第五章氣固反應(yīng)

第五章氣固反應(yīng)第1頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三內(nèi)容第一節(jié)固定床氣固相催化反應(yīng)器的基本類型和數(shù)學(xué)模型第二節(jié)固定床流體力學(xué)第三節(jié)固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第四節(jié)絕熱式固定床反應(yīng)器第五節(jié)連續(xù)換熱內(nèi)冷自熱式催化反應(yīng)器第六節(jié)連續(xù)換熱外冷及外熱管式催化反應(yīng)器第七節(jié)薄床層催化反應(yīng)器第2頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)固定床氣固相催化反應(yīng)器的基本類型和數(shù)學(xué)模型1.固定床反應(yīng)器：

凡是流體通過不動的固體物料所形成的床層而進行反應(yīng)的裝置。2.固定床反應(yīng)器優(yōu)缺點：①催化劑不易磨損；②床層內(nèi)流體→平推流，較少量催化劑可獲較大生產(chǎn)能力；③傳熱較差。第3頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三3.固定床反應(yīng)器的分類固定床反應(yīng)器不同的傳熱要求和傳熱方式絕熱式二段三段四段冷激式反應(yīng)特征單段絕熱式段間反應(yīng)氣冷卻或加熱方式中間間接換熱式多段絕熱式原料氣冷激式非原料氣冷激式換熱式對外換熱式自熱式加壓熱水（＜240℃）導(dǎo)熱油（250~300℃）熔鹽（＞300℃）反應(yīng)氣的流動方向軸向流動固定床反應(yīng)器徑向流動固定床反應(yīng)器第4頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三4.數(shù)字模型描述固定床反應(yīng)器的數(shù)字模型分為：擬均相和非均相兩類擬均相模型——忽略床層中粒子與流體間溫度與濃度的差別。非均相模型——考慮床層中粒子與流體間溫度與濃度的差別。第一節(jié)固定床氣固相催化反應(yīng)器的基本類型和數(shù)學(xué)模型第5頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三固定床的物理特性顆粒密度ρp床層密度或堆積密度ρB當量直徑及形狀系數(shù)①具有相同體積的球粒子直徑dv來表示dv？②具有相同外表面積球粒子直徑Dp來表示Dp？

③具有相同比外表面積球粒子直徑ds來表示ds？

④形狀系數(shù)?=Ss/Sp

第二節(jié)

固定床流體力學(xué)第6頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三(3)混合顆粒平均直徑(4)固定床當量直徑及空隙率

de=4RH=4/Se=2/3*(ε/1-ε)*ds(5)空隙率及徑向流速

了解即可第二節(jié)

固定床流體力學(xué)dp=1/n（∑i1=xdii)第7頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三2.單相流體在固定床中的流動及壓降流動(了解即可)壓降

第二節(jié)

固定床流體力學(xué)(3)壓降影響因素(了解即可)修正雷諾數(shù)：um——平均流速(空床氣速)；L——床層高度；ρ、μ——流體的密度和粘度；ds

——

比表面當量直徑。第8頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三影響固定床壓力降的因素流體流體的密度流體的粘度流體的質(zhì)量流率床層床層的高度床層的空隙率流通截面積顆粒顆粒的形狀顆粒的粒度顆粒的表面粗糙度顆粒的物理特性第9頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三床層壓降計算例：在內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)裝有4m高的催化劑層，催化劑的粒度分布如下表。催化劑為球體，空隙率B＝0.44。在反應(yīng)條件下的氣體密度=2.46kg/m3，粘度=2.310-5kg/(ms)，氣體的質(zhì)量流速G=6.2kg/(m2s)。求床層壓降。粒度ds/mm3.404.606.90質(zhì)量分率w0.600.250.15第10頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三第11頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三第12頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三1.固定床中的傳熱傳熱包括：粒內(nèi)傳熱，顆粒與流體間的傳熱(給熱系數(shù)hp)，床層與器壁的傳熱(給熱系數(shù)hw).以床層的平均溫度與管壁溫差為推動力-----總給熱系數(shù)hc有效導(dǎo)熱系數(shù)λe軸向λes徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)λer=λe0+(λer)t第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程傳熱方式：導(dǎo)熱、對流傳熱、熱輻射。傳熱途徑：粒內(nèi)傳熱、顆粒與流體間傳熱、床層與器壁間傳熱。第13頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三固定床的徑向傳熱方式床層空隙內(nèi)部流體的傳熱顆粒之間通過接觸的傳熱顆粒表面附近流體中的傳熱空隙內(nèi)部流體的輻射傳熱流體混合所引起的徑向?qū)α鱾鳠犷w粒表面之間的熱輻射傳熱第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第14頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三一、顆粒與流體間傳熱系數(shù)1、傳熱因子適用范圍顆粒與流體間的傳（給）熱系數(shù)hpdp可用dv代注意：在參考其他教材時，給熱系數(shù)多以α表示。第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第15頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三計算傳熱系數(shù)的經(jīng)驗公式有很多，可從有關(guān)文獻或工具書中查取。應(yīng)用時要注意公式規(guī)定的特性尺寸、特性溫度和適用范圍。第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第16頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三式中：

