青海大学《化学反应工程》第五章

1、5.1 5.1 固定床气固相催化反应器的基本类型和数学固定床气固相催化反应器的基本类型和数学模型模型5.2 5.2 固定床流体力学固定床流体力学5.3 5.3 绝热式固定床催化反应器绝热式固定床催化反应器5.4 5.4 连续换热内冷自热式催化反应器连续换热内冷自热式催化反应器5.5 5.5 催化反应过程进展催化反应过程进展气气反应物和产物为气相反应物和产物为气相固固固体催化剂固体催化剂 炼油工业中的催化重整，炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等

2、等。烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。 气气- -固相催化反应是化学工业中固相催化反应是化学工业中应用最广、规模最大应用最广、规模最大的的反应过程。据统计，按产品吨位计反应过程。据统计，按产品吨位计约约90%90%的化工产品的化工产品是通过是通过气固相反应过程生产的。气固相反应过程生产的。 2SO2 + O2 =2SO3气固相催化反应器气固相催化反应器固定床反应器固定床反应器流化床反应器流化床反应器绝热式绝热式换热式换热式内冷式内冷式外冷外冷( (热热) )多段绝热多段绝热单段绝热单段绝热5.1.15.1.1气固相催化反应器的基本类型气固相催化反应器的基本类型换热换热方式方式颗粒状颗粒状态态用途用途固

3、定床反应器缺点：固定床反应器缺点： 固定床中的传热较差；固定床中的传热较差； 催化剂的更换必须停产进行；催化剂的更换必须停产进行；(1(1）定义：）定义：反应过程为绝热进行，反应热使气体和床层反应过程为绝热进行，反应热使气体和床层温度升高，逐渐接近温度升高，逐渐接近最佳温度曲线最佳温度曲线。遇到的问题遇到的问题：为什么要采用绝热操作？反应器如实现：为什么要采用绝热操作？反应器如实现绝热操作？绝热操作？(2(2）可逆放热的气）可逆放热的气- -固相催化固相催化反应过程反应过程平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线分析分析TKxBTAKxfKPPPlg)(反应物浓度生成物浓度6455. 45 .

4、4905lg),(2332235 . 0epsososoososopTkpppxpppk6455. 4lg5 . 05 . 05 . 0100lg5 . 01lg5 .4905paxbaxxxTe定义定义特性特性a a、通过实验测定、通过实验测定b b、化学动力学控制时、化学动力学控制时，用公式计算，用公式计算平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线1212ln1EEEEeTgReTOPT0.00.600.80r(x,T)minmaxm,RRAAmTAAmAVVrrTTcrxbTxa时、当、反应器进口反应器进口：转化率低，：转化率低，要求的操作温度高。要求的操作温度高。反应器出口：反应器出口：

5、转化率高，转化率高，要求的操作温度低。要求的操作温度低。换热器换热器1换热器换热器2转化器转化器4040400700 400700 平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线 原料气原料气 产物产物催化剂催化剂 带入的热焓带入的热焓 流出的热焓流出的热焓 反应热反应热 传向环境的热量传向环境的热量 0 dVR Z )dTTCNTCNdTTCNTCNPiiPiiPiiPii（流出热流入热（流出热流入热A A、绝热过程的热量衡算、绝热过程的热量衡算带入的热焓带入的热焓 流出的热焓流出的热焓 反应热反应热 0000000000)(1)(,)(xTTxxxTTdxdTCNYNHCNdxNHdTdxNdN

6、dVrNNNxdVdNrdVrHdTCNAPiiATRPiiAARAAARAAAAARARARPii则）（令，）（B、单段适用的场合、单段适用的场合a、转化率变化不大的反应过程、转化率变化不大的反应过程b、转化率变化较大，但相应绝热温升较小，、转化率变化较大，但相应绝热温升较小，绝热操作线斜率较大，只要一段床层就可达到绝热操作线斜率较大，只要一段床层就可达到反应的目的过程。反应的目的过程。平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线00)(1xTTx绝热反应绝热反应换热换热绝热反应绝热反应换热换热分分类类间接换热式间接换热式冷激式冷激式间接换热式间接换热式+ +冷激式冷激式外部间接换热式外部间接换

