A0202-乙苯脫氫反應器的計算第五組

1、A0202 乙苯脫氫反應器的工藝計算組員：林長耀 王軍 曹潤虎 徐健 黃逸 邵丹一、催化劑的基礎知識1、催化劑的定義在化學反應中能改變反應速度而本身的組成和重量在反應前后保持不變的物質(zhì)叫催化劑。 n根據(jù)IUPAC（國際純粹與應用化學聯(lián)合會）于1981年提出的定義，催化劑是一種物質(zhì)，它能加速化學反應的速率而不改變反應的標準自由焓的變化，這種作用稱為催化作用。2、催化劑的特征1）催化作用改變了化學反應的途徑。在反應終了，相對于始態(tài)，催化劑雖然不發(fā)生變化，但卻參與了反應，例如形成了活化吸附態(tài)，中間產(chǎn)物等，因而使反應所需的活化能降低。2）催化作用不能改變化學平衡狀態(tài)，但卻能縮短了達到平衡的時間，在可逆

2、反應中能以同樣的倍率提高正逆反應的速度。催化劑只能加速在熱力學上可能發(fā)生的反應，而不能加速熱力學上不可能發(fā)生的反應。3）催化作用的選擇性。催化劑可使相同的反應物朝不同的方向反應生成不同的產(chǎn)物，但一種催化劑在一定條件下只能加速一種反應。例如一氧化碳和氫氣分別使用銅和鎳兩種催化劑，在相應的條件下分別生成甲醇和甲烷+水。2，催化劑的組成與功能1）活性組分（或主催化劑）：是催化劑的主份成分，是起催化作用的根本性物質(zhì)。沒有活性組分就不存在催化作用?；钚越M分有時由一種物質(zhì)組成，有時則由多種物質(zhì)組成2）助催化劑：一些本身對某一反映沒有活性或活性很小，但添加少量于催化劑之中（一般小于催化劑總量的10%）卻能使

3、催化劑具有所期望的活性、選擇性或穩(wěn)定性的物質(zhì)，稱為助催化劑3）載體：載體是固體催化劑所特有的組分。它可以起增大表面積、提高耐熱性和機械強度的作用有時還能多少擔當助催化劑的角色。4）抑制劑：如果在活性組分中加入少量的物質(zhì)，便能使活性組分的催化活性適當降低，甚至在必要時大幅度地下降，則這樣的少量物質(zhì)稱為抑制劑。抑制劑的作用正好與助催化劑的作用相反3、催化劑性能與標志1)活性：催化劑的活性是指催化劑改變反應速率的能力，即加快反應速率的程度a、比活性：大多數(shù)情況下，催化劑的表面積越大，催化活性越高，因此，可用單位表面積上的反應速率即比活性來表示活性大小。b、轉(zhuǎn)化率：用轉(zhuǎn)化率表示催化劑的活性，是在一定反

4、應時間、反應溫度和反應物料配比的條件下進行比較的c、空時收率：空時收率是指單位時間內(nèi)單位催化劑（單位體積或單位質(zhì)量）上生成目標產(chǎn)物的數(shù)量，常表示為：目的產(chǎn)物千克數(shù)/立方米（或千克）催化劑*小時這個量直接給出生產(chǎn)力。n2）選擇性:催化劑的選擇性是指催化劑促使反應向所要求的方向進行而得到目的產(chǎn)物的能力。%100量參加反應所消耗的原料料量生成的產(chǎn)物所消耗的原選擇性3）使用壽命使用壽命：指催化劑在反應條件下具有活性的使用時間，或活性下降經(jīng)再生而有恢復的累計使用時間壽命曲線三個時間段成熟期穩(wěn)定期衰老期4）機械強度及穩(wěn)定性5）其它物理性狀形狀與尺寸比表面積孔容積率孔徑分布孔隙率空隙率真密度堆積密度2、氣固

5、相反應宏觀過程1、反應組分從流體主體向固體催化劑外表面?zhèn)鬟f（外擴散過程）2、反應組分在催化劑表面的活性中心吸附（內(nèi)擴散過程）3、反應組分在催化劑表面的活性中心吸附（吸附過程）4、在催化劑表面上進行化學反應（表面反應過程）5、反應物在催化劑表面上脫附（脫附過程）6、反應物從催化劑內(nèi)表面向外表面擴散（內(nèi)擴散過程）7、反應產(chǎn)物從催化劑外表面向流體主體傳遞（外擴散過程）外擴散外擴散內(nèi)擴散內(nèi)擴散吸附吸附表面反應表面反應脫附脫附內(nèi)擴散內(nèi)擴散外擴散外擴散3、固定床反應器內(nèi)的流體流動對于非球形顆粒，通常有以下三種相當直徑：對于非球形顆粒，通常有以下三種相當直徑：（1）體積相當直徑）體積相當直徑dv，即采用體積