——單位重量催化劑的外表面積

——床層比表面積Se的校正系數(shù)

——主體、外表面溫度2、流體與顆粒間傳熱溫差的計算熱量平衡第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第17頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三上式可整理成其中，傳熱量普蘭特數(shù)根據(jù)6-12的關(guān)聯(lián)圖，查圖可求得不同條件下的Δt。第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第18頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三圖6-12固定床中流體與顆粒外表面溫差Δt0rAΔHr△t↑G↓時△t↑第19頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三λe是針對擬均相模型提出的綜合性傳熱參數(shù)，一般是指徑向熱導(dǎo)率λer二、固定床的有效熱導(dǎo)率有效導(dǎo)熱系數(shù)λe軸向有效導(dǎo)熱系數(shù)λes徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)

λer=λe0+(λer)t第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第20頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三式中，

λ——流體的熱導(dǎo)率

——流體靜止時床層的熱導(dǎo)率α——徑向與軸向傳質(zhì)速率之比β——顆粒間距與粒徑比的影響值可由圖6-14查取。αβ粒徑/管徑圖

求有效熱導(dǎo)率λe第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第21頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三

包含床層空隙和顆粒對傳熱的貢獻，由下式計算式中，——分別表示顆粒與流體的熱導(dǎo)率；

——床層的平均溫度；

——空隙的輻射給熱系數(shù)；——顆粒的輻射給熱系數(shù)；——顆粒接觸點處流體薄膜對導(dǎo)熱的影響。第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第22頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三床層空隙的輻射給熱系數(shù)：hrv式中，——粒子表面的熱輻射率；

——床層的平均溫度；

——空隙的輻射給熱系數(shù)；第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第23頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三顆粒的輻射給熱系數(shù)：——顆粒接觸點處流體薄膜對導(dǎo)熱的影響。由圖6-15查取。式中，——粒子表面的熱輻射率；

——床層的平均溫度；

——顆粒輻射給熱系數(shù)；第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第24頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三由圖6-15查取。圖6-15求所用的值第25頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三當顆粒直徑甚小，床層溫度不是很高，以及含有液體時，空隙和顆粒的輻射傳熱可忽略，床層空隙和顆粒對傳熱的貢獻可簡化為：第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第26頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三小結(jié)：固定床的優(yōu)缺點固定床的分類基本概念顆粒直徑的表示方法顆粒的形狀系數(shù)混合顆粒的平均直徑床層空隙率床層比表面積床層當量直徑固定床的徑向流速分布床層壓降厄根(Ergun)方程修正雷諾數(shù)影響固定床壓力降的因素固定床中的傳熱顆粒與流體間傳熱系數(shù)第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第27頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三三、床層與器壁間的給熱系數(shù)h0

