在床層內(nèi)任何一點(diǎn)通過固定床催化劑床的流動(dòng)應(yīng)該是在床層內(nèi)任何一點(diǎn)反應(yīng)物流的線速度都是相同的。反應(yīng)物流的線速度都是相同的。 不應(yīng)有軸向擴(kuò)散。不應(yīng)有軸向擴(kuò)散。 不應(yīng)有徑向擴(kuò)散。不應(yīng)有徑向擴(kuò)散。 一維模型絕熱固定床氣體反應(yīng)器的設(shè)計(jì)一維模型絕熱固定床氣體反應(yīng)器的設(shè)計(jì) Fy

8、odx = rvdV = rvAcdz Fyodx(-H) = miCpidT式中, (-H)整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)熱； mi每一種反應(yīng)物(包括反應(yīng)物和產(chǎn)物)的克分子流量， kmo1s； Cpi每一種反應(yīng)物的克分子熱容量，kmol(kmo1.K)。 設(shè)計(jì)用于放熱反應(yīng)的固定床氣體反應(yīng)器設(shè)計(jì)用于放熱反應(yīng)的固定床氣體反應(yīng)器 對(duì)絕熱反應(yīng)器的限制是由限定的出口溫度對(duì)絕熱反應(yīng)器的限制是由限定的出口溫度t最大最大決定的，決定的，達(dá)到此溫度標(biāo)志著某些不理想的過程如副反應(yīng)、選擇達(dá)到此溫度標(biāo)志著某些不理想的過程如副反應(yīng)、選擇性不良和催化劑嚴(yán)重結(jié)垢開始出現(xiàn)。如末達(dá)到所要求性不良和催化劑嚴(yán)重結(jié)垢開始出現(xiàn)。如末達(dá)到所要求的

9、轉(zhuǎn)化率的轉(zhuǎn)化率x，溫度就已上升到限制溫度，此時(shí)，可采用，溫度就已上升到限制溫度，此時(shí)，可采用幾個(gè)方法中的一個(gè)在溫度不超過幾個(gè)方法中的一個(gè)在溫度不超過t最大最大的情況下來提高的情況下來提高x使其達(dá)到所要求的值。使其達(dá)到所要求的值。 方法方法1 (1)把催化劑體積分成兩個(gè)或兩個(gè)以上的床層，以便使每一床層都達(dá)到t最大； (2)用間接換熱器冷卻兩相鄰床層之間的氣體反應(yīng)物使其回到第一床層入口溫度to 方法方法2 如果所用間接換熱器反應(yīng)溫度太高的話，則可采用第二個(gè)方法，把一種冷的反應(yīng)物噴入兩相鄰床層之間的反應(yīng)物流中，把反應(yīng)物冷卻到To由于補(bǔ)充了一種被消耗的反應(yīng)物，這種直接冷卻或急冷方法又有使反應(yīng)朝著所要求

10、的方向進(jìn)行的優(yōu)點(diǎn)。 方法方法3 第三個(gè)方法是一種老的德國(guó)分段急冷的技術(shù)，雖然目前仍在使用，但其缺點(diǎn)是波動(dòng)很大，且難于設(shè)計(jì)。 方法方法4 第四個(gè)方法是在反應(yīng)器進(jìn)料中加入一種惰性氣或第四個(gè)方法是在反應(yīng)器進(jìn)料中加入一種惰性氣或一種過量的反應(yīng)物，一種過量的反應(yīng)物，其作用好象一個(gè)受熱器一樣，吸收大部分放出的熱量，這樣，對(duì)給定的轉(zhuǎn)化率而言，就減小了溫升。和其他方法相比，此法有一嚴(yán)重缺點(diǎn)，即為了容納惰性氣或過量的反應(yīng)物，需要增大反應(yīng)器的尺寸。 第四個(gè)方法派生出來的一個(gè)方法是加入一種惰性液加入一種惰性液體，它在反應(yīng)器的通常壓力下，其沸點(diǎn)接近反應(yīng)溫度，體，它在反應(yīng)器的通常壓力下，其沸點(diǎn)接近反應(yīng)溫度，反應(yīng)放出的熱