7、热式内部间接换热式内部间接换热式原料气冷激式原料气冷激式非原料气冷激式非原料气冷激式按换热方式平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线特点：特点：平衡温度平衡温度线线最佳温度最佳温度线线平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线特点：特点：平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线6455. 4lg5 . 05 . 05 . 0100lg5 . 01lg5 .4905paxbaxxxTe1212ln1EEEEeTgReTOPTC C、非原料气冷激式、非原料气冷激式平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线平衡温度线平衡温度线平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线平衡温度线平衡温度线特点：特点：64

8、55. 4lg5 . 05 . 05 . 0100lg5 . 01lg5 .4905paxbaxxxTe1212ln1EEEEeTgReTOPT1 1）五段绝热式固定床催化反应器中，段间为）五段绝热式固定床催化反应器中，段间为间接换热，请画出操作状况简图（间接换热，请画出操作状况简图（X-TX-T图）。图）。2 2）五段绝热式固定床催化反应器中，段间为）五段绝热式固定床催化反应器中，段间为原料气冷激式，请画出操作状况简图（原料气冷激式，请画出操作状况简图（X-TX-T图）。图）。3 3）五段绝热式固定床催化反应器中，段间为）五段绝热式固定床催化反应器中，段间为非原料气冷激式，请画出操作状况简图

9、（非原料气冷激式，请画出操作状况简图（X-TX-T图）。图）。4 4）四段绝热式固定床催化反应器中，）四段绝热式固定床催化反应器中，1-21-2段间段间为原料气冷激式、其余段为间接换热式，请画为原料气冷激式、其余段为间接换热式，请画出操作状况简图（出操作状况简图（X-TX-T图）。图）。思考题：思考题：5 5）在多段固定床绝热式气一固相催化反应器中）在多段固定床绝热式气一固相催化反应器中, ,进行单一可进行单一可逆放热反应、对间接换热式操作状况叙述不正确的是逆放热反应、对间接换热式操作状况叙述不正确的是( )( )。（A A）操作线相互不平行；）操作线相互不平行； （B B）冷却线水平；）冷却

10、线水平； （C C）最佳温度曲线连续；）最佳温度曲线连续； （D D）平衡曲线连续；）平衡曲线连续；6 6）在多段固定床绝热式气一固相催化反应器中）在多段固定床绝热式气一固相催化反应器中, ,进行单一可进行单一可逆放热反应、对非原料气冷激式操作状况叙述不正确的是逆放热反应、对非原料气冷激式操作状况叙述不正确的是（ ）。）。（A A）操作线相互不平行；）操作线相互不平行； （B B）冷却线水平；）冷却线水平； （C C）最佳温度曲线不连续；（）最佳温度曲线不连续；（D D）平衡曲线连续；）平衡曲线连续；7 7）气一固相催化反应器主要分为）气一固相催化反应器主要分为( )( )和和( )( )两大

11、类。两大类。8)8)固定床催化反应器按换热方式分为固定床催化反应器按换热方式分为( )和和( )两两类，按气体在催化床中流动方向分为类，按气体在催化床中流动方向分为( )和和( )两两类。类。9 9）多段换热式分为）多段换热式分为( )( )和和( )( )两类。两类。 蒸汽 原料 调节阀 催化剂 补充水 产物 TC Tf Tf T0 逆流 并流 T0 （1)1)概述概述 反应和换热同时进行反应和换热同时进行，边反应，边换热，换热器设置在，边反应，边换热，换热器设置在床层内。床层内。 连续换热式操作状况：开始有一连续换热式操作状况：开始有一绝热段绝热段，为绝热操作，为绝热操作，升温至冷却段的进