一維模型中，床層與器壁間傳熱速率為

h0可由經(jīng)驗公式計算式中，y——無量綱數(shù)（適用范圍：y>0.2）：床層平均溫度;：器壁溫度;第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第28頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三b——無量綱數(shù)均為無量綱的b的函數(shù)hW——壁面處對流給熱系數(shù)；第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第29頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三適用范圍：由圖6-16查得。第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第30頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三圖6-16求h0例如：當b＝12.98時，分別對應(yīng)5.02和0.25b第31頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三由于催化劑表面存在滯流邊界層，氣流主體濃度與催化劑顆粒表面濃度存在差異。在滯流層內(nèi)有濃度差，必然存在擴散。一、顆粒與流體間的傳質(zhì)系數(shù)單位體積（或質(zhì)量）催化劑上關(guān)鍵組分A的傳質(zhì)速率第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程距離0CACAgCASCACRp第32頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三整個傳質(zhì)方程的核心，總包了各種條件對傳質(zhì)的影響。由實驗關(guān)聯(lián)式計算。關(guān)聯(lián)式之一：傳質(zhì)因子：JD實驗關(guān)聯(lián)式：：氣相密度;：氣體質(zhì)量流率;：氣相粘度;：氣相分子擴散系數(shù);JD是雷諾數(shù)的函數(shù)第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程Sc為施密特準數(shù)第33頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三um

：平均流速(空床氣速)；ρg、μg：氣體的密度和粘度；ds

：比表面當量直徑。當修正雷諾數(shù)在：Sc為施密特準數(shù)第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程比表面當量直徑：單顆催化劑的外表面積折合成直徑為dS的球形顆粒應(yīng)有的外表面積。第34頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三傳質(zhì)對反應(yīng)的影響達姆科勒數(shù)第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程η為外部效率因子，或稱外部有效因子，它是Dɑ的函數(shù)，反映界面反應(yīng)物濃度降低對反應(yīng)速率的影響程度第35頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三Da為反應(yīng)速率與擴散速率的比值，反映了體系中外擴散的影響程度。數(shù)值越大，或反應(yīng)速率越快，外擴散的影響就越大。對一級反應(yīng)第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第36頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第37頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三特殊情況：反應(yīng)速率常數(shù)k比傳質(zhì)系數(shù)kg大得多，則顆粒外表面處A的濃度為零，屬外擴散控制。反應(yīng)速率常數(shù)k比傳質(zhì)系數(shù)kg小得多，則顆粒外表面處A的濃度與氣相主體濃度相等，屬內(nèi)擴散或動力學(xué)控制，外擴散可不予考慮。第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第38頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三傳熱因子傳質(zhì)因子：氣相密度：氣體質(zhì)量流率：氣相粘度：氣相分子擴散系數(shù)JD是雷諾數(shù)的函數(shù)施密特準數(shù)第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第39頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三由傳質(zhì)和傳熱的類比原理有上式在缺少數(shù)據(jù)時用來推算數(shù)據(jù)十分有用.無論是傳質(zhì)或是傳熱系數(shù),增加質(zhì)量速率G都可以加快流體和催化劑外表面間的傳遞速率,但相應(yīng)的床層壓降也增加.外擴散速率,內(nèi)擴散速率,表面反應(yīng)速率的相對大小是決定反應(yīng)控制步驟的關(guān)鍵.第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第40頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三外擴散過程對表面溫度的影響由傳質(zhì)計算可得：第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第41頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三兩式相等可得：第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第42頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三上式將流固相的溫度差與濃度差聯(lián)系起來了。進一步簡化，前面有：極為相似。JHJD相除第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第43頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第44頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三據(jù)實驗得：第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第45頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三例：苯加氫反應(yīng)器在1013.3kPa下操作，氣體質(zhì)量速度G=3000kg.m-2h-1，催化劑為Φ8×9mm圓柱體，顆粒密度ρP=0.9g.cm-3，床層堆積密度ρB=0.6g.cm-3，在反應(yīng)器某處氣體溫度為220℃，氣體組成為10％苯，80％氫，5％環(huán)己烷和5％甲烷(體積分率)，測得該處宏觀反應(yīng)速率(-rA)=0.015mol.h-1g-1(cat)

。估算該處催化劑的外表面濃度。已知：氣體粘度μ=1.4×10-4g.cm-1s-1，綜合擴散系數(shù)D=0.267cm2s-1。第三節(jié)