11、使惰性液體蒸發(fā)反應(yīng)放出的熱使惰性液體蒸發(fā)，這樣，其所吸收的大量熱量就滿足了潛熱的需要。在某些情況下，和采用純氣相方?jīng)]相比，這種方法反應(yīng)速率比較低。此方法的缺點(diǎn)是需要的反應(yīng)器大而貴。 如果沒有一個(gè)方法能妥善地解決放出的熱量問題，則如果沒有一個(gè)方法能妥善地解決放出的熱量問題，則必須考慮氣體反應(yīng)在下列反應(yīng)器中的一種內(nèi)進(jìn)行：必須考慮氣體反應(yīng)在下列反應(yīng)器中的一種內(nèi)進(jìn)行： 流化床反應(yīng)器；流化床反應(yīng)器； 帶有一種惰性液體的氣帶有一種惰性液體的氣-液相反應(yīng)器液相反應(yīng)器 非恒溫非絕熱固定床氣體反應(yīng)器非恒溫非絕熱固定床氣體反應(yīng)器 絕熱固定床氣體反應(yīng)器設(shè)計(jì)實(shí)例：絕熱固定床氣體反應(yīng)器設(shè)計(jì)實(shí)例：甲苯加氫脫烷基反應(yīng)器的設(shè)

12、計(jì)甲苯加氫脫烷基反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 反應(yīng)速率方程為：反應(yīng)速率方程為：rv = - dCA/d = kCACB0.5 = Aexp(-E/RGT)CACB0.5 式中, CA甲苯濃度，kmo1m3； CB氫濃度，kmo1m3； k甲苯加氫脫烷基的反應(yīng)速率常數(shù); A頻率因子； E活化能 148114kJkmo1； H - 49974kJkmo1轉(zhuǎn)化的甲苯； 停留時(shí)間，s。 發(fā)表的活化能數(shù)值為35.4kcalg. mol，但得不到發(fā)表的頻率固子A的數(shù)值，該數(shù)值取決于具體的催化劑, 現(xiàn)假定A=573 x l06，反應(yīng)器入口的反應(yīng)溫度假定為To600十2732873.2K，反應(yīng)器壓力可從35到70絕對(duì)大氣壓，

13、假定約50絕對(duì)大氣壓或50 bar。根據(jù)芳烴加氫的一般經(jīng)驗(yàn)，氫與芳烴之比可假定為5.0. 氫： Cp=20.786 甲烷：Cp=0.04414T十27.87 苯： Cp=0.1067T十103.18 甲苯：Cp0.03535T十124.85 進(jìn)入加氫脫烷基裝置的混合氫氣物流的純度為90，其余的為甲烷。 每一反應(yīng)物或產(chǎn)物的克分子數(shù)是：每一反應(yīng)物或產(chǎn)物的克分子數(shù)是：甲苯：Fyo(1-x)苯： Fyox氫： Fyo(5-x)+0.9急冷量甲烷：Fyo(5/9+x) + 0.1急冷量 總克分子數(shù)：總克分子數(shù)：Fyo(1+5+59)+急冷量，或6.5555Fyo+ 急冷量每一組分的克分子分?jǐn)?shù)為：每一組分

14、的克分子分?jǐn)?shù)為：甲苯： y1Fyo(1-x)(6.5555Fyo+ 急冷量)yA苯： y2Fyox(6.5555Fy。十急冷量)氫： y3(Fyo(5一x)+0.9急冷量)(6.5555Fyo+急冷量)=yB甲烷： y4=(Fyo(59+x)+0.1急冷量)(6.5555Fyo+急冷量)濃度項(xiàng)可寫成：濃度項(xiàng)可寫成：C = N/V = Np/(NRG*T) = p/(RG*T)因?yàn)橐驗(yàn)? p = Py 所以：所以： C = yP/(RG*T) CA = PFyo(1-x)(RG*T(6.5555Fyo+ 急冷量) CB = P(Fyo(5-x)+0.9急冷量)(RG*T (6.5555Fyo+急

