反应工程课件第章

5.3绝热式固定床催化反应器5.3.1单段绝热催化床1)图解积分法(1）已知条件：(2)求解分析

如果被积函数简单，则可直接积分；若复杂则采用图解积分。yA2yA1(3)图解法求VR的步骤B、求标准接触时间yAyA1yA2yA3yA4yA5yByB1yB2yB3yB4yB5YCyC1yC2yC3yC4yC5yDyD1yD2yD3yD4yD5……yA1yA52）Runge-Kutta法3）温度分布微分式

对绝热床层中的微元床层作单位时间内的热量衡算时，其衡算式为：最佳温度线平衡温度线TT01T02T034）单段床层体积与进口温度T0的关系x（1）选择不同进口温度，可得到若干条斜率相同的操作线。都可以达到规定转化率，满足工艺要求。但进口状态不同，所需反应器的体积不同。（2)当T0=T03时，XAf=XAe，此时，rAf趋近于0，VR趋近于无穷大，存在一个最佳进口温度。（3）比较法确定：选择不同进口温度求反应器体积，当VR为最小时，对应进口温度为最佳值。（4）从理论上说，当进口温度满足下列条件式时为最佳值。5.3.2多段绝热式催化反应器1）采用多段的原因（1)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xT（2）单段操作的缺点：偏离最佳温度曲线远，反应器体积大。ⅠⅣⅢⅡ平衡温度线最佳温度线xT平衡温度线最佳温度线xT2）最佳分配（1）不确定因素A、段数mB、各段进出口温度T，转化率X（2）影响A、段数越少，偏离最佳温度曲线越远，体积越大，而且少到一定程度有可能达不到规定的出口转化率。B、在指定段数下，各段进出口温度T，转化率X选取不同值，反应器体积不同，有可能出现达不到规定出口转化率的情况，即使出口转化率达到要求，也不能保证反应器体积最小。（3）处理方法A、段数m，太多设备复杂，一般3-5段。B、在选定段数下，各段进出口温度T，转化率X决定反应器体积的大小。存在最佳分配问题，而且与反应器的具体形式有关。3）多段间接换热式各段始末温度和转化率的最佳分配（1）催化床出口温度不受耐热温度限制A、独立变量数B、条可件式条件毁式的栋原始可形式辱：C、第丝式一类迫条件什式：物理曾意义钩：前紫一段晶出口蒜反应彼速率你的绝背对值务，应控该等趁于后眉一段捧进口袋处反磁应速岸率的剧绝对爹值。条件宪式中敏负号滩的意商义：平衡自温度较线最佳椒温度缺线xT作用静：确授定各贸段之缸间的弱间接肿换热蛮过程D、第蚁二类姿条件镜式：物理浓意义血：各播段接检触时棵间对已进口兵温度始的偏芳导数肚为零哄。作用航：利且用进究口状添态点旺来确书定出根口状受态点平衡泼温度俯线最佳改温度尘线xTxixmXi1=Xi-往1平衡聋温度静线最佳滑温度蹦线xAfTE、最觉佳分戴配的摘方法a、第奋一段见进口币温度T1不确雅定：假定T1，做竞绝热地操作宏线，皆根据测第二奴类条尝件式肃确定垦第一季段出萍口状踪蝶态点B,再根雷据第忙一类兄条件陵式确快定第惕二段士进口惹状态驻点C,依次妙类推瓦做m段绝劈燕热操爸作线茂，若XAm≥XAf，说俯明T1假设摆正确抹，若XAm＜XAf，重稀新假若设T1（减魂小T1）,重做究，直搜到T1＜T起始干活性捎温度，转解化率原仍不腔能满爬足要棋求，犬则m段不碎够。T1BC平衡波温度鸦线最佳迁温度倚线xAfTb、第狂一段象进口冒温度T1为固跳定值顽：假定线第一郊段出箩口转毒化率X1，根章据第辫一类吓条件烦式确叛定第震二段被进口蚁状态笑点C,再根秘据第清二类慰条件滔式确务定第量二段军出口挪状态围点D,依次精类推的做m段绝呆热操防作线根，若XAm≥XAf，说故明X1假设麻正确看，若XAm＜XAf，重够新假多设X1（提吴高X1),重做敢，若舟转化唉率仍糕不能邀满足倘要求狗，则m段不寄够。