固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程第46頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三解：（1）計算催化劑的粒徑dS。第47頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三（2）計算床層中氣體的修正雷諾數(shù)。第48頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三（3）計算JD和kg值。第49頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三（4）計算cAG和cAS第50頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三習題：試計算例題中催化劑的外表面處溫度。已知反應(yīng)熱為(-ΔH)=2.135×105J·mol-1，氣體的定壓比熱容cP=49J·mol-1K-1。第51頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三小結(jié)：顆粒與流體間的傳（給）熱系數(shù)hp傳熱因子JH流體與顆粒間傳熱溫差的計算固定床的有效熱導(dǎo)率床層與器壁間的給熱系數(shù)h0傳質(zhì)因子JD第52頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三6-3催化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型1，非均相擬均相2，一維模型二維模型3，理想流動非理想流動擬均相適用情況：1，化學(xué)動力學(xué)控制

2，活性較正系數(shù)（無宏觀動力學(xué)資料）一維二維：軸向濃度差、溫度差；軸徑向濃度差、溫度差理想流動：不考慮返混（PFR）；非理想流動：考慮返混（擴散）第53頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三6-3催化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型維數(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？無返混？）的不同情況，可以建立八種（）不同的數(shù)學(xué)模型第54頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三表5－1催化反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型分類一維模型A類：

擬均相模型B類：

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＋軸向返混第55頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三6.3.1等溫反應(yīng)器的計算

無徑向床壁傳熱，可做平推流處理，只在軸向上有溫度和濃度的變化，而在與流向垂直的截面上（徑向）是等溫等濃度。6.3擬均相一維模型第56頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三6.3擬均相一維模型6.3.2單層絕熱床的計算

第57頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三6.3擬均相一維模型第58頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三6.3擬均相一維模型第59頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三《化學(xué)反應(yīng)工程》6.3.3多層絕熱床的計算（了解，自學(xué)）

多層絕熱床每一層的計算方法與以前介紹的相同，只是在層間加以中間冷卻（或加熱）改變了溫度和濃度，根據(jù)層間進行調(diào)節(jié)，進行物料和熱量衡算。6.3擬均相一維模型第60頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三《化學(xué)反應(yīng)工程》6.3.4多層床的最優(yōu)化問題（了解，自學(xué)）

對于可逆放熱反應(yīng)，要使r盡可能保持最大，必須隨轉(zhuǎn)化率的增高，按溫度曲線相應(yīng)降低溫度要使床層溫度盡可能接近最優(yōu)分布，以便使催化劑用量盡可能的少，就必須有盡可能多的層數(shù)，但層數(shù)越多，效果越微，很少超過四層。6.3擬均相一維模型第61頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三《化學(xué)反應(yīng)工程》圖自己換熱式反應(yīng)器熱平衡圖6.3.5自己換熱式反應(yīng)器的設(shè)計方法（了解，自學(xué)）

6.3擬均相一維模型第62頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三《化學(xué)反應(yīng)工程》對于單一反應(yīng)，以反應(yīng)產(chǎn)物j為著眼組分，物料平衡式：床層內(nèi)熱量衡算：預(yù)熱管內(nèi)熱量衡算：)())((2111'1TTUASHrdtdTncSLjBop--D-=r)(212'2TTUAdldTncSLop-=-氣體總的摩爾流量單位床層截面為基準的----'ondlrdZnjBjo)('r=6.3擬均相一維模型第63頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三《化學(xué)反應(yīng)工程》6.4擬均相二維模型6.4.1模型方程（了解，自學(xué)）

絕大多數(shù)固定床反應(yīng)器呈圓柱形結(jié)構(gòu)，空間變量分為徑向和軸向，描述這兩方向上的濃度和溫度變化用偏微分方程。第64頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三《化學(xué)反應(yīng)工程》6.4.2模型方程的解法（了解，自學(xué)）

（1）顯示差分法（2）隱式差分法6.4擬均相二維模型第65頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三6.2絕熱氣固反應(yīng)器（了解，自學(xué)）

定義絕熱反應(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)器中進行，則氣流的溫度將會沿著反應(yīng)器的長度降低。第66頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三一維塞流模型

絕熱氣體反應(yīng)器最簡單的模型是一維塞流模型,為了適應(yīng)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(絕熱條件)?！ねㄟ^固定床催化劑床的流動應(yīng)該是在床層內(nèi)任何一點反應(yīng)物流的線速度都是相同的?！げ粦?yīng)有軸向擴散。不應(yīng)有徑向擴散。

