催化反應(yīng)工程華東理工大學(xué)催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)概論學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng)華東理工大學(xué)華東理工大學(xué)催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)概論催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)概論第一頁(yè)，共26頁(yè)。催化反應(yīng)器：產(chǎn)量催化反應(yīng)器：產(chǎn)量(chnling)已定已定基本問(wèn)題：放熱反應(yīng)移熱；吸熱反應(yīng)基本問(wèn)題：放熱反應(yīng)移熱；吸熱反應(yīng)供熱供熱 以移熱為例：換熱方式，催化床是絕熱的，段以移熱為例：換熱方式，催化床是絕熱的，段間換熱；間換熱； 內(nèi)冷自熱式內(nèi)冷自熱式 催化床中插入催化床中插入(ch r)冷管冷管 催化劑裝在管內(nèi)催化劑裝在管內(nèi)可逆放熱反應(yīng)的平衡可逆放熱反應(yīng)的平衡催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng)接近平衡推動(dòng)力減小催化床體積增大接近平衡推動(dòng)力減小催化床體積增大第1

2、頁(yè)/共25頁(yè)第二頁(yè)，共26頁(yè)。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)，徑向軸向流動(dòng)，徑向(jn xin)流動(dòng)，軸徑向流動(dòng)，軸徑向(jn xin)流動(dòng)流動(dòng)流體分布流體分布 還有材質(zhì)，直徑，反應(yīng)器制造，運(yùn)輸還有材質(zhì)，直徑，反應(yīng)器制造，運(yùn)輸催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng)第2頁(yè)/共25頁(yè)第三頁(yè)，共26頁(yè)。一一 合成氨工業(yè)合成氨工業(yè)(gngy)中的催化反應(yīng)器中的催化反應(yīng)器Topse s-200型氨合成器型氨合成器看設(shè)備圖各主要看設(shè)備圖各主要(zhyo)部分氣體流動(dòng)催化劑裝部分氣體流動(dòng)催化劑裝卸熱膨脹卸熱膨脹高溫高壓設(shè)備高溫高壓設(shè)備(sh

3、bi)耐溫不受壓，耐壓不耐溫不受壓，耐壓不受高溫受高溫二二 煉油工業(yè)中的催化反應(yīng)器煉油工業(yè)中的催化反應(yīng)器催化裂化反應(yīng)器催化裂化反應(yīng)器催化重整反應(yīng)器催化重整反應(yīng)器加氫裂化反應(yīng)器加氫裂化反應(yīng)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)化催化反應(yīng)器秒，催化劑結(jié)焦失活，流態(tài)化催化反應(yīng)器反應(yīng)器再生器反應(yīng)器再生器催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程第3頁(yè)/共25頁(yè)第四頁(yè)，共26頁(yè)。催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng)第4頁(yè)/共25頁(yè)第五頁(yè)，共26頁(yè)。催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng)第5頁(yè)/共25頁(yè)第六頁(yè)，共26頁(yè)。流態(tài)化技術(shù)流態(tài)化技

4、術(shù)(jsh)氣體分布顆粒氣體分布顆粒(kl)的流動(dòng)特性特征的流動(dòng)特性特征流速流速床層的膨脹床層的膨脹(png zhng)與壓降氣泡行為乳相與壓降氣泡行為乳相行為行為流化床的熱流化床的熱、質(zhì)傳遞顆粒夾帶與分離數(shù)學(xué)模型質(zhì)傳遞顆粒夾帶與分離數(shù)學(xué)模型催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程第6頁(yè)/共25頁(yè)第七頁(yè)，共26頁(yè)。催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng)第7頁(yè)/共25頁(yè)第八頁(yè)，共26頁(yè)。催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng)第8頁(yè)/共25頁(yè)第九頁(yè)，共26頁(yè)。催化反應(yīng)工催化反應(yīng)工程程(gngchng)第9頁(yè)/共25頁(yè)第十頁(yè)，共26頁(yè)。三三 基本基本(jbn)有機(jī)化工中的催化反應(yīng)有機(jī)化工中的催化反應(yīng)器器平行

5、平行 連串連串(lin chun) 平行連串平行連串(lin chun)反應(yīng)系統(tǒng)反應(yīng)系統(tǒng)反應(yīng)器進(jìn)口氣體反應(yīng)器進(jìn)口氣體(qt)組成，操作壓力，操作溫度，產(chǎn)量組成，操作壓力，操作溫度，產(chǎn)量溫度溫度深度氧化的副反應(yīng)，活化能大于主反應(yīng)，反應(yīng)熱大于主反應(yīng)的；深度氧化的副反應(yīng)，活化能大于主反應(yīng)，反應(yīng)熱大于主反應(yīng)的；降低溫度有利，若溫度高，副反應(yīng)加劇，飛溫，可能燒壞降低溫度有利，若溫度高，副反應(yīng)加劇，飛溫，可能燒壞催化劑，反應(yīng)器催化劑，反應(yīng)器平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系若在某一溫度下，平衡常數(shù)小，可提高操作壓力若在某一溫度下，平衡常數(shù)小，可提高操作壓力移熱問(wèn)題移熱問(wèn)題反應(yīng)速率與活性溫度反應(yīng)速率與

