催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件

第六章氣固相催化反應

和反應器一傳遞過程與宏觀動力學二粒內(nèi)傳質(zhì)與ζ三粒外傳質(zhì)與η四多段換熱式催化反應器五連續(xù)換熱式催化反應器第六章氣固相催化反應

和反應器一傳遞過程與宏觀動力學1一傳遞過程與宏觀動力學（一）氣－固相催化反應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：一傳遞過程與宏觀動力學（一）氣－固相催化反應過程剖析2濃度分布濃度分布3可逆反應，在r=R處達平衡r=0～Rd區(qū)為死區(qū)(無反應)可逆反應，在r=R處達平衡4催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件5（二）宏觀動力學方程1.宏觀動力學方程的表達粒內(nèi)反應量等于氣流主體向顆粒表面的外擴量：rA=kgSe(CAg－CAS)＝ksSif(CAS)ζrA：宏觀反應速率(綜合內(nèi)外擴散)；kg：外擴散傳質(zhì)系數(shù)；ks：單位時間表面積上的反應速率常數(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；ζ：內(nèi)擴散效率因子或內(nèi)表面利用率。（二）宏觀動力學方程粒內(nèi)反應量等于氣流主體向顆粒表面的外擴量6對一級不可逆反應f(CAS)=CAS對一級可逆反應對一級不可逆反應f(CAS)=CAS對一級可逆反應72.宏觀反應中顆粒的傳熱(粒外溫差)顆粒內(nèi)反應熱等于顆粒外表面與氣流主體的傳熱量：rA(－ΔHR)=ksSif(CAS)ζ(－ΔHR)=αSSe(Ts－Tg)αS：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：ΔHR<0，Ts>Tg2.宏觀反應中顆粒的傳熱(粒外溫差)83.內(nèi)表面利用率(內(nèi)擴散效率因子)ζ由于內(nèi)擴，CA↓，rA↓；由于平衡ΔCA↓，rA↓，S內(nèi)未全利用，故有ζζ=1，(化學動力學)本征過程，CA=CAS一般：0<ζ<1，CA<CAS，內(nèi)擴散影響嚴重(CAc<<CAS，ζ<<1)3.內(nèi)表面利用率(內(nèi)擴散效率因子)ζζ=1，(化學動力學9催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件10催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件11催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件12催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件13催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件14催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件15催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件16催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件17催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件18催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件19催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件20催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件21催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件22催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件23催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件24催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件25催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件26催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件27催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件28催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件29催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件30催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件31催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件32催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件33催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件34催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件35催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件36催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件37催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件38催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件39催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件40催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件41催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