第67頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三一維模型絕熱固定床氣體反應(yīng)器的設(shè)計

Fyodx=rvdV=rvAcdzFyodx(-?H)=∑miCpidT式中,(-?H)——整個反應(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)的摩爾流量，

kmo1／s；

Cpi——每一種反應(yīng)物的克分子熱容量，kmol／(kmo1.K)。

第68頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三設(shè)計用于放熱反應(yīng)的固定床氣體反應(yīng)器

對絕熱反應(yīng)器的限制是由限定的出口溫度t最大決定的。如果達到t最大標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重結(jié)垢開始出現(xiàn)。如末達到所要求的轉(zhuǎn)化率x，溫度就已上升到限制溫度，此時，可采用幾個方法中的一個在溫度不超過t最大的情況下來提高x使其達到所要求的值。方法1(1)把催化劑體積分成兩個或兩個以上的床層，以便使每一床層都達到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

第69頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三方法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)朝著所要求的方向進行的優(yōu)點。第70頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三方法3

第三個方法是一種老的德國分段急冷的技術(shù)，雖然目前仍在使用，但其缺點是波動很大，且難于設(shè)計。第71頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三方法4第四個方法是在反應(yīng)器進料中加入一種惰性氣或一種過量的反應(yīng)物，其作用好象一個受熱器一樣，吸收大部分放出的熱量，這樣，對給定的轉(zhuǎn)化率而言，就減小了溫升。和其他方法相比，此法有一嚴重缺點，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。第四個方法派生出來的一個方法是加入一種惰性液體，它在反應(yīng)器的通常壓力下，其沸點接近反應(yīng)溫度，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。此方法的缺點是需要的反應(yīng)器大而貴。第72頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三如果沒有一個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)進行：

流化床反應(yīng)器；

帶有一種惰性液體的氣-液相反應(yīng)器非恒溫非絕熱固定床氣體反應(yīng)器第73頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三絕熱固定床氣體反應(yīng)器設(shè)計實例：

甲苯加氫脫烷基反應(yīng)器的設(shè)計

反應(yīng)速率方程為：rv=-dCA/dθ=kCACB0.5=Aexp(-E/RGT)CACB0.5

式中,CA——甲苯濃度，kmo1／m3；

CB——氫濃度，kmo1／m3；

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148114kJ／kmo1；?H—-49974kJ／kmo1轉(zhuǎn)化的甲苯；

θ—停留時間，s。第74頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)表的活化能數(shù)值為35.4kcal／g.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=5．73xl06，反應(yīng)器入口的反應(yīng)溫度假定為To＝600℃十273．2＝873.2K，反應(yīng)器壓力可從35到70絕對大氣壓，假定約50絕對大氣壓或50bar。根據(jù)芳烴加氫的一般經(jīng)驗，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：Cp＝0.03535T十124.85進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。第75頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三每一反應(yīng)物或產(chǎn)物的摩爾分數(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

摩爾分數(shù)：Fyo(1+5+5／9)+急冷量，或6.5555Fyo+急冷量每一組分的摩爾分數(shù)為：甲苯：y1＝Fyo(1-x)／(6.5555Fyo+急冷量)＝y(tǒng)A苯：y2＝Fyox／(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(5／9+x)+0.1急冷量)／(6.5555Fyo+急冷量)濃度項可寫成：C=N/V=Np/(NRG*T)=p/(RG*T)因為:p=Py

所以：C=yP/(RG*T)第76頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三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+急冷量))若把這些CA和CB項代入式(6-32)，則：

rv=-dCA/dθ=kCACB0.5=Aexp(-E/RGT)(P／(RG*T(6.5555Fyo+急冷量)))1.5Fyo(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

第77頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三現(xiàn)在計算每一床層(除最后床層外)末端處的急冷量:急冷量=∑miCpi(T-To)/(Cpi急冷(T-298.2))Cpi急冷