T1BCD思考精题1）请悬说明被多段柿间接福换热盯式固捡定床岂气一电固相割催化泊反器休，优尊化的屑第一具类条停件式缘瑞的数壳学表浙达式敲及物体理意盾义。2）请包说明剩多段淹间接摩换热谢式固陕定床钢气一国固相薪催化压反器霸，优驾化的糕第二派类条溉件式纹的数僵学表捏达式腥及物漂理意杯义。3）硫害酸生待产中述，二炉氧化雕硫的亦转化扶采用4段间在接换雀热式楚固定动床气认一固顺相催丝式化反滑器，女原料窗气进突转化容器的乳温度召为40锻0℃，催魂化剂阀活性辣温度啊范围39物0-娃6斯00浅℃，要蚁求二查氧化割硫的接最终校转化使率为99泽%，试督设计位各段塌始末骄温度桃和转梅化率允的最彻佳分廉配方陕案。（2）催炉化床冻出口乒温度践受耐灾热温郊度限纤制A、各乖段出口持温度朝都受崖耐热狮温度已限制平衡温度线最佳温度线xTB平衡温度线最佳温度线xTATmaxD独立偶变量教数条件墨式原村形：最佳附分配贫的条新件式逗分析条件萍式的捧解析稻分析最佳闹分配新方法隐：利用鹿条件梨式求创出第包一段弓的出貌口转悠化率X1，确弱定第笼一段告出口忌状态伸点B，过B点做受绝热愚操作兄线与T轴交市于A点，盐即为骄第一榆段进下口状虽态点A,依次泰类推倦做m段绝萄热操讯作线响，若XAm≥XAf，则件分配莫结束检，若XAm＜XAf，则m段不注够，终需要票增加怒段数驼。C平衡温度线最佳温度线xTBATmaxD平衡淹温度词线最佳范温度略线xTB、部午分段出口攻温度串都受收耐热惯温度谋限制若共n段，母前n1段受碗限制协，后n-响n1段不巧受限绣制。最佳怜分配轨时，迁前n1段按喉受限茫制的区条件轧式分众配，愚后n-汗n1段按浙不受陕限制哪的条需件式虏分配造。Tma抢x平衡阀温度风线最佳茧温度之线xT（3）给格定段隔数，胁能否订达到出口步转化终率的未预估在不杜计较附反应欲体积朵最小骆的情政况下梁，分光析多恳段完冰成规夫定转坐化率盖的最惑大可非能性叮。每一蝴段：茅出口缓的最乐大转渠化率涉为平衡柜转化蚕率，进篇口冷比却的腰最低匪温度熄为催换化剂起始矿活性娇温度。在平蛛衡温匠度曲怀线和并催化怪剂起焦始活争性温狸度之托间，血做n段分锻配，善若Xn大于Xf说明搁可能配性存利在，眯若Xn小于Xf，则妥不可淘能。Tma杜x（4）最叹佳分誉配的备局限上述吨最佳毒分配墨的目稼标函裂数为温催化脊剂用偿量，雪分配栗结果背使反臭应体沿积最熟小，允这种曲方法纤只适投用于群确定遣的初脸始条草件，伞是局筹部的诸最佳猫化，换广义氏的最粪佳化祖为全倡系统雕的优偷化。4）多段渡冷激田式各火段始拳末温宪度，鼓转化齿率和太冷激煎气量雕的最尝佳分他配ⅠⅣⅢⅡⅠⅣⅢⅡ反应秘和换北热同歉时进逗行，边伐反应赴，边隐换热渣，换牛热器项设置牛在床福层内王。催化阻剂装伪在冷词管间系而与链冷管兵内未婶反应串气体办连续套换热办，未轿反应准气体蜜经冷步管预产热至午催化狠床进于口温田度，仿故称找为自悠热式淹。连续院换热正式操载作状岛况：剩开始滋有一绝热态段，为岂绝热阿操作艘，升验温至骡冷却帝段的亿进口材，已眠接近兽最佳逮温度巩，冷昌却段连续权换热，接怖近最拉佳温租度曲网线操消作。平衡昏温度扇线最佳喇温度蝇线xT平衡温度线最佳温度线xT5.期4连续工换热巷内冷离自热姐式催箩化反爬应器某些镜反应哄热并梳不大瘦而在观高压讽下进斑行反躺应，质如中叨、小毅型氨摔合成侍及甲怒醇合晶成，卷要求布高压毛容器赔的催棉化剂绑装载内系数赢较大族，采粪用连舍续换盟热内缸冷白继热式奇催化它反应常器。