6、相同的球形顆粒直徑來表，即采用體積相同的球形顆粒直徑來表 示非球形顆粒直徑。示非球形顆粒直徑。 （2）面積相當直徑）面積相當直徑da，即采用外表面積相同的球形顆粒直徑，即采用外表面積相同的球形顆粒直徑 來表示非球形顆粒直徑。來表示非球形顆粒直徑。 （3）比表面相當直徑）比表面相當直徑ds，即采用比表面積相同的球形顆粒直，即采用比表面積相同的球形顆粒直 徑來表示非球形顆粒的直徑。徑來表示非球形顆粒的直徑。 =在固定床的流體力學研究中，非球形顆粒的直徑常常采用體在固定床的流體力學研究中，非球形顆粒的直徑常常采用體積相當直徑，在傳熱傳質(zhì)的研究中，常常采用面積相當直徑。積相當直徑，在傳熱傳質(zhì)的研究中，

7、常常采用面積相當直徑。316PVVd21PaAdPPVA326SSddPPSAVd6（4） ：形狀系數(shù)即與非球形顆粒體積相等的圓球：形狀系數(shù)即與非球形顆粒體積相等的圓球 的外表面積與非球形顆粒的外表面積之比。的外表面積與非球形顆粒的外表面積之比。 對于球形顆粒，對于球形顆粒， =1 ； 對于非球形顆粒，對于非球形顆粒， 1 。 形狀系數(shù)說明了顆粒與圓球的差異程度。形狀系數(shù)說明了顆粒與圓球的差異程度。sss三種直徑的關系： dS= dV= SaSd5 . 1平均直徑算術平均直徑：調(diào)和平均直徑：幾何平均直徑：niiWidxd1niiWidxd11iiiddd 固定床內(nèi)流體是通過催化劑顆粒構成固定床

8、內(nèi)流體是通過催化劑顆粒構成的床層而流動，了解催化劑床層的性質(zhì)很的床層而流動，了解催化劑床層的性質(zhì)很必要。必要。 空隙率是床層的重要特性之一，對流空隙率是床層的重要特性之一，對流體通過床層的壓力降、床層的有效導熱系體通過床層的壓力降、床層的有效導熱系數(shù)等都有重大的影響。數(shù)等都有重大的影響。一、空隙率一、空隙率 1 1、空隙率的含義、空隙率的含義 ：催化劑床層的空隙體積與催化劑床層總催化劑床層的空隙體積與催化劑床層總 體積之比。體積之比。 空 隙 體 積床 層 體 積顆 粒 體 積床 層 體 積床 層 體 積2、影響空隙率的因素 越小越小越緊密越緊密顆粒裝填方式顆粒裝填方式越小越小越光滑越光滑顆粒

9、表面的粗糙度顆粒表面的粗糙度 越小越小越不均勻越不均勻顆粒的粒度分布顆粒的粒度分布 越小越小越接近球形越接近球形顆粒形狀顆粒形狀影響因素影響因素 顆粒形狀、顆粒粒度分布、顆粒表面粗糙度、充填方式、顆粒形狀、顆粒粒度分布、顆粒表面粗糙度、充填方式、顆粒直徑與容器直徑之比等顆粒直徑與容器直徑之比等3 3、壁效應、壁效應一、空隙率一、空隙率 由于器壁的存在對由于器壁的存在對分布造成的這種影響及由此造分布造成的這種影響及由此造成對流體流動、傳質(zhì)和傳熱的影響，稱為壁效應。成對流體流動、傳質(zhì)和傳熱的影響，稱為壁效應。 壁效應產(chǎn)生出床層徑向截面上流速、溫度及反應速率壁效應產(chǎn)生出床層徑向截面上流速、溫度及反應

10、速率都不均勻，惡化了反應器的操作性能。都不均勻，惡化了反應器的操作性能。 dt/dpdt/dp越大，壁效應的影響越小，一般工程上認為當越大，壁效應的影響越小，一般工程上認為當達達8 8時，可不計壁效應。但是當時，可不計壁效應。但是當dt/dpdt/dp8103時：P=P2設計要求：P15%P操工業(yè)上降低壓力降的辦法：、L0、uOG、dS等。1011fOGfseMudR4、固定床反應器內(nèi)的 傳質(zhì)與傳熱一、 固定床中的傳質(zhì) 固定床反應器中的傳質(zhì)過程包括外擴散、固定床反應器中的傳質(zhì)過程包括外擴散、內(nèi)擴散和床層內(nèi)的混合擴散。內(nèi)擴散和床層內(nèi)的混合擴散。1 1、外擴散過程、外擴散過程 固定床一般都在較高流