15、冷量)若把這些CA和CB項(xiàng)代入式(6-32)，則： rv = - dCA/d = kCACB0.5 = Aexp(-E/RGT) (P(RG*T(6.5555Fyo+ 急冷量)1.5 Fyo(1-x) (Fyo(5-x)+0.9急冷量)0.5將上式與（6-8）合并：dx/dz = AcAexp(-E/RGT)(P/RG*T(6.5555Fyo+急冷量)1.5(1-x) (Fyo(5-x)+0.9急冷量)0.5 現(xiàn)在計(jì)算每一床層現(xiàn)在計(jì)算每一床層(除最后床層外除最后床層外)末端處的急冷量末端處的急冷量: 急冷量= miCpi(T-To)/(Cpi急冷(T-298.2) Cpi 急冷 = 0.9x2

16、0.786 + 0.1x66.413 = 25.349 kJ/Kmol K 利用利用Ergun方程計(jì)算壓降方程計(jì)算壓降:在Ergun方程中，G為質(zhì)量流率其單位為kg(s m2) 以空塔為基礎(chǔ)的空塔流速以空塔為基礎(chǔ)的空塔流速um的方程為的方程為: 若催化劑的形狀是直徑和高度相等的圓柱體，令rp顆粒半徑，則， 若給定若給定2rp3mm，則，則dp0.003 m。 反應(yīng)混合物的粘度反應(yīng)混合物的粘度可用以下的關(guān)系式從各個(gè)反可用以下的關(guān)系式從各個(gè)反應(yīng)物的粘度應(yīng)物的粘度1，2，3，4計(jì)算出來此方程是：計(jì)算出來此方程是： ij項(xiàng)可以是12、13、14、21、23、24、31、32、3441、42、43，Mi

17、和Mj是各組分的分子量。 假定內(nèi)徑為假定內(nèi)徑為2m dT/dz = (dx/dz) Fyo(-H)/(miCpi) dx/dz = AcAexp(-/RGT)(P/RG*T(6.5555Fyo+急冷量急冷量)1.5(1-x) (Fyo(5-x)+0.9急冷量急冷量)0.5聯(lián)立解微分方程可求出完成一定生產(chǎn)任務(wù)的反應(yīng)器高度聯(lián)立解微分方程可求出完成一定生產(chǎn)任務(wù)的反應(yīng)器高度z。電。電算結(jié)果如表算結(jié)果如表6-1所示：所示： 6.3絕熱反應(yīng)器的設(shè)備設(shè)計(jì)方面絕熱反應(yīng)器的設(shè)備設(shè)計(jì)方面 1. 床層的支承床層的支承 絕熱反應(yīng)器的單個(gè)催化劑床層可以由以下兩種方法中的任一方法來支承柵板(圖6-8)或一層放在床層底部的

18、惰性氧化鋁或陶瓷球(圖6-9)。 圖6-8 有連續(xù)槽孔和整體支撐梁的支撐柵格 圖6-9 典型惰性填料支撐的單一床層絕熱反應(yīng)器為防止入口氣體吹動(dòng)催化劑顆粒, 在支撐層頂部的 惰性填料顆粒,對(duì)高流速氣體來說至少應(yīng)為1英寸。 支承的柵板應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成能支承催化劑的裝載重量加上預(yù)期的壓降。開槽或鉆孔的板和標(biāo)準(zhǔn)的焊接格柵都可以用。在必要時(shí)，要選用適當(dāng)?shù)闹С邪彘_孔率以使壓降減到最小。把比催化劑丸片大一兩號(hào)的約46英寸的氧化鋁或陶瓷球、丸片或顆粒放在支承的柵板上。如果支承板上的孔大于球徑, 象金屬格柵那樣的話，那么在支承板上面再放一層阻止這種惰性物通過的篩網(wǎng)。交承板的材質(zhì)要能防腐蝕，根據(jù)用途也可以用炭鋼、合金鋼

19、、鑄鋼或燒制陶瓷?？装逑旅姹仨氂羞m當(dāng)支承包括大跨度用的中間支承。 代替支承板，反應(yīng)器的底部可以填充惰性球、圓柱體或小顆粒，直到床層催化劑開始的高度(圖6-9)。圓球或長(zhǎng)度大于直徑的圓柱體引起的壓降較低，比形狀不整齊的顆粒(碎塊)為好。較大的球或圓柱體在床層中先填裝6英寸以內(nèi)，然后再裝較小的球或圓柱體以限定催化劑床層位置。惰性球也造成足夠的壓降以保證催化劑床層的出口處流體的良好分布。出口管道可以伸送設(shè)備中去，并在管上開很多孔，包上篩網(wǎng)也可以用特制的集合管(圖6-9)。沒有必要在圖中所示的空集合管頂部以下的空間填裝催化劑因?yàn)橛捎谖锪鞅仨毤飨虺隹诠芏勾它c(diǎn)之下的摧化劑不能充分利用。用來填充這個(gè)基