6、活性溫度催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程第10頁(yè)/共25頁(yè)第十一頁(yè)，共26頁(yè)。 一 基礎(chǔ)(jch)數(shù)學(xué)模型1 一維擬均相理想(lxing)置換模型 2 2 一維非均相理想置換一維非均相理想置換(zhhun)(zhhun)模型模型 321fdldpfdldTfdldypTyl, 0dldygdldTgggTyl, 0催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程SAgAegSASCCSkr,gSeSRSASTTSHr,第二節(jié)第二節(jié) 催化反應(yīng)器基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型催化反應(yīng)器基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型第11頁(yè)/共25頁(yè)第十二頁(yè)，共26頁(yè)。“非均相非均相”與與“擬均相擬均相”模型模型(mxng)4非均相非均相4考慮氣流主體與催化劑顆粒外表面之間的溫度差

7、和濃考慮氣流主體與催化劑顆粒外表面之間的溫度差和濃度差，催化劑顆粒內(nèi)部濃度差和溫度差，傳遞過(guò)程隊(duì)度差，催化劑顆粒內(nèi)部濃度差和溫度差，傳遞過(guò)程隊(duì)反應(yīng)速率的影響計(jì)入模型，則稱(chēng)為反應(yīng)速率的影響計(jì)入模型，則稱(chēng)為(chn wi)非均相非均相模型。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)化概括催化劑粒內(nèi)和來(lái)簡(jiǎn)化概括催化劑粒內(nèi)和催化劑外表面與氣相間的熱、質(zhì)傳遞過(guò)程和催化劑失催化劑外表面與氣相間的熱、質(zhì)傳遞過(guò)程和催化劑失活等因素對(duì)反應(yīng)速率的影響，即活等因素對(duì)反應(yīng)速率的影響，即“擬均相擬均相”模型。模型。催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng)第12頁(yè)/共25頁(yè)第十三頁(yè)，共26頁(yè)

8、。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(mxng)(mxng) eeD有效導(dǎo)熱系數(shù)綜合擴(kuò)散系數(shù),方程床層壓力降采用Ergan32175.1Re150sfmdGdldp11ReGdsm催化反應(yīng)工催化反應(yīng)工程程(gngchng)組變化的二階偏微分方程、徑向隨軸向、溫度組成rlTy第13頁(yè)/共25頁(yè)第十四頁(yè)，共26頁(yè)。二二 基本基本(jbn)計(jì)算計(jì)算方程方程 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RAARAA

9、AAdVdNrdVrdNNN如：傳熱或移熱絕熱00,0babaARbpbTdQdQdNHdTCN催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng)SAisRAAcfskdVdNr,非均相第14頁(yè)/共25頁(yè)第十五頁(yè)，共26頁(yè)。 催化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型催化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型實(shí)例實(shí)例 上海焦化上海焦化(jiohu)有限公司年產(chǎn)有限公司年產(chǎn)20萬(wàn)噸甲醇合成反萬(wàn)噸甲醇合成反應(yīng)器應(yīng)器 反應(yīng)器內(nèi)徑反應(yīng)器內(nèi)徑4m,反應(yīng)管數(shù)反應(yīng)管數(shù)6705根，催化劑根，催化劑44m3 91年年 三聯(lián)供立項(xiàng)三聯(lián)供立項(xiàng) 92年年 甲醇合成反應(yīng)器宏觀動(dòng)力學(xué)研究，反應(yīng)器模擬設(shè)計(jì)甲醇合成反應(yīng)器宏觀動(dòng)力學(xué)研究，反應(yīng)器模擬設(shè)計(jì) 94年年 南化機(jī)反應(yīng)器制

10、造完成，從長(zhǎng)江浮運(yùn)到黃浦江南化機(jī)反應(yīng)器制造完成，從長(zhǎng)江浮運(yùn)到黃浦江 95年年 開(kāi)車(chē)成功開(kāi)車(chē)成功催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng)第15頁(yè)/共25頁(yè)第十六頁(yè)，共26頁(yè)。兗礦魯南化工公司兗礦魯南化工公司(n s)年產(chǎn)年產(chǎn)10萬(wàn)噸甲醇裝置萬(wàn)噸甲醇裝置1995年年 籌建籌建(chujin)1998年年3月月 華東理工大學(xué)提交反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)華東理工大學(xué)提交反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)1999年年 反應(yīng)器制造完成反應(yīng)器制造完成2000年初年初 安裝安裝2000年年5月月 投產(chǎn)成功，產(chǎn)品達(dá)到美國(guó)投產(chǎn)成功，產(chǎn)品達(dá)到美國(guó)US AA級(jí)級(jí) 甲醇標(biāo)準(zhǔn)甲醇標(biāo)準(zhǔn)催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng)OHCOHCOOHOHC