件42四多段換熱式催化反應器多段絕熱式催化反應器的特征多段間接換熱式反應器各段始末溫度及轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化設計多段直接換熱式反應器各段始末溫度及轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化設計四多段換熱式催化反應器多段絕熱式催化反應器的特征43多段間接換熱式①平衡線，Tm線不變②冷卻過程中，x不變③各段絕熱線斜率不變④無返混，VR最小⑤付線調(diào)節(jié)溫度反應過程分析多段間接換熱式①平衡線，Tm線不變②冷卻過44多段原料氣冷激式①平衡線，Tm線不變②冷卻過程中，x變化③各段絕熱線斜率不變④有返混，VR大⑤冷激線調(diào)節(jié)溫度反應過程分析多段原料氣冷激式①平衡線，Tm線不變②冷卻45多段非原料氣冷激式①逐段Te，Tm線上移②冷卻過程中，x不變③各段絕熱線斜率上移④一般放在最后兩段之間⑤閥門調(diào)節(jié)溫度反應過程分析多段非原料氣冷激式①逐段Te，Tm線上移46多段原料氣冷激，略去Cp的差異多段原料氣冷激，略去Cp的差異47聯(lián)立式(2)、(4)求解，可得聯(lián)立式(2)、(4)求解，可得482多段間接換熱式反應器各段始末溫度及轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化設計1.解析法求解n段，已知V0,x1進，xn出求VR=最小時的各段x，T2多段間接換熱式反應器各段始末溫度及轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化設計1.49X1，進，XN，出已知2個Xi+1，進=Xi，出n-1個方程Ti，出-Ti，進=Λ(Xi,出-Xi，進)n個方程τ0標準接觸時間，hVS0標準狀態(tài)下初始態(tài)體積流量，m3(stp)/hX1，進，XN，出已知50獨立變量數(shù)2n-1反應器體積最小的必要條件為獨立變量獨立變量數(shù)2n-1反應器體積最小的必要條件為獨立變量51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一類條件式確定段間間接換熱過程第二類條件式第一類條件式522.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2.出口溫度受耐熱溫度限制獨立變量數(shù)n-1，53催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件543.直接搜索法最優(yōu)化問題：1)反應器催化床體積最小2)產(chǎn)量最大3)能耗最小4)經(jīng)濟效益最大解析法存在的問題：1)VR=min，已推導；但產(chǎn)量=max?經(jīng)濟效益=max?2)有溫度限制時，解析法求解很復雜。3)直接換熱式反應器，如何優(yōu)化？4)不能判斷多維極值的“尖”與“平”3.直接搜索法最優(yōu)化問題：1)反應器催化床體積最小解析法55直接搜索法1）分析獨立變量數(shù)，確定獨立變量設計型：VR=f(xi,出，Ti,進)=Min操作型：Prod=f(xi,出，Ti,進)=Max必然存在一組(xi,出，Ti,進)使VR=Min，或Prod=Max直接搜索法1）分析獨立變量數(shù)，確定獨立變量設計型：VR=f(563)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)學模型3)給定初值---得VR(或Prod)---修正4)如何修正575)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Ti,進<催化劑起始活性溫度Ti,出>催化劑耐熱溫度注意：直接搜索法求得的結果，判別5)若在改變初值的過程中發(fā)現(xiàn)下述現(xiàn)象，Ti,進<催化劑起始583多段直接換熱式反應器各段始末溫度及轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化設計注意：原料氣冷激，∧i相同非原料氣冷激，∧i不相同共有5n-1個變量3多段直接換熱式反應器各段始末溫59獨立變量數(shù)2n-1,當?shù)谝欢芜M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-1xi,進，xn,出已知2獨立變量數(shù)2n-1,冷激過程熱量衡算601反應器類型連續(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反應器數(shù)學模型一連續(xù)換熱式氨合成反應器(舉例三套管并流式)五連續(xù)換熱式催化反應器1反應器類型連續(xù)換熱式1)自熱式，催化劑裝在冷管61催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件621物料衡算1物料衡算63催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件642.微分方程的建立2.微分方程的建立65熱量衡算熱量衡算66絕熱段絕熱段67冷卻段熱量衡算床層冷管內(nèi)冷卻段熱量衡算床層冷管內(nèi)68冷卻段冷卻段69F(ta0)e3計算框圖反應速率反應熱、熱容粘度、導熱系數(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ta0求冷卻段輸出調(diào)整ta0noyesF(ta0)e3計算框圖反應速率反應熱、熱容粘度70冷管出口氣體溫度等于床層進口溫度tae=ta0是ta0的函數(shù)冷管出口氣體溫度等于床層進口溫度tae=ta0是ta0的函數(shù)713)VSP↑，yNH3↓，產(chǎn)量↑，Δp↑4)TF↓，th下移，yNH3↓，產(chǎn)量↓，tai↑5)H2/N23→2.8，生產(chǎn)溫度↑，有一較適合的H2/N24.結果與討論1)tb0變化，生產(chǎn)強度變化，有一較佳的tb02)tb0↓，tai↓，然后tb0↓，tai↑，熱平衡問題3)VSP↑，yNH3↓，產(chǎn)量↑，Δp↑4)TF↓，th下72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表催化床中氨摩爾分率及溫度軸向分布l/myNH3tb/℃t735熱穩(wěn)定性自熱過程tb0→tbe→tetb0→ta0(tai)操作狀態(tài)點穩(wěn)定的條件β