11、速下操作，主固定床一般都在較高流速下操作，主流體與催化劑外表面之間的壓差很小，因流體與催化劑外表面之間的壓差很小，因此，外擴散的影響可以忽略。此，外擴散的影響可以忽略。一、 固定床中的傳質(zhì) 2 2、內(nèi)擴散過程、內(nèi)擴散過程催化劑微孔內(nèi)的擴散對反應速率影響很大。反應物進入催化劑微孔內(nèi)的擴散對反應速率影響很大。反應物進入微孔后，邊擴散邊反應。擴散速率與反應速率的大小，微孔后，邊擴散邊反應。擴散速率與反應速率的大小，進行如下方法判別。進行如下方法判別。（1 1）催化劑有效系數(shù)進行判別）催化劑有效系數(shù)進行判別 當當11時，反應過程為動力學控制；時，反應過程為動力學控制； 當當1 1時，反應過程為內(nèi)擴散控

12、制。時，反應過程為內(nèi)擴散控制。 實際生產(chǎn)中采用的催化劑，其有效系數(shù)為實際生產(chǎn)中采用的催化劑，其有效系數(shù)為0.010.011 1。可通過實驗測定?？赏ㄟ^實驗測定。一、 固定床中的傳質(zhì),PSrr實際催化反應速率催化劑內(nèi)表面與外表面溫度 濃度相同時的反應速率（2 2）內(nèi)擴散對反應的影響）內(nèi)擴散對反應的影響 影響反應速率影響反應速率 影響復雜反應的選擇性影響復雜反應的選擇性舉例：舉例：平行反應中，對于反應速率快、級數(shù)高的反應，平行反應中，對于反應速率快、級數(shù)高的反應， 內(nèi)擴散阻力的存在將降低其選擇性。內(nèi)擴散阻力的存在將降低其選擇性。 連串反應以中間產(chǎn)物為目的產(chǎn)物時，深入到微孔中連串反應以中間產(chǎn)物為目的

13、產(chǎn)物時，深入到微孔中 去的擴散將增加中間產(chǎn)物進一步反應的機會而降低去的擴散將增加中間產(chǎn)物進一步反應的機會而降低 其選擇性。其選擇性。一、 固定床中的傳質(zhì)（3 3）改善內(nèi)擴散影響的措施）改善內(nèi)擴散影響的措施 制造孔徑較大的催化劑制造孔徑較大的催化劑 改變催化劑工程結(jié)構改變催化劑工程結(jié)構 如：雙孔結(jié)構的催化劑；如：雙孔結(jié)構的催化劑； 表面薄層催化劑表面薄層催化劑一、 固定床中的傳質(zhì)3 3、床層內(nèi)的混合擴散、床層內(nèi)的混合擴散 流體流經(jīng)固定床時徑向、軸向流體流經(jīng)固定床時徑向、軸向混合同時存在。混合同時存在。 當反應器長度和催化劑粒徑之當反應器長度和催化劑粒徑之比大于比大于100100時，軸向混合影響可

14、忽略時，軸向混合影響可忽略不計。不計。一、 固定床中的傳質(zhì)1 1、徑向傳熱過程分析（以換熱式反應、徑向傳熱過程分析（以換熱式反應器進行放熱反應為例）器進行放熱反應為例）二、二、 固定床中的傳熱固定床中的傳熱粒內(nèi)傳熱粒內(nèi)傳熱大大阻阻熱熱簡化處理：簡化處理：（1 1）催化劑顆粒等溫）催化劑顆粒等溫（2 2）忽略催化劑表面和流體間的溫度差。）忽略催化劑表面和流體間的溫度差。 以床層的平均溫度與管壁溫差為推動力以床層的平均溫度與管壁溫差為推動力-相相應采用床層對壁給熱系數(shù)進行計算。應采用床層對壁給熱系數(shù)進行計算。 若要了解床層徑向溫度分布，必須采用床層有若要了解床層徑向溫度分布，必須采用床層有效導熱系