20、本上無效的空間，惰性球也要比催化劑便宜得多。 大直徑床層裝有多個(gè)并列的出口或一個(gè)開有多排孔的內(nèi)部集合管。近年來大直徑床層裝有多個(gè)并列的出口或一個(gè)開有多排孔的內(nèi)部集合管。近年來已經(jīng)引用大小均勻的廉價(jià)不適性陶瓷丸粒。當(dāng)這些陶瓷丸粒能夠取代昂貴的氧化已經(jīng)引用大小均勻的廉價(jià)不適性陶瓷丸粒。當(dāng)這些陶瓷丸粒能夠取代昂貴的氧化鋁材料時(shí)，那么價(jià)格昂貴又帶來維修問題的支承板就不適宜采用了。沒有支承板，鋁材料時(shí)，那么價(jià)格昂貴又帶來維修問題的支承板就不適宜采用了。沒有支承板，卸料也較簡(jiǎn)單，因?yàn)橛兄С邪?，催化劑就必須從四面卸出或者用吊斗或真空卸料卸料也較簡(jiǎn)單，因?yàn)橛兄С邪?，催化劑就必須從四面卸出或者用吊斗或真空卸料機(jī)

21、吸出。側(cè)面卸科通常靠重力流動(dòng)不能完全卸出，還必須用人工的辦法。機(jī)吸出。側(cè)面卸科通?？恐亓α鲃?dòng)不能完全卸出，還必須用人工的辦法。 在很高溫度下操作的反應(yīng)器內(nèi)也許不能采用金屬制的出口集合管。在這種在很高溫度下操作的反應(yīng)器內(nèi)也許不能采用金屬制的出口集合管。在這種情況下可用多格的耐火磚圓頂當(dāng)作床層的支承和出口集合管。情況下可用多格的耐火磚圓頂當(dāng)作床層的支承和出口集合管。 比催化劑大幾倍的惰性圓球或丸粒也要放在催化劑床層的頂部。這一層有比催化劑大幾倍的惰性圓球或丸粒也要放在催化劑床層的頂部。這一層有助于分布物料的流動(dòng)，能防止床層污染，如突然涌進(jìn)一股像水那樣的不希望有的助于分布物料的流動(dòng)，能防止床層污染，

22、如突然涌進(jìn)一股像水那樣的不希望有的東西，并有助于截住帶入的污垢，由于床層空隙率較低，這種污垢會(huì)嚴(yán)重堵塞催東西，并有助于截住帶入的污垢，由于床層空隙率較低，這種污垢會(huì)嚴(yán)重堵塞催化劑床層?；瘎┐矊印?惰性圓球或丸粒會(huì)有助于防止催化劑突然溫度升高，它可吸收因操作失誤惰性圓球或丸粒會(huì)有助于防止催化劑突然溫度升高，它可吸收因操作失誤而發(fā)生的反應(yīng)物或是再生流體的劇烈溫度變動(dòng)。底部的球?qū)釉谏狭魇皆偕鷷r(shí)，尤而發(fā)生的反應(yīng)物或是再生流體的劇烈溫度變動(dòng)。底部的球?qū)釉谏狭魇皆偕鷷r(shí)，尤其是在再生的早期也能夠起這樣的作用。其是在再生的早期也能夠起這樣的作用。 有時(shí)，在催化劑和惰性球之間放進(jìn)一個(gè)浮動(dòng)的篩網(wǎng)。這可阻止達(dá)兩層之