=0.9x20.786+0.1x66.413=25.349kJ/KmolK

利用Ergun方程計算壓降:在Ergun方程中，G為質(zhì)量流率．其單位為kg／(sm2)以空塔為基礎(chǔ)的空塔流速um的方程為:第78頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三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2rp＝3mm，則dp＝0.003m。反應(yīng)混合物的粘度μ可用以下的關(guān)系式從各個反應(yīng)物的粘度μ1，μ2，μ3，μ4計算出來．此方程是：第79頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三ij項可以是12、13、14、21、23、24、31、32、34．41、42、43，Mi和Mj是各組分的分子量。第80頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三假定內(nèi)徑為2mdT/dz=(dx/dz)Fyo(-?H)/(∑miCpi)

dx/dz=AcAexp(-/RGT)(P/RG*T(6.5555Fyo+急冷量))1.5(1-x)(Fyo(5-x)+0.9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z。電算結(jié)果如表6-1所示：

第81頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三第82頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三6.4多段間接換熱式催化反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計

（要求：了解即可）

確定了多段間接換熱式催化反應(yīng)器的段數(shù)、進口氣體組成、最終轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)能力等。多段間接換熱式絕熱催化反應(yīng)器的設(shè)計是一個確定各段始末溫度、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。

1．催化床出口溫度不受催化劑耐熱溫度限制時的優(yōu)化設(shè)計第83頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三目標函數(shù)VRT具有極小值的必要條件如下：

式中，xA，ii段的出口轉(zhuǎn)化率，即i+1段的入口轉(zhuǎn)化率。

Ti

i段的入口溫度

整理后得：第84頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三又因為：上式（6-42）可變?yōu)椋?-24上一段出口處的反應(yīng)速率與下一段入口處反應(yīng)速率之絕對值相等

第85頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三各段進口溫度Ti下，

又因為：

所以：即，第86頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三用圖示的形式表示：

又可變?yōu)椋瑘D6-14方程式（6-45）用圖示的形式表示當xA軸上方的陰影由積與下方的陰影面積相等時，即為符合式(6-45)的xAi值。第87頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三設(shè)計思路：(1)根據(jù)反應(yīng)氣體混合物的初始組成，催化劑動力學(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，T=To+Λ（XA-XAO）其中，Λ=NTOyAO（-△HR）/NTCP求解出第一段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA1，T1。第88頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三（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。

(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)檢查計算結(jié)果與平衡線及最佳溫度線的關(guān)系。

第89頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三2.催化劑有起始活性溫度限制

設(shè)計思路:

(1)據(jù)反應(yīng)氣體混合物的初始組成，催化劑動力學(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)絕熱溫升線可計算第一段的出口溫度T1。T=To+Λ（XA-XAO）（6-47）其中，Λ=NTOyAO（-△HR）/NT2CP

第90頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三(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）和絕熱溫升線（6-47）

第91頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三（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）檢查計算結(jié)果與平衡線及最佳溫度線的關(guān)系。

T=To+Λ（XA2-XA1）（6-47）其中，Λ=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Tmax限制設(shè)計思路：（1）反應(yīng)氣體混合物的初始組成，催化劑動力學(xué)參數(shù)，作過程的平衡曲線與最佳溫度曲線。第92頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三（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）T=To+Λ（XA-XAO）（6-47）其中，Λ=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。亦可由第93頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三與T=To+Λ（XA-XAO）（6-47）

計算出XA1。（3）根據(jù)式（6-43）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）檢查計算結(jié)果與平衡線及最佳溫度線的關(guān)系。第94頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三4．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/dτo=kT（1+yNH3）2[Kf2fH21.5fN2/fNH3–fNH3/fH21.5]解：（1）不受催化劑溫度限制的影響時，a.TO1=340℃,初始組成已經(jīng)確定，由下式，T=To+Λ（XA-XAO）（6-47）其中，Λ=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=11.7367m3

第95頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三b.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=371.7℃。

c.再由T=To+Λ（XA2-XA1）（6-47）其中，Λ=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=28.2155m3

第96頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三（2）受催化劑溫度限制的影響時，

a.第一段出口溫度T1計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+Λ（XA-XAO）計算出XA1。T1=510℃,yNH3,1=0.1432,VR1=10.2508m3b.由第97頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三即，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T=To+Λ（XA2-XA1）（6-47）其中，Λ=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=30.6867m3

第98頁，共108頁，2023年，2月20日，星期三6.5連續(xù)