反应工程课件第五章

反应工程课件第五章第一页，共六十九页，2022年，8月28日气——反应物和产物为气相固——固体催化剂炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。

气-固相催化反应是化学工业中应用最广、规模最大的反应过程。据统计，按产品吨位计约90%的化工产品是通过气固相反应过程生产的。2SO2+O2=2SO3第二页，共六十九页，2022年，8月28日5.1固定床气－固相催化反应器的基本类型和数学模型5.1.1气－固相催化反应器的基本类型换热方式颗粒状态气－固相催化反应器固定床反应器流化床反应器绝热式换热式内冷式外冷(热)多段绝热单段绝热第三页，共六十九页，2022年，8月28日5.1.1.1固定床反应器

定义：凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层，进行反应的装置都称作固定床反应器。

非催化的气—固相反应：如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2)以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。

气-固相催化反应：氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。用途第四页，共六十九页，2022年，8月28日固定床反应器优点：①固定床中催化剂不易磨损；②床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。③由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大规模生产中尤为重要。

固定床反应器缺点：

①固定床中的传热较差；②催化剂的更换必须停产进行；

第五页，共六十九页，2022年，8月28日1)绝热式催化反应器(1）定义：反应过程为绝热进行，反应热使气体和床层温度升高，逐渐接近最佳温度曲线。遇到的问题：为什么要采用绝热操作？反应器如实现绝热操作？(2）可逆放热的气-固相催化反应过程平衡温度线最佳温度线xT分析第六页，共六十九页，2022年，8月28日A、平衡曲线：X-Te线

表示在一定的温度、压力和组成下，可以达到的平衡转化率X，即最大转化率。

初始组成Yi0一定，压力P一定，平衡曲线就一定。反之改变Yi0，P，平衡曲线就改变。

平衡曲线的作法：定义特性第七页，共六十九页，2022年，8月28日B、最佳温度曲线：X-Tm线定义：将在不同转化率XA下使反应速率rA达到最大时温度连成曲线，即是最佳温度曲线。a、通过实验测定b、化学动力学控制时，用公式计算最佳温度曲线的作法：平衡温度线最佳温度线xT0.00.600.80r(x,T)第八页，共六十九页，2022年，8月28日最佳温度曲线特性：反应器进口：转化率低，要求的操作温度高。反应器出口：转化率高，要求的操作温度低。第九页，共六十九页，2022年，8月28日实际反应过程分析A、实际反应器进口物料转化率低，反应的最佳温度高。B、实际反应器进口物料温度一般较低，略大于或等于环境温度。C、将实际反应器物料较低的进口温度，加热到较高的最佳温度，需要大量换热面积和热能。D、对耐热温度较低的催化剂，有可能出现进口处的最佳温度大于耐热温度。第十页，共六十九页，2022年，8月28日

绝热反应的使用——单段绝热催化反应器；多段绝热催化反应器；连续换热式催化反应器的进口段。换热器1换热器2转化器40℃400℃<<700℃解决办法采用绝热反应器。A、气体在催化剂活性温度以上进入反应器，其后进行绝热反应，利用放热使气体（床层）升温。B、边反应边升温，逐步接近最佳温度曲线。第十一页，共六十九页，2022年，8月28日(3）单段绝热式催化反应器平衡温度线最佳温度线xT