氨合饺成过刑程在低超过l0镇MP男a压力自且34轰0-窗50伟0℃温度更下进完行，啊要求黄使用羽的材率质能裂耐高平温高麻压及侵高温糕、高转压下逐的氮点氢腐贡蚀，锄催化微反应宣器采脖用内串外简颗体分矩开的献结构舌，内沉筒为稻高合胃金钢疾制，僵内璧赵载催柜化剂阶，能定耐高止温，守但只腊承受篮内外显筒间搜的压浙力差扭。未膛反应厅的氮附氢混钓合气段进入绞内外套筒间唐的外宅环隙蔽向下简进入叶床外府换热计器管淋间预姓热后带，进单入催呈化床皂的冷年管内尼继续灾升温会，然森后进疑入催绕化床这反应忽，反羡应后衬气体趋进入业床外支换热影器管耐内换垒热。厦外筒辉由进净入反锯应器嚷的未握反应类气体甚冷却丝式，只乡丰承受邀高压指而不剂承受首高温左，可洪用低服合金可钢。内冷泼自热央式催步化反她应器狡的一哭维平芳推流巨数学购模型催化跑剂装纷载在咽冷管逆管间篮的内洲冷自薄热式锻催化宇床一估般来怀用一睁维平添推流贼模型动，并舟计人搞催化厘床内粪筒与皱高压困外筒闲之间款的外钟环隙紧传热凶，现凯以并白流三称套管帖式氨酱合成惕催化郑床为原例讨览论其王一维竹平推登由数赵学模员型。1)绝热摄层目前堤，对絮不同颤型号疑的氨恨合成戚催化去剂，牺大都闷发表衰了本童征动勺力学涌模型枕，均汗可使息用基编于不禾均匀狡表面胆吸附素的焦央姆金罩模型梳，即多：热量为衡算绝热当层的倦数学啦模型2)冷却夺层冷却效层反车应速搏率方暴程冷却令层热烫量衡岔算方乖程冷却晒层的抓数学访模型5.简5催化瓜反应殿过程颤进展5.纠5.研1概述1）催破化剂亚的多幻玉样性暂和应怎用的裤广泛折性广泛庄性：在现炭代石谨油化污工和抗化学杯工业进中几宇乎有80缝%的化们学反什应需抱采用徐催化哥剂。罚在自恐然界品中,尤其朴是生晚物体境内发之生的谈化学种反应墓也与耕催化幼剂有吗关。多样季性：生物著酶催榴化剂宁，过巡寿渡金械属、适非金绸属及欧金属戏化合程物、甩金属医有机养化合揪物、输分子灾筛等违催化迁剂，种都是晌现代赌有机铜催化轿中广隙泛应爸用和紧存在甜的催姥化剂吼。2）对冷国民烂经济耐发展辈的作父用催化耍科学碧是应葛用学江科，稳其成榜果可悠直接才转化政为生多产力街，提焦高生炕产效袍率、捉创制钻新物荷质、豆简化膝工艺馒流程咬、开航辟新做型化帮学工秃业，伟因而由带来渠了巨恭大的起经济被效益鸦。3）催较化剂险品种待更新竟快，奴商品义化迅嫩速现在腥世界棚上每徐年申柱请催狐化剂俊专利烈达上锯万种拌，很炒多在1～2年后安就从壶实验斩室走感向市膝场，注产生贝效益修。4）催侨化剂塌研究凭竞争卡激烈为了那在经沈济竞锁争中柄取胜信，各公国各霜企业京不断烤研制撤和使钉用新晋型高酸效催超化剂侦，而慨且互晴相保孕密。5）计表算机浙应用计算缎机的拘应用露使催臂化剂头研究盯开发矿工作胶大大脆减少跑了盲袋目性挨。现芦在运泰用计尽算机罗，使突催化矛剂的扰研究硬进入摆分子泄水平棉。可授根据礼反应劲分子勒的特脚点，衣通过孤计算亮机计晴算，饥模拟舒出催滔化剂巷分子定的结唤构，拒合成波出相庸应分东子结见构的蓄催化额剂。研究凶步骤接分5步：（1）顷寻找冤和处利理必郑要的边参考雪文献贯；（2）恒根据余文献鲜进行接化学吨模拟牧计算石；（3）从化学裙试验冈；（4）劣用计疏算机丈处理继实验陈数据污；（5）设盆计催炕化反役应和撞催化能剂。6）催沈化反篮应理栽论多书且杂狼，很锹不系罢统人们旋利用民催化较剂已偶有几逐百年卧，并堂已制宽出复戚杂、政高效派的催简化剂诸，但若催化臣理论递仍然列没有昨根本关性的届突破岭，催含化化卸学尚上未形持成独申立成艰熟的估学科挥。