23、間有時(shí)，在催化劑和惰性球之間放進(jìn)一個(gè)浮動(dòng)的篩網(wǎng)。這可阻止達(dá)兩層之間的混合并作為擋住污垢的最后屏障。如果帶入的污垢估計(jì)較多的話，那么在惰性的混合并作為擋住污垢的最后屏障。如果帶入的污垢估計(jì)較多的話，那么在惰性球頂部放上大面積的篩網(wǎng)，效果會(huì)更好些。球頂部放上大面積的篩網(wǎng)，效果會(huì)更好些。 雖然氧化鋁或陶瓷惰性材料是用得最廣泛的，但有時(shí)在不宜用氧化鋁或陶雖然氧化鋁或陶瓷惰性材料是用得最廣泛的，但有時(shí)在不宜用氧化鋁或陶瓷的反應(yīng)系統(tǒng)中可用其它材料代替。石英石已經(jīng)被當(dāng)作廉價(jià)的代用品，而且在反瓷的反應(yīng)系統(tǒng)中可用其它材料代替。石英石已經(jīng)被當(dāng)作廉價(jià)的代用品，而且在反應(yīng)不受其中雜質(zhì)影響的反應(yīng)器中是完全合用的應(yīng)不受其

24、中雜質(zhì)影響的反應(yīng)器中是完全合用的 2多床層反應(yīng)器多床層反應(yīng)器 在有中間冷卻或加熱的單個(gè)反應(yīng)器殼體中多床層可以擱在支承板上(圖6-10和圖6-11)，不然也可以采用有內(nèi)部分布器的連續(xù)床層。在床層之間的空間可以設(shè)計(jì)安裝熱交換器管束或?qū)⒄魵馐占拖蛲獠繜峤粨Q器然后再分布到下一個(gè)床層，或在床層之間設(shè)計(jì)成直接接觸急冷(圖6-10和圖6-11)，也可以在床層內(nèi)引入急冷，如圖6-12所示。圖示的三種反應(yīng)器都有一個(gè)內(nèi)冷卻的外殼以減少反應(yīng)器的厚度。 圖6-10 冷激式多床層的氨轉(zhuǎn)化器（凱洛格型）a 垂直多層轉(zhuǎn)化器；b 臥式多層轉(zhuǎn)化器圖圖6-11 外部接管最少的高壓氫化外部接管最少的高壓氫化 裂解反應(yīng)器裂解反應(yīng)器

25、 圖圖6-12 無中間床層支撐的冷激式氨無中間床層支撐的冷激式氨 轉(zhuǎn)化器（轉(zhuǎn)化器（ICI）。催化劑裝在單一環(huán)狀床內(nèi)。）。催化劑裝在單一環(huán)狀床內(nèi)。A氣體入口，氣體入口，B 氣體出口，氣體出口，C冷激氣入口，冷激氣入口，D氣體旁路分布器，氣體旁路分布器，E 溫度計(jì)套管，溫度計(jì)套管，F(xiàn)催化劑催化劑卸出口。卸出口。 3裝料和卸料的設(shè)備和程序裝料和卸料的設(shè)備和程序 氣力裝料氣力裝料 用空氣將催化劑罐加壓，催化劑則通過能夠沿著反應(yīng)器橫斷面以一定方式移動(dòng)的大軟管借氣力輸送出去。遺憾的是，這種高效技術(shù)只局限于高度耐磨的催化劑(抗壓強(qiáng)度：35磅)和如球狀的自由流動(dòng)顆粒。 吊運(yùn)吊運(yùn) 可以把催化劑桶提升到反應(yīng)器內(nèi)，

26、然后卸出將催化劑裝入反應(yīng)器。裝料管裝料管 把織物制的裝料管或可移動(dòng)的管子聯(lián)在裝料斗上。管內(nèi)裝滿催化劑不使催化劑自由落下，這時(shí)有一個(gè)人站在反應(yīng)器里面，牽引裝料管作圓周運(yùn)動(dòng)使催化劑平均分布。催化劑下落不應(yīng)超過1或2英尺的高度。在這個(gè)程序里與其它必須有一個(gè)人在催化劑床層上工作的程序一樣，必須要有措施來分布這個(gè)人的重量，如在床層上放一塊跳板或穿上雪鞋。即使采取這種預(yù)防措施，一些易碎的催化劑還是要被壓碎成粉末。在這種情況下，便應(yīng)在反應(yīng)器頂上引導(dǎo)裝料管移動(dòng)。當(dāng)工人進(jìn)到容器里面時(shí)，必須提供使用合適的面具和防護(hù)服以保護(hù)工人防塵、防有害煙霧，在許多情況下還要防止缺氧。許多催化劑吸氧性很強(qiáng)而且以驚人的速度耗盡容器