副線開啟度比較：β=0tsh,out<tai無法操作tsh,out>tai開副線，滿足tai=ta05熱穩(wěn)定性自熱過程tb0→tbe→te74表催化床的操作特征－（一）tb/℃tai/tbe/tm/Lm/mSTY/t·(m3·d)-1yNH3,2β470311.40511.69576.520.949952.3800.16840.1843450282.32495.70552.591.393455.6650.17810.2971430258.34479.24523.471.836957.6470.18410.3729420250.19470.65506.792.280557.6280.18410.3908410245.85461.27488.622.280556.5180.18060.2894390247.17438.37451.882.724050.8290.16350.3236360256.48397.27400.913.611038.7280.12870.0994表催化床的操作特征－（一）tb/℃tai/tbe/tm/L75換熱器

tbe~tai的關系，催化床操作線，換熱器操作線，在一定β值下，β↑換熱器操作線左移換熱器tbe~tai的關系，催化床操作線，換熱器操作線，76催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件77催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件78第六章氣固相催化反應

和反應器一傳遞過程與宏觀動力學二粒內(nèi)傳質(zhì)與ζ三粒外傳質(zhì)與η四多段換熱式催化反應器五連續(xù)換熱式催化反應器第六章氣固相催化反應

和反應器一傳遞過程與宏觀動力學79一傳遞過程與宏觀動力學（一）氣－固相催化反應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：一傳遞過程與宏觀動力學（一）氣－固相催化反應過程剖析80濃度分布濃度分布81可逆反應，在r=R處達平衡r=0～Rd區(qū)為死區(qū)(無反應)可逆反應，在r=R處達平衡82催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件83（二）宏觀動力學方程1.宏觀動力學方程的表達粒內(nèi)反應量等于氣流主體向顆粒表面的外擴量：rA=kgSe(CAg－CAS)＝ksSif(CAS)ζrA：宏觀反應速率(綜合內(nèi)外擴散)；kg：外擴散傳質(zhì)系數(shù)；ks：單位時間表面積上的反應速率常數(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；ζ：內(nèi)擴散效率因子或內(nèi)表面利用率。（二）宏觀動力學方程粒內(nèi)反應量等于氣流主體向顆粒表面的外擴量84對一級不可逆反應f(CAS)=CAS對一級可逆反應對一級不可逆反應f(CAS)=CAS對一級可逆反應852.宏觀反應中顆粒的傳熱(粒外溫差)顆粒內(nèi)反應熱等于顆粒外表面與氣流主體的傳熱量：rA(－ΔHR)=ksSif(CAS)ζ(－ΔHR)=αSSe(Ts－Tg)αS：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：ΔHR<0，Ts>Tg2.宏觀反應中顆粒的傳熱(粒外溫差)863.內(nèi)表面利用率(內(nèi)擴散效率因子)ζ由于內(nèi)擴，CA↓，rA↓；由于平衡ΔCA↓，rA↓，S內(nèi)未全利用，故有ζζ=1，(化學動力學)本征過程，CA=CAS一般：0<ζ<1，CA<CAS，內(nèi)擴散影響嚴重(CAc<<CAS，ζ<<1)3.內(nèi)表面利用率(內(nèi)擴散效率因子)ζζ=1，(化學動力學87催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件88催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件89催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件90催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件91催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件92催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件93催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件94催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件95催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件96催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件97催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件98催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件99催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件100催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件101催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件102催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件103催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件104催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件105催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件106催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件107催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件108催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件109催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件110催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件111催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件112催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