第六章固定床反應(yīng)器的工藝設(shè)計

第六章固定床反應(yīng)器的工藝設(shè)計第一頁，共六十三頁，2022年，8月28日有時反應(yīng)速率方程用分壓而不是用濃度表示:rvp=Aexp(-E/RT)PaαPbβ

式中，P是反應(yīng)物或產(chǎn)物的分壓，barrv和rvp之間的關(guān)系是:rvp=rv(RT)α+β

式中R=0.08314m3bar/(kmolK)第二頁，共六十三頁，2022年，8月28日設(shè)計方程

dV=Acdz進入的克分子數(shù)＝出來的克分子數(shù)十積聚的克分子數(shù)十通過反應(yīng)損耗的克分子數(shù)在穩(wěn)態(tài)操作時，反應(yīng)器中沒有物料積聚，或沒有物料從反應(yīng)器中放出,Fyo=Fyo(1-dx)+rvdV(6-6)整理得:Fyodx=rvdV(6-7)將(6-4)代入(6-7)得:Fyodx=rvAcdz(6-8)第三頁，共六十三頁，2022年，8月28日壓降方程開始可計算出?P／z值，而后在每一步進行適當(dāng)?shù)膲毫πＵ?/p>

第四頁，共六十三頁，2022年，8月28日實例，恒溫反應(yīng)器設(shè)計

H2C＝CH2十H2→CH3一CH3

（6-9）這是一個放熱反應(yīng)，但它可在很小的恒溫反應(yīng)器中進行。銅—氧化鎂為催化劑，把這些催化劑裝在一個內(nèi)徑為9.35mm、長為280mm帶水夾套的黃銅制的反應(yīng)器管中。由于把37.85l／min的水循環(huán)通過夾套，因而可得到大于5.67kJ／(m2SK)的水膜傳熱系數(shù)和恒定的管壁溫度。在此反應(yīng)器內(nèi)，9—79℃范圍內(nèi)的各種恒定溫度下進行的許多試驗證明，對氫氣來說，式(6-9)表示的反應(yīng)是一級的。通過給定下列條件可寫出反應(yīng)速率方程：rv=kCH(6-10)該系統(tǒng)中，η=1第五頁，共六十三頁，2022年，8月28日設(shè)計方程：

Fyodx=kCHdV

由于反應(yīng)涉及到體積變化，對此，必須加以考慮。例如：aA+bB→pP+qQ（6-12）設(shè)A為數(shù)量有限的反應(yīng)物。開始時，

NTo=NAo+NBo(6-13)NAo=yoNToNBo=(1-yo)NTo=(1-yo)NAo/yo(6-14)在達到轉(zhuǎn)化率分數(shù)xA后:NT=NA+NB+NP+NQ

=NAo(1-xA)+NBo–(b/a)NAoxA+(p/a)NAoxA+(q/a)NAoxA

=NTo–NToyoxA·((a+b-p-q)/(a+b))·(a+b)/a(6-15)令d’=(a+b-p-q)/(a+b)(6-16)第六頁，共六十三頁，2022年，8月28日對于乙烯加氫：1克分子乙烯十1克分子氫氣→1克分子乙烷（6-18）

a=1,b=1,p=1,q=0NT=(1-yoxA)NTo又因為，第七頁，共六十三頁，2022年，8月28日對于乙烯加氫這個反應(yīng)：

第八頁，共六十三頁，2022年，8月28日設(shè)計方程變?yōu)椋簩⑸鲜椒e分得：V=（RTFyo/（kP））[xA+ln（（yo-1+yoxA）/（yo-1））]現(xiàn)在用上式計算一個試驗室反應(yīng)器。yo=0.49F(總進料)=2.0×10-8kmo1／sR(氣體常數(shù))=0.08314m3bar／(kmo1.K)R(氣體常數(shù))＝8.314kJ／(kmol.K)T＝67℃十273.2＝340.2Kk=5.96×106exP(一55731／RT)kmol／(s.m3)希望：xA＝1.0

