催化反應(yīng)工程工業(yè)反應(yīng)過程分析導(dǎo)論課件-2

1、第六章氣固相催化反應(yīng)和反應(yīng)器一傳遞過程與宏觀動力學(xué)二粒內(nèi)傳質(zhì)與三粒外傳質(zhì)與四多段換熱式催化反應(yīng)器五連續(xù)換熱式催化反應(yīng)器第1頁，共78頁。一傳遞過程與宏觀動力學(xué)（一）氣固相催化反應(yīng)過程剖析 過程分析與濃度分布(深入顆粒內(nèi)部分析) 1. 過程歷程：第2頁，共78頁。濃度分布第3頁，共78頁?？赡娣磻?yīng)，在r=R處達(dá)平衡r=0Rd區(qū)為死區(qū)(無反應(yīng))第4頁，共78頁。第5頁，共78頁。（二）宏觀動力學(xué)方程1. 宏觀動力學(xué)方程的表達(dá)粒內(nèi)反應(yīng)量等于氣流主體向顆粒表面的外擴(kuò)量：rA=kgSe(CAgCAS)ksSif(CAS) rA：宏觀反應(yīng)速率(綜合內(nèi)外擴(kuò)散)；kg：外擴(kuò)散傳質(zhì)系數(shù)；ks：單位時間表面積上的

2、反應(yīng)速率常數(shù)；Se：單位體積催化劑的外表面積；Si: 單位體積催化劑的內(nèi)表面積；：內(nèi)擴(kuò)散效率因子或內(nèi)表面利用率。第6頁，共78頁。對一級不可逆反應(yīng) f(CAS)=CAS對一級可逆反應(yīng)第7頁，共78頁。2. 宏觀反應(yīng)中顆粒的傳熱(粒外溫差)顆粒內(nèi)反應(yīng)熱等于顆粒外表面與氣流主體的傳熱量：rA(HR)=ksSif(CAS) (HR)=SSe(TsTg)S：顆粒外表面對氣流主體給熱系數(shù)；Ts：顆粒外表面溫度；Tg：氣流主體溫度。放熱反應(yīng)：HRTg第8頁，共78頁。3. 內(nèi)表面利用率(內(nèi)擴(kuò)散效率因子) 由于內(nèi)擴(kuò)，CA，rA；由于平衡CA，rA，S內(nèi)未全利用，故有=1，(化學(xué)動力學(xué))本征過程，CA=CAS

3、一般：01，CACAS，內(nèi)擴(kuò)散影響嚴(yán)重(CAcCAS，1)第9頁，共78頁。第10頁，共78頁。第11頁，共78頁。第12頁，共78頁。第13頁，共78頁。第14頁，共78頁。第15頁，共78頁。第16頁，共78頁。第17頁，共78頁。第18頁，共78頁。第19頁，共78頁。第20頁，共78頁。第21頁，共78頁。第22頁，共78頁。第23頁，共78頁。第24頁，共78頁。第25頁，共78頁。第26頁，共78頁。第27頁，共78頁。第28頁，共78頁。第29頁，共78頁。第30頁，共78頁。第31頁，共78頁。第32頁，共78頁。第33頁，共78頁。第34頁，共78頁。第35頁，共78頁。第3

4、6頁，共78頁。第37頁，共78頁。第38頁，共78頁。第39頁，共78頁。第40頁，共78頁。第41頁，共78頁。第42頁，共78頁。四多段換熱式催化反應(yīng)器多段絕熱式催化反應(yīng)器的特征多段間接換熱式反應(yīng)器各段始末溫度及 轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化設(shè)計多段直接換熱式反應(yīng)器各段始末溫度及轉(zhuǎn)化率的 優(yōu)化設(shè)計第43頁，共78頁。多段間接換熱式 平衡線，Tm線不變 冷卻過程中，x不變 各段絕熱線斜率不變 無返混，VR最小 付線調(diào)節(jié)溫度反應(yīng)過程分析第44頁，共78頁。多段原料氣冷激式 平衡線，Tm線不變 冷卻過程中，x變化 各段絕熱線斜率不變 有返混，VR大 冷激線調(diào)節(jié)溫度反應(yīng)過程分析第45頁，共78頁。多段非原料氣冷

5、激式 逐段Te， Tm線上移 冷卻過程中，x不變 各段絕熱線斜率上移 一般放在最后兩段之間 閥門調(diào)節(jié)溫度反應(yīng)過程分析第46頁，共78頁。多段原料氣冷激，略去Cp的差異第47頁，共78頁。聯(lián)立式(2)、(4)求解，可得第48頁，共78頁。2 多段間接換熱式反應(yīng)器各段始末溫度及轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化設(shè)計1.解析法求解n段，已知V0, x1進(jìn)，xn出求VR=最小時的各段x，T第49頁，共78頁。X1，進(jìn) ，XN，出 已知 2個X i+1，進(jìn)=X i，出 n-1個方程T i，出-T i，進(jìn)=(X i,出-X i，進(jìn)) n個方程0標(biāo)準(zhǔn)接觸時間，hVS 0標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下初始態(tài)體積流量，m3(stp)/h第50頁，共78