27、中的氧。 卸料卸料 卸空卸空 可將催化劑卸到料斗或卡車上。不流動(dòng)的那部分則必須用人工來清除。 同時(shí)進(jìn)行卸空和清凈同時(shí)進(jìn)行卸空和清凈 輕便的潔凈設(shè)備可用惰性氣體保護(hù)同時(shí)進(jìn)行卸空、清凈、篩分和包裝以備再用。 真空卸料真空卸料 當(dāng)難以卸空或無法進(jìn)行時(shí)，可用真空卸料法。雖然這樣的做法很快，還是避免周圍環(huán)境中的有害粉塵，但磨損率可能高些。 有可能把床層中那部分已經(jīng)失活和部分堵塞的催化劑卸出。這需要由工人進(jìn)入有毒的區(qū)域去放出物料和操縱卸料系統(tǒng)。 4物料流動(dòng)的分布物料流動(dòng)的分布 在大直徑床層中，為防止流動(dòng)截面突然收縮，必須裝設(shè)多個(gè)出口或出口集合管。 當(dāng)必須用非常淺的床層時(shí)，可規(guī)定采用徑向流動(dòng)的反應(yīng)器以改進(jìn)流

28、動(dòng)的分布。 5熱電偶的位置熱電偶的位置 熱電偶應(yīng)裝在沿床層的軸線位置上以便能夠監(jiān)測(cè)反應(yīng)溫度梯度和這些梯度隨時(shí)間改變的情況。在每一個(gè)部位，不是裝一個(gè)而至少要在圓的每一象限各裝一支熱電偶。 6. 開工設(shè)備開工設(shè)備絕熱反應(yīng)器開工設(shè)備可包括提供熱氣體加熱床層的惰性氣體加熱器或蒸汽過熱器。當(dāng)需要時(shí), 還應(yīng)當(dāng)提供再生空氣的特殊設(shè)備以及蒸汽或其它必需的特殊氣體。7. 淺床層淺床層某些反應(yīng)反應(yīng)很快，需要催化劑的量非常少，無法進(jìn)行傳熱。典型的反應(yīng)如氨氧化生成氧化氮，甲烷與空氣反應(yīng)制造氰花氫，催化劑為編制金屬絲網(wǎng)式。這些反應(yīng)主要或完全受傳質(zhì)限制，絲網(wǎng)填料的設(shè)計(jì)是以中間實(shí)驗(yàn)和工廠的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)。 圖6-13 為均勻流

29、量分布設(shè)計(jì)的淺床層的反應(yīng)器 6.4 多段間接換熱式催化反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)多段間接換熱式催化反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì) 確定了多段間接換熱式催化反應(yīng)器的段數(shù)、進(jìn)口氣確定了多段間接換熱式催化反應(yīng)器的段數(shù)、進(jìn)口氣體組成、最終轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)能力等。多段間接換熱式絕體組成、最終轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)能力等。多段間接換熱式絕熱催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)是一個(gè)確定各段始末溫度、轉(zhuǎn)化率熱催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)是一個(gè)確定各段始末溫度、轉(zhuǎn)化率的最佳分布問題，最終結(jié)果是使催化劑的的總用量最少。的最佳分布問題，最終結(jié)果是使催化劑的的總用量最少。 1催化床出口溫度不受催化劑耐熱溫度限制時(shí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)催化床出口溫度不受催化劑耐熱溫度限制時(shí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)VRT=i=1nV

30、RiVso，ii=1n=o，i目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)VRT具有極小值的必要條件如下：具有極小值的必要條件如下： 式中，xA，i i段的出口轉(zhuǎn)化率，即i+1段的入口轉(zhuǎn)化率。 Tj i 段的入口溫度 整理后得：又因?yàn)椋?o，iXAiXAi-1CAOKrAi=dXAo，i+1XAiXAi+1CAOKrAi+1=dXA上式（6-42）可變?yōu)椋?-24X=XAirAirAi+1=11X=XAi上一段出口處的反應(yīng)速率與下一段入口處反應(yīng)速率之絕對(duì)值相等上一段出口處的反應(yīng)速率與下一段入口處反應(yīng)速率之絕對(duì)值相等 各段進(jìn)口溫度各段進(jìn)口溫度Ti下，下， 又因?yàn)椋?o，iXAiXAi-1CAOKrAi=dXA所以：XAiX