假定P＝1.0bar，第九頁，共六十三頁，2022年，8月28日如反應(yīng)器內(nèi)徑為1cm，則反應(yīng)器高度將為89.1cm。

6.2絕熱氣體反應(yīng)器定義絕熱反應(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。第十頁，共六十三頁，2022年，8月28日一維塞流模型

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。

第十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日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)的克分子流量，kmo1／s；Cpi——每一種反應(yīng)物的克分子熱容量，kmol／(kmo1.K)。

第十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日設(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，達到此溫度標(biāo)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

第十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日方法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。

第十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日方法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。

第十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日方法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。第十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日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)器第十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日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。第十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日發(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。第十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日每一反應(yīng)物或產(chǎn)物的克分子數(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

總克分子數(shù)：Fyo(1+5+5／9)+急冷量，或6.5555Fyo+急冷量每一組分的克分子分數(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)第二十頁，共六十三頁，2022年，8月28日

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

第二十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日現(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:第二十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日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：第二十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日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。第二十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日假定內(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：

第二十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日第二十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日6.3絕熱反應(yīng)器的設(shè)備設(shè)計方面

1.床層的支承絕熱反應(yīng)器的單個催化劑床層可以由以下兩種方法中的任一方法來支承—柵板(圖6-8)或一層放在床層底部的惰性氧化鋁或陶瓷球(圖6-9)。圖6-8有連續(xù)槽孔和整體支撐梁的支撐柵格

第二十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日圖6-9典型惰性填料支撐的單一床層絕熱反應(yīng)器為防止入口氣體吹動催化劑顆粒,在支撐層頂部的惰性填料顆粒,對高流速氣體來說至少應(yīng)為1英寸。第二十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日支承的柵板應(yīng)當(dāng)設(shè)計成能支承催化劑的裝載重量加上預(yù)期的壓降。開槽或鉆孔的板和標(biāo)準(zhǔn)的焊接格柵都可以用。在必要時，要選用適當(dāng)?shù)闹С邪彘_孔率以使壓降減到最小。把比催化劑丸片大一兩號的約4—6英寸的氧化鋁或陶瓷球、丸片或顆粒放在支承的柵板上。如果支承板上的孔大于球徑,象金屬格柵那樣的話，那么在支承板上面再放一層阻止這種惰性物通過的篩網(wǎng)。交承板的材質(zhì)要能防腐蝕，根據(jù)用途也可以用炭鋼、合金鋼、鑄鋼或燒制陶瓷?？装逑旅姹仨氂羞m當(dāng)支承包括大跨度用的中間支承。代替支承板，反應(yīng)器的底部可以填充惰性球、圓柱體或小顆粒，直到床層催化劑開始的高度(圖6-9)。圓球或長度大于直徑的圓柱體引起的壓降較低，比形狀不整齊的顆粒(碎塊)為好。較大的球或圓柱體在床層中先填裝6英寸以內(nèi)，然后再裝較小的球或圓柱體以限定催化劑床層位置。惰性球也造成足夠的壓降以保證催化劑床層的出口處流體的良好分布。出口管道可以伸送設(shè)備中去，并在管上開很多孔，包上篩網(wǎng)也可以用特制的集合管(圖6-9)。沒有必要在圖中所示的空集合管頂部以下的空間填裝催化劑．因為由于物流必須集束流向出口管而使此點之下的摧化劑不能充分利用。用來填充這個基本上無效的空間，惰性球也要比催化劑便宜得多。第二十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日大直徑床層裝有多個并列的出口或一個開有多排孔的內(nèi)部集合管。近年來已經(jīng)引用大小均勻的廉價不適性陶瓷丸粒。當(dāng)這些陶瓷丸粒能夠取代昂貴的氧化鋁材料時，那么價格昂貴又帶來維修問題的支承板就不適宜采用了。沒有支承板，卸料也較簡單，因為有支承板，催化劑就必須從四面卸出或者用吊斗或真空卸料機吸出。側(cè)面卸科通常靠重力流動不能完全卸出，還必須用人工的辦法。在很高溫度下操作的反應(yīng)器內(nèi)也許不能采用金屬制的出口集合管。在這種情況下可用多格的耐火磚圓頂當(dāng)作床層的支承和出口集合管。比催化劑大幾倍的惰性圓球或丸粒也要放在催化劑床層的頂部。這一層有助于分布物料的流動，能防止床層污染，如突然涌進一股像水那樣的不希望有的東西，并有助于截住帶入的污垢，由于床層空隙率較低，這種污垢會嚴重堵塞催化劑床層。惰性圓球或丸粒會有助于防止催化劑突然溫度升高，它可吸收因操作失誤而發(fā)生的反應(yīng)物或是再生流體的劇烈溫度變動。底部的球?qū)釉谏狭魇皆偕鷷r，尤其是在再生的早期也能夠起這樣的作用。有時，在催化劑和惰性球之間放進一個浮動的篩網(wǎng)。這可阻止達兩層之間的混合并作為擋住污垢的最后屏障。如果帶入的污垢估計較多的話，那么在惰性球頂部放上大面積的篩網(wǎng)，效果會更好些。雖然氧化鋁或陶瓷惰性材料是用得最廣泛的，但有時在不宜用氧化鋁或陶瓷的反應(yīng)系統(tǒng)中可用其它材料代替。石英石已經(jīng)被當(dāng)作廉價的代用品，而且在反應(yīng)不受其中雜質(zhì)影響的反應(yīng)器中是完全合用的第三十頁，共六十三頁，2022年，8月28日2．多床層反應(yīng)器