原料气

产物催化剂

第十二页，共六十九页，2022年，8月28日A、绝热过程的热量衡算第十三页，共六十九页，2022年，8月28日B、单段适用的场合a、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，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。平衡温度线最佳温度线xT第十四页，共六十九页，2022年，8月28日(4）多段绝热式催化反应器绝热反应——换热——绝热反应——换热分类间接换热式冷激式间接换热式+冷激式外部间接换热式内部间接换热式原料气冷激式非原料气冷激式第十五页，共六十九页，2022年，8月28日ⅠⅣⅢⅡ平衡温度线最佳温度线xTA、间接换热式a、内部间接换热式b、外部间接换热式第十六页，共六十九页，2022年，8月28日特点：a、由于Yi0，P不变，则x-Te，x-Tm曲线不变，各段共用。b、冷却过程无反应，但温度变化，故各段冷却线相互平行，且平行于T轴。c、虽然反应过程中转化率变化，但原料气的初始组成不变，各段的操作线斜率相同，相互平行。平衡温度线最佳温度线xT第十七页，共六十九页，2022年，8月28日B、原料气冷激式ⅠⅣⅢⅡ平衡温度线最佳温度线xT第十八页，共六十九页，2022年，8月28日特点：a、由于Yi0，P不变，则x-Te，x-Tm曲线不变，各段共用。b、冷却过程虽然无反应，但反应后的气体与冷原料气混合，温度降低的同时，转化率也降低，故各段冷却线相互不平行，也不平行于T轴。c、虽然反应过程中转化率变化，但原料气的初始组成不变，各段的操作线斜率相同，相互平行。平衡温度线最佳温度线xT第十九页，共六十九页，2022年，8月28日C、非原料气冷激式ⅠⅣⅢⅡ平衡温度线最佳温度线xT平衡温度线第二十页，共六十九页，2022年，8月28日平衡温度线最佳温度线xT平衡温度线a、由于非原料气加入，使得Yi0逐段降低，导致Te上升，则x-Te，x-Tm曲线逐段抬高，各段不相同。b、冷却过程无反应，各段冷却线相互平行，且平行于T轴。c、由于非原料气加入，使得Yi0逐段降低，导致绝热操作线斜率逐段增大，各段的操作线相互不平行。特点：第二十一页，共六十九页，2022年，8月28日1）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（X-T图）。2）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（X-T图）。3）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（X-T图）。4）四段绝热式固定床催化反应器中，1-2段间为原料气冷激式、其余段为间接换热式，请画出操作状况简图（X-T图）。思考题：第二十二页，共六十九页，2022年，8月28日5）在多段固定床绝热式气一固相催化反应器中,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()。（A）操作线相互不平行； （B）冷却线水平；（C）最佳温度曲线连续；（D）平衡曲线连续；6）在多段固定床绝热式气一固相催化反应器中,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（）。（A）操作线相互不平行； （B）冷却线水平；（C）最佳温度曲线不连续；（D）平衡曲线连续；7）气一固相催化反应器主要分为()和()两大类。8)固定床催化反应器按换热方式分为()和()两类，按气体在催化床中流动方向分为()和()两类。9）多段换热式分为()和()两类。第二十三页，共六十九页，2022年，8月28日2)连续换热式催化反应器第二十四页，共六十九页，2022年，8月28日第二十五页，共六十九页，2022年，8月28日自热式反应器:反应前后的物料在床层中自己进行换热称作自热式反应器。

自热式反应器示意图第二十六页，共六十九页，2022年，8月28日（1)概述

反应和换热同时进行，边反应，边换热，换热器设置在床层内。连续换热式操作状况：开始有一绝热段，为绝热操作，升温至冷却段的进口，已接近最佳温度，冷却段连续换热，接近最佳温度曲线操作。平衡温度线最佳温度线xT平衡温度线最佳温度线xT第二十七页，共六十九页，2022年，8月28日分类外冷列管式单管逆流式内冷自热式外部供热管式单管并流式双套管并流式三套管并流式按换热情况分按冷管结构分第二十八页，共六十九页，2022年，8月28日①管径：一般为25～50mm的管子，但不小于25mm。②催化剂粒径：应小于管径的8分之一，通常固定床用的粒径约为2～6mm，不小于1.5mm。③传热所用的热载体：沸水可以用于100℃～300℃的温度范围。联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分能用于200～350℃的范围。无机熔盐(硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物)可用于300～400℃的情况。对于600～700℃左右的高温反应，只能用烟道气作为热载体。第二十九页，共六十九页，2022年，8月28日列管式反应器优点：①传热较好，管内温度较易控制；②返混小、选择性较高；③只要增加管数，便可有把握地进行放大；④对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物料来稀释催化剂适用原料成本高，副产物价值低以及分离不是十分容易的情况。第三十页，共六十九页，2022年，8月28日温度床层深度温度转化率（2)三套管并流式第三十一页，共六十九页，2022年，8月28日A、结构：冷管，中心管，冷气分气盒，集气盒。B、气体流程：冷气分气盒冷管内内环隙集气盒中心管床层。C、气体间的换热：床层热气与环隙冷气间换热。D、温度分布第三十二页，共六十九页，2022年，8月28日（3)双套管并流式第三十三页，共六十九页，2022年，8月28日（4)单管并流式第三十四页，共六十九页，2022年，8月28日（5)单管逆流式第三十五页，共六十九页，2022年，8月28日（6)单管外冷式第三十六页，共六十九页，2022年，8月28日3）轴向反应器与径向反应器VS第三十七页，共六十九页，2022年，8月28日第三十八页，共六十九页，2022年，8月28日流态化现象5.1.1.2流化床反应器