12、口，已接近最佳温度，冷却段升温至冷却段的进口，已接近最佳温度，冷却段连续换热连续换热，接近最佳温度曲线操作。接近最佳温度曲线操作。平衡温平衡温度线度线最佳温最佳温度线度线平衡温平衡温度线度线最佳温最佳温度线度线分分类类外冷列管式外冷列管式单管逆流式单管逆流式内冷自热式内冷自热式外部供热管式外部供热管式单管并流式单管并流式双套管并流式双套管并流式三套管并流式三套管并流式按换热按换热情况分情况分按冷管按冷管结构分结构分（2)2)三套管并流式三套管并流式A A、结构、结构：冷管，中心管，冷气分气盒，集气盒。：冷管，中心管，冷气分气盒，集气盒。B B、气体流程：、气体流程：冷气冷气 分气盒分气盒 冷管

13、内冷管内 内环隙内环隙 集气盒集气盒 中心管中心管 床层。床层。C C、气体间的换热：、气体间的换热：床层热气与环隙冷气间换热。床层热气与环隙冷气间换热。D D、温度分布、温度分布（3)3)双套管并流式双套管并流式（4)4)单管并流式单管并流式（5)5)单管逆流式单管逆流式（6)6)单管外冷式单管外冷式流态化现象流态化现象5.1.1.2 流化床反应器流化床反应器 LLf LLf L0 LLmf P 500 300 200 100 50 1 2 umf 10 50 100 空床流速 u0 /s 固定床 流化床 夹带开始 P=W/At 斜率=1 思考题思考题1 1）连续换热式催化反应器可分为）连续

14、换热式催化反应器可分为( ),( ),( )( ),( ),( )等三种。等三种。2 2）内冷自热式）内冷自热式催化床，根据冷管的结构不同，主要可分为催化床，根据冷管的结构不同，主要可分为( ),( ),( )、（、（ ）等四种，其中没有绝）等四种，其中没有绝热段的是（热段的是（ ）。）。根据相态根据相态( (拟均相？非均相？），维数（一维？二拟均相？非均相？），维数（一维？二维？），返混（有返混？无返混？）的不同情况，维？），返混（有返混？无返混？）的不同情况，可以建立八种（）不同的数学模型可以建立八种（）不同的数学模型3282 2）基础模型）基础模型 一维一维+ +拟均相拟均相+ +平推流

15、平推流SpVd36316PpVd5.2 5.2 固定床流体力学固定床流体力学5.2.1 5.2.1 固定床的物理特性固定床的物理特性SPSD221PPSDsSSddd6632sPPdVS6PPSSVd6sPPpSpPPPPpPPPPSSSPSPSSdSVddSVVSdVSrrVsVsVVss666344/132对等体积：22322312)()()6(1)6(66PppsSPpPPPPPpsSsPPpSDdddDdVDVDVdddSVd思考题：直径为思考题：直径为d d，高为，高为h h的圆柱形催化剂，（的圆柱形催化剂，（1 1）求其）求其相当直径相当直径d ds s与形状系数。（与形状系数。（

16、2 2）若颗粒为高和直径相等）若颗粒为高和直径相等的圆柱形催化剂的圆柱形催化剂，求其相当直径，求其相当直径dsds与形状系数。与形状系数。niiWidxd1niiWidxd11iiiddd流道的润湿周边流道的有效截面积Sedd132时，不计壁效应。当：壁效应颗粒直径床层直径8ddptptdd水力半径水力半径=203(1)BSBLuPfd015011.75ReRe1SBd uf(2)(2)修正摩擦系数的计算修正摩擦系数的计算dLuP22075.1Re1501000e10375.11000e2Re15010e1fRfRfR时，过渡流，）当（时，湍流流动，）当（时，滞流流动，）当（015011.75ReRe1SBd uf化简化简一般情况下：一般情况下：a a、d dt t/d/ds s大于大于8 8； b b、催化床中装有冷管，冷管间距与颗粒直径、催化床中装有冷管，冷管间距