在有中間冷卻或加熱的單個反應(yīng)器殼體中多床層可以擱在支承板上(圖6-10和圖6-11)，不然也可以采用有內(nèi)部分布器的連續(xù)床層。在床層之間的空間可以設(shè)計安裝熱交換器管束或?qū)⒄魵馐占拖蛲獠繜峤粨Q器然后再分布到下一個床層，或在床層之間設(shè)計成直接接觸急冷(圖6-10和圖6-11)，也可以在床層內(nèi)引入急冷，如圖6-12所示。圖示的三種反應(yīng)器都有一個內(nèi)冷卻的外殼以減少反應(yīng)器的厚度。第三十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日

圖6-10冷激式多床層的氨轉(zhuǎn)化器（凱洛格型）a垂直多層轉(zhuǎn)化器；b臥式多層轉(zhuǎn)化器第三十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日圖6-11外部接管最少的高壓氫化裂解反應(yīng)器圖6-12無中間床層支撐的冷激式氨轉(zhuǎn)化器（ICI）。催化劑裝在單一環(huán)狀床內(nèi)。A氣體入口，B氣體出口，C冷激氣入口，D氣體旁路分布器，E溫度計套管，F(xiàn)催化劑卸出口。第三十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日3．裝料和卸料的設(shè)備和程序