件113催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件114催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件115催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件116催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件117催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件118催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件119催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件120四多段換熱式催化反應器多段絕熱式催化反應器的特征多段間接換熱式反應器各段始末溫度及轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化設計多段直接換熱式反應器各段始末溫度及轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化設計四多段換熱式催化反應器多段絕熱式催化反應器的特征121多段間接換熱式①平衡線，Tm線不變②冷卻過程中，x不變③各段絕熱線斜率不變④無返混，VR最小⑤付線調(diào)節(jié)溫度反應過程分析多段間接換熱式①平衡線，Tm線不變②冷卻過122多段原料氣冷激式①平衡線，Tm線不變②冷卻過程中，x變化③各段絕熱線斜率不變④有返混，VR大⑤冷激線調(diào)節(jié)溫度反應過程分析多段原料氣冷激式①平衡線，Tm線不變②冷卻123多段非原料氣冷激式①逐段Te，Tm線上移②冷卻過程中，x不變③各段絕熱線斜率上移④一般放在最后兩段之間⑤閥門調(diào)節(jié)溫度反應過程分析多段非原料氣冷激式①逐段Te，Tm線上移124多段原料氣冷激，略去Cp的差異多段原料氣冷激，略去Cp的差異125聯(lián)立式(2)、(4)求解，可得聯(lián)立式(2)、(4)求解，可得1262多段間接換熱式反應器各段始末溫度及轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化設計1.解析法求解n段，已知V0,x1進，xn出求VR=最小時的各段x，T2多段間接換熱式反應器各段始末溫度及轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化設計1.127X1，進，XN，出已知2個Xi+1，進=Xi，出n-1個方程Ti，出-Ti，進=Λ(Xi,出-Xi，進)n個方程τ0標準接觸時間，hVS0標準狀態(tài)下初始態(tài)體積流量，m3(stp)/hX1，進，XN，出已知128獨立變量數(shù)2n-1反應器體積最小的必要條件為獨立變量獨立變量數(shù)2n-1反應器體積最小的必要條件為獨立變量129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一類條件式確定段間間接換熱過程第二類條件式第一類條件式1302.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2.出口溫度受耐熱溫度限制獨立變量數(shù)n-1，131催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件1323.直接搜索法最優(yōu)化問題：1)反應器催化床體積最小2)產(chǎn)量最大3)能耗最小4)經(jīng)濟效益最大解析法存在的問題：1)VR=min，已推導；但產(chǎn)量=max?經(jīng)濟效益=max?2)有溫度限制時，解析法求解很復雜。3)直接換熱式反應器，如何優(yōu)化？4)不能判斷多維極值的“尖”與“平”3.直接搜索法最優(yōu)化問題：1)反應器催化床體積最小解析法133直接搜索法1）分析獨立變量數(shù)，確定獨立變量設計型：VR=f(xi,出，Ti,進)=Min操作型：Prod=f(xi,出，Ti,進)=Max必然存在一組(xi,出，Ti,進)使VR=Min，或Prod=Max直接搜索法1）分析獨立變量數(shù)，確定獨立變量設計型：VR=f(1343)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)學模型3)給定初值---得VR(或Prod)---修正4)如何修正1355)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Ti,進<催化劑起始活性溫度Ti,出>催化劑耐熱溫度注意：直接搜索法求得的結果，判別5)若在改變初值的過程中發(fā)現(xiàn)下述現(xiàn)象，Ti,進<催化劑起始1363多段直接換熱式反應器各段始末溫度及轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化設計注意：原料氣冷激，∧i相同非原料氣冷激，∧i不相同共有5n-1個變量3多段直接換熱式反應器各段始末溫137獨立變量數(shù)2n-1,當?shù)谝欢芜M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-1xi,進，xn,出已知2獨立變量數(shù)2n-1,冷激過程熱量衡算1381反應器類型連續(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反應器數(shù)學模型一連續(xù)換熱式氨合成反應器(舉例三套管并流式)五連續(xù)換熱式催化反應器1反應器類型連續(xù)換熱式1)自熱式，催化劑裝在冷管139催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件1401物料衡算1物料衡算141催化反應工程工業(yè)反應過程分析導論2課件1422.微分方程的建立2.微分方程的建立143熱量衡算熱量衡算144絕熱段絕熱段145冷卻段熱量衡算床層冷管內(nèi)冷卻段熱量衡算床層冷管內(nèi)146冷卻段冷卻段147F(ta0)e3計算框圖反應速率反應熱、熱容粘度、導熱系數(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ta0求冷卻段輸出調(diào)整ta0noyesF(ta0)e3計算框圖反應速率反應熱、熱容粘度148冷管出口氣體溫度等于床層進口溫度tae=ta0是ta0的函數(shù)冷管出口氣體溫度等于床層進口溫度tae=ta0是ta0的函數(shù)1493)VSP↑，yNH3↓，產(chǎn)量↑，Δp↑4)TF↓，th下移，yNH3↓，產(chǎn)量↓，tai↑5)H2/N23→2.8，生產(chǎn)溫度↑，有一較適合的H2/N24.結果與討論1)tb0變化，生產(chǎn)強度變化，有一較佳的tb02)tb0↓，tai↓，然后tb0↓，tai↑，熱平衡問題3)VSP↑，yNH3↓，產(chǎn)量↑，Δp↑4)