15、數(shù)和表面壁膜給熱系數(shù)相結(jié)合計算。效導熱系數(shù)和表面壁膜給熱系數(shù)相結(jié)合計算。二、 固定床中的傳熱2 2、列管式固定床反應器的軸向溫度分布（強放、列管式固定床反應器的軸向溫度分布（強放熱反應）熱反應） 二、二、 固定床中的傳熱固定床中的傳熱 30C 100C 25 000 tubesReactor feed Coolant 一般沿軸向溫度分布都有一最高溫度一般沿軸向溫度分布都有一最高溫度熱點。熱點。u 熱點以前，放熱速率大于移熱速率，出現(xiàn)軸向熱點以前，放熱速率大于移熱速率，出現(xiàn)軸向床層溫度升高；床層溫度升高；u 熱點以后，恰恰相反，沿床層溫度逐漸降低。熱點以后，恰恰相反，沿床層溫度逐漸降低。 熱點溫

16、度過高，使反應選擇性降低，催化劑變熱點溫度過高，使反應選擇性降低，催化劑變劣，甚至使反應失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生飛溫。劣，甚至使反應失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生飛溫。 二、 固定床中的傳熱 為降低熱點溫度，減少軸向溫差，工業(yè)為降低熱點溫度，減少軸向溫差，工業(yè)上從工藝上采取措施，其思路是調(diào)整放熱速上從工藝上采取措施，其思路是調(diào)整放熱速率或移熱速率。率或移熱速率。二、 固定床中的傳熱n傳熱過程傳熱過程分析：以放熱反應為例反應熱從催化劑的內(nèi)表面向外表面?zhèn)鬟f。反應熱從催化劑的外表面向氣相主體傳遞。反應熱少部分由反應后的物料沿軸向帶走，大部分沿徑向通過催化劑和流體構成的床層傳到器壁，再由熱載體帶走。 床層對壁總給熱系數(shù)t的

17、計算：w/m2.vdQ= t (Tm-Tw)dA= t dt(Tm-Tw)dl式中： t ：由為利瓦提出床層被加熱時：（吸熱反應）床層被冷卻時：（放熱反應） P91例36、P91例37 tpfpfttddGdd6exp813.09.0tpfpfttddGdd6 . 4exp5 . 37 . 0固定床反應器的工藝計算固定床反應器的工藝計算n固定床反應器工藝設計原則工藝設計不只是一個單純的催化劑用量及優(yōu)化計算，而是根據(jù)工藝的特點和工程實際情況，應用工程的觀點來確定最優(yōu)工藝操作參數(shù)。 應根據(jù)工藝操作參數(shù)、設備制備和檢修、催化劑的裝卸等方面的要求綜合起來選用催化床的類型和結(jié)構。高壓反應器的筒體內(nèi)要設置

18、催化床、床外換熱器、冷激氣管和熱電偶管，有時還要放置開工預熱用的電加熱器。這些部件要在反應器內(nèi)合理地組合，催化劑的裝載系數(shù)要高，氣流分布要均勻，氣流通過反應器的壓降要小。機械結(jié)構要可靠，要考慮到反應器內(nèi)某些部件處于高溫狀況下的機械強度和溫差應力等因素。多段式催化床要妥善地設計段間氣體和冷激氣體的分布以及均勻混合裝置。n設計方法經(jīng)驗法：用實驗室、中間試驗裝置或工廠現(xiàn)有裝置中最佳條件測得的數(shù)據(jù)，如空速、催化劑的空時收率及催化劑的負荷等作為設計依據(jù)，按規(guī)定的生產(chǎn)能力計算并確定催化劑的用量、床高、床徑等的計算。該法簡單，但精確度較差。數(shù)學模型法：根據(jù)反應動力學可分為非均相與擬均相兩類；根據(jù)催化床中溫度分布可分為一維模型和二維模型；根據(jù)流體的流動狀況又可分為理想流動模型（包括理想置換和理想混合流動模型）和非理想流動模型。n固定床反應器的工藝計算內(nèi)容（經(jīng)驗法）催化劑用量的計算。反應器高度和直徑的計算。傳熱面積的計算與校核。床層壓力降的計算與校核。 n催化劑用量的計算空速Sv：單位體積的催化劑在單位時間內(nèi)所通過的原料的標準體積流量。RNVV0SV 接觸時間c：反應條件下，氣體通過催化劑床層中自由空間所需要的時間。 36001103 .10127330PTSVVVRC式中：V0：反應條件下氣體的體積流量?？諘r收率Sw：單位質(zhì)量或體積的催化劑在單位時間內(nèi)所獲得的