氣力裝料用空氣將催化劑罐加壓，催化劑則通過能夠沿著反應(yīng)器橫斷面以一定方式移動的大軟管借氣力輸送出去。遺憾的是，這種高效技術(shù)只局限于高度耐磨的催化劑(抗壓強度：35磅)和如球狀的自由流動顆粒。吊運可以把催化劑桶提升到反應(yīng)器內(nèi)，然后卸出將催化劑裝入反應(yīng)器。裝料管把織物制的裝料管或可移動的管子聯(lián)在裝料斗上。管內(nèi)裝滿催化劑不使催化劑自由落下，這時有一個人站在反應(yīng)器里面，牽引裝料管作圓周運動使催化劑平均分布。催化劑下落不應(yīng)超過1或2英尺的高度。在這個程序里與其它必須有一個人在催化劑床層上工作的程序一樣，必須要有措施來分布這個人的重量，如在床層上放一塊跳板或穿上雪鞋。即使采取這種預(yù)防措施，一些易碎的催化劑還是要被壓碎成粉末。在這種情況下，便應(yīng)在反應(yīng)器頂上引導(dǎo)裝料管移動。當(dāng)工人進到容器里面時，必須提供使用合適的面具和防護服以保護工人防塵、防有害煙霧，在許多情況下還要防止缺氧。許多催化劑吸氧性很強而且以驚人的速度耗盡容器中的氧。第三十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日卸料卸空可將催化劑卸到料斗或卡車上。不流動的那部分則必須用人工來清除。同時進行卸空和清凈輕便的潔凈設(shè)備可用惰性氣體保護同時進行卸空、清凈、篩分和包裝以備再用。真空卸料當(dāng)難以卸空或無法進行時，可用真空卸料法。雖然這樣的做法很快，還是避免周圍環(huán)境中的有害粉塵，但磨損率可能高些。有可能把床層中那部分已經(jīng)失活和部分堵塞的催化劑卸出。這需要由工人進入有毒的區(qū)域去放出物料和操縱卸料系統(tǒng)。

第三十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日4．物料流動的分布在大直徑床層中，為防止流動截面突然收縮，必須裝設(shè)多個出口或出口集合管。當(dāng)必須用非常淺的床層時，可規(guī)定采用徑向流動的反應(yīng)器以改進流動的分布。

5．熱電偶的位置

熱電偶應(yīng)裝在沿床層的軸線位置上以便能夠監(jiān)測反應(yīng)溫度梯度和這些梯度隨時間改變的情況。在每一個部位，不是裝一個而至少要在圓的每一象限各裝一支熱電偶。第三十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日6.開工設(shè)備絕熱反應(yīng)器開工設(shè)備可包括提供熱氣體加熱床層的惰性氣體加熱器或蒸汽過熱器。當(dāng)需要時,還應(yīng)當(dāng)提供再生空氣的特殊設(shè)備以及蒸汽或其它必需的特殊氣體。7.淺床層某些反應(yīng)反應(yīng)很快，需要催化劑的量非常少，無法進行傳熱。典型的反應(yīng)如氨氧化生成氧化氮，甲烷與空氣反應(yīng)制造氰花氫，催化劑為編制金屬絲網(wǎng)式。這些反應(yīng)主要或完全受傳質(zhì)限制，絲網(wǎng)填料的設(shè)計是以中間實驗和工廠的經(jīng)驗為基礎(chǔ)。第三十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日圖6-13為均勻流量分布設(shè)計的淺床層的反應(yīng)器第三十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日6.4多段間接換熱式催化反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計

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)計第三十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日目標(biāo)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。

Tji段的入口溫度

整理后得：第四十頁，共六十三頁，2022年，8月28日又因為：

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

第四十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日各段進口溫度Ti下，

又因為：

所以：即，第四十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日用圖示的形式表示：

又可變?yōu)?，圖6-14方程式（6-45）用圖示的形式表示當(dāng)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。第四十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日設(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。第四十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日（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。

第四十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日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

第四十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日(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）

第四十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日（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。第四十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日（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。亦可由第四十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日與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。第五十頁，共六十三頁，2022年，8月28日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

第五十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日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

第五十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日（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.由第五十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日即，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

第五十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日6.5連續(xù)換熱式固定床催化反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計連續(xù)換熱式催化床可分為催化劑裝在管間的內(nèi)冷自熱式、催化劑裝在列管內(nèi)的外冷列管式和外部供熱管式。本節(jié)主要以三套管并流式合成氨催化反應(yīng)器為例討論連續(xù)換熱式固定床催化反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計問題.圖6-15三套管并流式冷管催化床溫度分布及操作情況第五十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日

1.內(nèi)冷自熱式氨合成反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型1.1.絕熱段:(1)物料衡算氨合成為變摩爾數(shù)反應(yīng),

合成氨反應(yīng)的動力學(xué)方程為:第五十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日將式(6-49)、(6-50)代入式（6-51