11、HHCOOHCHHCO22223223232第16頁(yè)/共25頁(yè)第十七頁(yè)，共26頁(yè)。反應(yīng)器模擬設(shè)計(jì)必須具備反應(yīng)器模擬設(shè)計(jì)必須具備(jbi)的條件的條件1 1 反應(yīng)過(guò)程：反應(yīng)物系、催化劑、操作反應(yīng)過(guò)程：反應(yīng)物系、催化劑、操作(cozu)(cozu)條件、轉(zhuǎn)化率、選條件、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率擇性、收率2 熱力學(xué)：熱力學(xué)： 物性參數(shù)、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、狀態(tài)方程物性參數(shù)、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、狀態(tài)方程、平衡、平衡(pnghng) 常數(shù)、逸度系數(shù)、反應(yīng)熱常數(shù)、逸度系數(shù)、反應(yīng)熱 3 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：反應(yīng)動(dòng)力學(xué)： 4 質(zhì)量、熱量傳遞過(guò)程：質(zhì)量、熱量傳遞過(guò)程：cswbbfsgrRkkD111,催化反應(yīng)工

12、催化反應(yīng)工程程dWdNrdWdNrdWdNrmmCOCOCOCO22第17頁(yè)/共25頁(yè)第十八頁(yè)，共26頁(yè)。 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催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng)第三節(jié)第三節(jié) 催化反應(yīng)器的操作催化反應(yīng)器的操作(cozu)參數(shù)參數(shù)1、反應(yīng)、反應(yīng)(fnyng)溫度溫度第18頁(yè)/共25頁(yè)第十九頁(yè)，共26頁(yè)。 一級(jí)不可逆連串反應(yīng)3選擇性選擇性TTAAAEE32121催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng)第19頁(yè)/共25頁(yè)

13、第二十頁(yè)，共26頁(yè)。2. 2. 操作操作(cozu)(cozu)壓力壓力3. 反應(yīng)物的初始組成反應(yīng)物的初始組成(z chn)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)增加的反應(yīng)，PpVrdRAs,pds，可適當(dāng)若化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制，催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng)第20頁(yè)/共25頁(yè)第二十一頁(yè)，共26頁(yè)。 DME甲醚甲醇?xì)庀啻呋撍贫齇HOCHOHCH223320TTNN 等摩爾反應(yīng)，2,mDmmrrdWdNr1 絕熱反應(yīng)器dlAdyNdWyNddWdNrbDTpTDD0dlDTTKdNHdTCNRsbbsDRbpbTORDTbDCrNA

14、dldy0dldyCHdldTDpbRbinbDTTyl,0,0催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng)第21頁(yè)/共25頁(yè)第二十二頁(yè)，共26頁(yè)。催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng)單管逆流(nli)反應(yīng)器管殼型反應(yīng)器第22頁(yè)/共25頁(yè)第二十三頁(yè)，共26頁(yè)。 單管逆流反應(yīng)器2dlTTDmKdNHdTCNabatbaDRbpbTdlTTDmKdTCNabatbaapaTORDTbDcrNAdldy0微分方程組為lossTTCNDmKdldyCHdldTabpbTatbaDpbRb0abpaTatbaaTTCNDmKdldT0未知0,0,0, 0, 0bbabbDTTTTTyl催化反應(yīng)工程催

15、化反應(yīng)工程(gngchng)第23頁(yè)/共25頁(yè)第二十四頁(yè)，共26頁(yè)。 管殼型反應(yīng)器3ORDTbDcrNAdldy0fbpbTatbfDpbRbTTCNDmKdldyCHdldT0inbDTTyl,0,0催化反應(yīng)工程催化反應(yīng)工程(gngchng) 作業(yè)作業(yè)(zuy)(zuy)（習(xí)題（習(xí)題1 1）反應(yīng)為甲醇脫水生成二甲醚的OHOCHOHCH22332可由下式計(jì)算平衡常數(shù)pK310263101606. 5108736. 11035267. 2ln83593. 071.32043932. 9lnTTTTTKp。、平衡轉(zhuǎn)化率的平衡常數(shù)間隔到算當(dāng)原料為純甲醇時(shí)，計(jì)eqxpKCCC10300200第24頁(yè)/共25頁(yè)第二十五