31、Ai-1（ ）oXAiTidXA= 0XA即，用圖示的形式表示： 又可變?yōu)椋?XAiXAi-1rAi1（ ）TidXA= 0XA圖6-14 方程式（6-45）用圖示的形式表示 當(dāng)xA軸上方的陰影由積與下方的陰影面積相等時(shí)，即為符合式(6-45)的xAi值。設(shè)計(jì)思路：設(shè)計(jì)思路： (1) 根據(jù)反應(yīng)氣體混合物的初始組成，催化劑動(dòng)力學(xué)參數(shù)，作過程的平衡曲線與最佳溫度曲線。 a平衡曲線： 根據(jù)r = 0，可得 XA，eq = f（Teq） b最佳溫度曲線：根據(jù)r/T = 0， 可得 XA = f（Topt） (2) 假定第一段入口溫度為To1，XAorAi1（ ）TodXA= 0XAXA1T = To

32、+ （XA-XAO）其中，= NTOyAO（-HR）/NTCP求解出第一段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA1，T1。 （3）根據(jù)式 即，第一段出口速率等于第二段入口速率，可求出第二段入口溫度TO2。 X=XAirAirAi+1=11X=XAi(4) 重復(fù)（2）步求出第二段出口溫度與出口轉(zhuǎn)化率 T2，XA2，及重復(fù)（3）步可求出第三段的入口溫度To3。(5) 檢查算出的最后一段的的出口轉(zhuǎn)化率與生產(chǎn)任務(wù)是否一致， 若不一致，重新設(shè)定TO1重復(fù)（2）-（5）步，直至直至算出最后一段的的出口轉(zhuǎn)化率與生產(chǎn)任務(wù)一致(6) 檢查計(jì)算結(jié)果與平衡線及最佳溫度線的關(guān)系。 2.催化劑有起始活性溫度限制催化劑有起始活性溫度限

33、制設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路: (1) 據(jù)反應(yīng)氣體混合物的初始組成，催化劑動(dòng)力學(xué)參數(shù)，作過程的平衡曲線與最佳溫度曲線。 a平衡曲線： 根據(jù)r = 0，可得 XA，eq = f（Teq） b最佳溫度曲線：根據(jù)r/T = 0， 可得 XA = f（Topt）（2）設(shè)定第一段入口溫度為To1，To1值為催化劑活性溫度，是一固定值。（3）設(shè)第一段出口轉(zhuǎn)化率為XA1，（4）根據(jù)絕熱溫升線可計(jì)算第一段的出口溫度T1。T = To + （XA-XAO） （6-47） 其中，= NTOyAO（-HR）/NT2CP (5)由即，第一段出口速率等于第二段入口速率，可求出第二段入口溫度TO2。 （6）根據(jù)：式（6-46） 和

34、絕熱溫升線（6-47） X=XAirAirAi+1=11X=XAirAi1（ ）TodXA= 0XAXA2XA1（7）重復(fù)（5）、（6）步算出最后一段的XAn，檢查算出的最后一段的的出口轉(zhuǎn)化率與生產(chǎn)任務(wù)是否一致， 若不一致，重新設(shè)定XA1重復(fù)（3）-（6）步，直至直至算出最后一段的的出口轉(zhuǎn)化率與生產(chǎn)任務(wù)一致。 （8）檢查計(jì)算結(jié)果與平衡線及最佳溫度線的關(guān)系。 T = To + （XA2-XA1） （6-47） 其中，= NTOyAO（-HR）/NTCP求解出第二段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA2，T2。 3催化劑有最高耐熱溫度催化劑有最高耐熱溫度Tmax限制限制設(shè)計(jì)思路：設(shè)計(jì)思路：（1）反應(yīng)氣體混合物