LLfLLfL0LLmf

流体

流体

流体

流体

流体流体

固定床起始流化膨胀床鼓泡床气力输送节涌第三十九页，共六十九页，2022年，8月28日

第四十页，共六十九页，2022年，8月28日第四十一页，共六十九页，2022年，8月28日第四十二页，共六十九页，2022年，8月28日第四十三页，共六十九页，2022年，8月28日第四十四页，共六十九页，2022年，8月28日第四十五页，共六十九页，2022年，8月28日第四十六页，共六十九页，2022年，8月28日流化床反应器第四十七页，共六十九页，2022年，8月28日思考题1）连续换热式催化反应器可分为(),(),()等三种。2）内冷自热式催化床，根据冷管的结构不同，主要可分为(),(),()、（）等四种，其中没有绝热段的是（）。第四十八页，共六十九页，2022年，8月28日5.1.2催化反应器的数学模型1)分类(1）按反应动力学分为：非均相模型、拟均相模型。非均相模型:存在浓度差、温度差拟均相：不存在浓度差、温度差拟均相适用情况：a、化学动力学控制b、活性较正系数（无宏观动力学资料）(2）按气体的流动方向和浓度、温度分布状况分为：一维模型、二维模型。一维：轴向浓度差、温度差；二维：轴向浓度差、温度差；轴径向浓度差、温度差；(3）按流动方式分为：理想流动，非理想流动。理想流动：平推流，全混流。非理想流动：考虑返混（扩散）。第四十九页，共六十九页，2022年，8月28日维数相数返混根据相态(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，可以建立八种（）不同的数学模型第五十页，共六十九页，2022年，8月28日表5－1催化反应器数学模型分类一维模型A类：

拟均相模型B类：

非均相模型AI：

基础模型BI：

基础模型＋相间分布AII：

AI+轴向返混BII：

BI+轴向返混二维模型AIII：

AI＋径向分布BIII：

BI＋径向分布AIV：

AIII＋轴向返混BIV：

BIII＋轴向返混2）基础模型一维+拟均相+平推流第五十一页，共六十九页，2022年，8月28日1）颗粒特性（1）单个无规则颗粒直径：A、等体积相当直径dp：用体积相同的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的直径。

球粒：

非球粒：VP

VP=VS

5.2固定床流体力学5.2.1固定床的物理特性第五十二页，共六十九页，2022年，8月28日B、等外表面积相当直径Dp：用外表面积相同的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的直径。

球粒：

非球粒：SP

SS=SP

第五十三页，共六十九页，2022年，8月28日C、等比表面积相当直径dS：用比面积相同的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的直径。比表面积Sg:m2/m3:单位体积的催化剂所具有的表面积。m2/g:单位质量的催化剂所具有的表面积。

球粒：非球形颗粒：第五十四页，共六十九页，2022年，8月28日（2）颗粒的形状

形状系数：用体积相同的球形颗粒的外表面积比上非球形颗粒的外表面积。

第五十五页，共六十九页，2022年，8月28日思考题：直径为d，高为h的圆柱形催化剂，（1）求其相当直径ds与形状系数。（2）若颗粒为高和直径相等的圆柱形催化剂，求其相当直径ds与形状系数。第五十六页，共六十九页，2022年，8月28日（3）混合颗粒的直径—平均直径算术平均直径：调和平均直径：几何平均直径：第五十七页，共六十九页，2022年，8月28日2）床层的特性（1）空隙率：指催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比，用ε表示。（2）壁效应：容器的器壁产生的影响。床层空隙率的大小与颗粒直径、形状、粒度分布、颗粒直径与床直径之比，以及颗粒的充填方法等有关。固定床中同一横截面上的空隙率是不均匀的，对于粒度均一的颗粒所构成的床层，在与器壁距离为0～1倍颗粒直径处，空隙率最大，床层中心较小第五十八页，共六十九页，2022年，8月28日（3）固定床当量直径de

de=4RH

式中：dS等比表面积相当直径

水力半径=第五十九页，共六十九页，2022年，8月28日5.2.2单相流体在固定床中的流动及压力降1）流动特性流体在固定床中的流动比在空管内的流动情况要复杂的多，是颗粒物料所组成的孔道中流动，受粒度、粒度分布、形状及粗糙度的影响。一般情况颗粒是随机堆积的，床层中心处的空隙率往往比接近器壁处环形区域的空隙率小。2）床层流体的径向流速分布流过床层的径向流速分布是不均匀的。从床层中心处算起，随着径向位置的增大，流速增加，在离器壁的距离等于0～1倍颗粒直径处，流速最大，然后随径向位置的增大而降低，至壁面处为零。第六十页，共六十九页，2022年，8月28日3）单相流体通过固定床的压力降流体流过固定床时所产生的压力损失主要来自三方面：一是由于颗粒的粘滞力，即流体与颗粒表面间的摩擦；二是由于流体流动过程中孔道截面积突然扩大和收缩，三是由于流体对颗粒的撞击及流体的再分布而产生。当流体处于层流时，前者起主要作用；在高流速及薄床层中流动时，起主要作用的是后者。流体在固定床中的流动，与空管中的流体流动相似，只是流道不规则而已。故此可将空管中流体流动的压力降计算公式修正后用于固定床。第六十一页，共六十九页，2022年，8月28日（1）固定床压力降的计算：

式中：ρ——流体密度，dS——颗粒等比外表面积相当直径，f——修正摩擦系数，L——床层高度，u0——空管流速，εB——床层空隙