6、頁。獨立變量數(shù)2n-1反應(yīng)器體積最小的必要條件為獨立變量第51頁，共78頁。第一類條件式確定段間間接換熱過程第二類條件式確定各段出口轉(zhuǎn)化率第二類條件式第一類條件式第52頁，共78頁。2. 出口溫度受耐熱溫度限制獨立變量數(shù)n-1，取各段出口轉(zhuǎn)化率xi，出為獨立變量第53頁，共78頁。第54頁，共78頁。3. 直接搜索法最優(yōu)化問題：1)反應(yīng)器催化床體積最小 2)產(chǎn)量最大 3)能耗最小 4)經(jīng)濟(jì)效益最大解析法存在的問題：1)VR=min，已推導(dǎo)；但產(chǎn)量=max?經(jīng)濟(jì)效 益=max?2)有溫度限制時，解析法求解很復(fù)雜。3)直接換熱式反應(yīng)器，如何優(yōu)化？4)不能判斷多維極值的“尖”與“平”第55頁，共78

7、頁。直接搜索法1）分析獨立變量數(shù)，確定獨立變量設(shè)計型：VR=f(x i,出，T i,進(jìn))=Min操作型：Prod=f(x i,出，T i,進(jìn))=Max 必然存在一組(x i,出，T i,進(jìn))使VR=Min，或Prod=Max第56頁，共78頁。3)給定初值-得VR(或Prod)-修正-直至VR=Min，或Prod=Max4)如何修正，最優(yōu)化方法，如powell法2)建立數(shù)學(xué)模型第57頁，共78頁。5)若在改變初值的過程中發(fā)現(xiàn)下述現(xiàn)象，改變搜索方向T i,進(jìn)催化劑耐熱溫度注意：直接搜索法求得的結(jié)果，判別第58頁，共78頁。3 多段直接換熱式反應(yīng)器各段始末溫 度及轉(zhuǎn)化率的 優(yōu)化設(shè)計注意：原料氣冷激

8、，i相同 非原料氣冷激，i不相同共有5n-1個變量第59頁，共78頁。獨立變量數(shù)2n-1,當(dāng)?shù)谝欢芜M(jìn)口溫度給定，則獨立變量數(shù)維2n-2冷激過程熱量衡算 n-1 非原料氣冷激冷激過程中物料衡算 n-1x i,進(jìn)，x n,出已知 2 第60頁，共78頁。1 反應(yīng)器類型連續(xù)換熱式 1)自熱式，催化劑裝在冷管間2) 供熱式(或移熱式)，催化劑裝在列管內(nèi)(或管間)2 反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型一 連續(xù)換熱式氨合成反應(yīng)器 (舉例三套管并流式) 五 連續(xù)換熱式催化反應(yīng)器第61頁，共78頁。第62頁，共78頁。1 物料衡算第63頁，共78頁。第64頁，共78頁。2. 微分方程的建立第65頁，共78頁。熱量衡算第66頁，共

9、78頁。絕熱段第67頁，共78頁。冷卻段熱量衡算床層冷管內(nèi)第68頁，共78頁。冷卻段第69頁，共78頁。F(ta0)e3 計算框圖反應(yīng)速率反應(yīng)熱、熱容粘度、導(dǎo)熱系數(shù)傳熱系數(shù)絕熱段微分方程冷卻段微分方程輸入求絕熱段假設(shè)ta0求冷卻段輸出調(diào)整ta0noyes第70頁，共78頁。冷管出口氣體溫度等于床層進(jìn)口溫度tae=ta0是ta0的函數(shù)第71頁，共78頁。3)VSP，yNH3，產(chǎn)量，p4) TF，th下移，yNH3，產(chǎn)量，tai5) H2/N2 32.8，生產(chǎn)溫度，有一較適合的H2/N24. 結(jié)果與討論1) tb0變化，生產(chǎn)強(qiáng)度變化，有一較佳的tb02)tb0，tai，然后tb0，tai，熱平衡問

10、題第72頁，共78頁。表催化床中氨摩爾分率及溫度軸向分布l/myNH3tb/tb/COR0.00.0300390.00-0.5200.3800.0453415.38-0.5200.7600.0608440.53-0.5200.9500.0689453.42.217.020.5203.6110.1344468.60298.860.4726.2720.1664457.2951.100.4249.8200.1905444.91390.030.360第73頁，共78頁。5 熱穩(wěn)定性自熱過程 tb0tbete tb0ta0(tai)操作狀態(tài)點穩(wěn)定的條件 副線開啟度比較： =0 tsh,outtai 開副線，滿足tai=ta0第74頁，共78頁。表催化床的操作特征（一）tb/tai/tbe/tm/Lm/mSTY/t(m3d)-1yNH3,2470311.40511.69576.520.949952.3800.16840.1843450282.32495.70552.591.393455.6650.17810.2971430258.34479.24523.471.836957.6470.18410.3729420250.19470.65506.792.280557.6280.18410.3908410245.85461.27488.622.280556.5180.18060.289