35、的初始組成，催化劑動(dòng)力學(xué)參數(shù)，作過程的平衡曲線與最佳溫度曲線。 （2）假定第一段入口溫度為To1，根據(jù)：式（6-46） 和絕熱溫升線（6-47） a平衡曲線： 根據(jù)r = 0，可得 XA，eq = f（Teq） b最佳溫度曲線：根據(jù)r/T = 0， 可得 XA = f（Topt） XAorAi1（ ）TodXA= 0XAXA1T = To + （XA-XAO） （6-47） 其中，= NTOyAO（-HR）/NTCP求解出第一段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA1，T1。若T1超過Tmax，則以Tmax為T1，并由式（6-47）算出XA1。亦可由 VFAO=XA01rAdXAXA1與 T = To +

36、（XA-XAO） （6-47）計(jì)算出XA1。 （3）根據(jù)式（6-43） X=XAirAirAi+1=11X=XAi即，第一段出口速率等于第二段入口速率，可求出第二段入口溫度TO2。（4）重復(fù)（2）步求出第二段出口溫度與出口轉(zhuǎn)化率 T2，XA2，及重復(fù)（3）步可求出第三段的入口溫度To3。計(jì)算過程中，若Ti 出口溫度超過Tmax應(yīng)以Tmax為出口溫度Ti。并用式（6-47）或式（6-47）結(jié)合式（6-48）計(jì)算出口轉(zhuǎn)化率XAi。（5）檢查算出的最后一段的的出口轉(zhuǎn)化率與生產(chǎn)任務(wù)是否一致， 若不一致，重新設(shè)定TO1重復(fù)（2）-（5）步，直至算出最后一段的的出口轉(zhuǎn)化率與生產(chǎn)任務(wù)一致。（6）檢查計(jì)算結(jié)果

37、與平衡線及最佳溫度線的關(guān)系。 4例題例題 某日產(chǎn)干噸兩段間接換熱式徑向氨合成塔合成氨的速率：R= dyNH3/do = kT（1+yNH3）2Kf2fH21.5fN2/fNH3 fNH3/fH21.5解：解：（1）不受催化劑溫度限制的影響時(shí)，a. TO1 = 340 , 初始組成已經(jīng)確定，由下式， XAorAi1（ ）TodXA= 0XAXA1T = To + （XA-XAO） （6-47） 其中，= NTOyAO（-HR）/NTCP求解出第一段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA1，T1。T1= 516.4, yNH3,1= 0.1487, VR1 = 11.7367 m3 b. 由 即，第一段出口速率

38、等于第二段入口速率，可求出第二段入口溫度TO2=371.7。 c. 再由 X=XAirAirAi+1=11X=XAirAi1（ ）TodXA= 0XAXA2XA1T = To + （XA2-XA1） （6-47） 其中，= NTOyAO（-HR）/NTCP求解出第二段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA2，T2。T2= 461.4, yNH3,2= 0.2146, VR2 = 28.2155 m3 （2）受催化劑溫度限制的影響時(shí)，a.第一段出口溫度T1計(jì)算值超過了催化劑耐熱溫度Tmax, T1=Tmax = 510,并由式（6-47）算出XA1。亦可由 與 T = To + （XA-XAO） 計(jì)算出XA1

39、。T1= 510, yNH3,1= 0.1432, VR1 = 10.2508 m3b.由 VFAO=XA01rAdXAXA1X=XAirAirAi+1=11X=XAi即，第一段出口速率等于第二段入口速率，可求出第二段入口溫度TO2=368。c. 再由 rAi1（ ）TodXA= 0XAXA2XA1T = To + （XA2-XA1） （6-47） 其中，= NTOyAO（-HR）/NTCP求解出第二段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA2，T2。T2= 465.3, yNH3,2= 0.2144, VR2 = 30.6867 m3 6.5連續(xù)換熱式固定床催化反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)連續(xù)換熱式固定床催化反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)連續(xù)換熱式催化床可分為催化劑裝在管間的內(nèi)冷自熱式、催化劑裝在列管內(nèi)的外冷列管式和外部供熱管式。本節(jié)主要以三套管并流式合成氨催化反應(yīng)器為例討論連續(xù)換熱式固定床催化反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)問題. 圖6-15 三套管并流式冷管催化床溫度分布及操作情況 1. 內(nèi)冷自熱式氨合成反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型內(nèi)冷自熱式氨合成反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型1.1. 絕熱段絕熱段:(1) 物料衡算物料衡算氨合