随纪着科申学家假对分解子原细子理酬论和防催化趁反应助机理蜂的深密入认锄识，断不断循研究冬和开衣发新弦的催众化剂附，才壮有可许能逐席步独门立和传成熟抹。强制影震荡锹非定启态周呀期操宗作催瘦化反古应过味程催化照蒸馏催化挑萃取圾耦联渗透耻蒸发妖和化排学反航应的泉耦合催化疤吸收笛耦联催化秆吸附面耦联催化填催化平耦联膜催烟化超临衣界化严学反拌应微化盗工技央术5.笑5.久2催化瓶反应沸过程谱研究联进展1）强催制震引荡非讲定态敞周期铃操作脚催化凶反应眠过程非定胀态周钩期操趁作的蛾优点雅：（1）流斧程集律成度晴更高（2）热孔回收妈效率春更高（3）热姥回收夺成本羽低传统聪的间客壁式生换热取器一判次性费投入酸较高馅。而总流向类变化岛的固惰定床碍反应捐器是料气固衔直接进接触堆，结强构简蒸单，吩总的瓶传热域系数宋较高孩，且奥单位答体积厘床层蹄的传侮热面别大（誓等于赚填料灯比表耀面积置），吩因此诸效果战较好翅。（4）自绵热操绒作区烤更宽传统餐流程候由于暗热损途失较垄大及吐传热腰效率驻低，须为了辞维持渗自热井，单涂位时扰间需单要的六反应好提供拨的热伯量较炕多，疫这就富需要赢较高临的反绩应物泼浓度芽。而冶流向坐变化刃的反鸣应器拜即使番在反字应物屯浓度豆为传迟统的1/治10时，坑仍能柴维持凡自热慈。（5）更故适于尘可逆朋放热发反应实例织：SO2催化辅氧化实验计条件孩：平衡否转化秆率和年实际悲转化弹率的爽比较杜：2）催术化蒸鄙馏（沙反应脉精馏您）耦私联“反应领精馏册”工劫艺彻帖底改梁变了糊长期缴以来筒人们售对反应和分离过程诸的传邮统认即识，笑它使岁化学钥反应匆过程焦和精遍馏分徐离的梁物理般过程付结合戒在一锈起，刮是伴恼有化洒学反岸应的心新型责特殊但精馏胡过程丙。反应按精馏锅具有末以下贴优点皮：选择捡性高阿、使捕可逆茄反应烟收率柿提高美；温萌度易司于控甩制，蹄避免蛮出现上“热叔点”潮问题坚；缩芒短反裕应时勺间，商强化核设备眯生产赏能力芦；能拆耗低春，操册作费姐用低具；投贤资少合。反应递精馏练仅适激用于帆反应灾过程脱和反冻应组病分的里蒸馏风分离瞒可以饥在同班一温崇度条拿件下贷进行槽的化烫学反言应。如果从反应迟组分欺之间市存在笔有恒管沸现仗象，脾或者池反应材物与拣产物涨的沸枪点非脉常接掏近时拥，反抓应精歉馏技卫术则祝不适至用。反应严精馏狐对反茶应物狼和产拘物的棵挥发侵度的释要求粒为：1)季产物伸的挥姐发度皇比反誉应物南的挥吓发度黑都大碑或都斤小；2)念反应和物的令挥发沫度介岁于产百物的泰挥发青度之启间。反应炎精馏百技术羽的应惊用：1）酯化梢反应：乙对酸在会甲醇喊酸性异阳离铅子交份换树闭脂的斥作用辩下酯捧化生厚成乙货酸甲略酯2）异构伯化反善应：含棒丁烯猎-2刃的C4烃在涛氧化歪铝负集载的毁氧化隔钯的肺作用例下异宣构化言生成避丁烯气-13）成醚亚反应炕：甲醇模或乙蒸醇与云异丁董烯在筐酸性台阳离禁子交它换树麻脂的袭作用何下醚沾化生消成甲沃基叔睛丁基廉醚(MT魂BE渠)或乙哑基叔纠丁基温醚(ET粒BE品)4）烷基慈化反类应：苯和棋乙烯亿、丙修烯等堤在酸略性沸并石或鞭酸性悉阳离例子交猎换树途脂的艘作用母下烷盈基化堡生成桃烷基牌苯(尿乙苯蚀，异业丙苯轧等)5）叠合惨过程使。采用厕反应值精馏遭技术与可使脏烯烃右分子呼有选湿择地令叠合驳。因使为精技密的情温度芝控制清和反仔应段万的宽怎分布蔬将减辈少非宾理想漫产品兄的二赶聚物顺、三珍聚物尘或高闲聚物脆的生扰成。旨丁烯比叠合版的反残应精浪馏工李艺目献前已僻获工冻业许屯可。6）烯烃饥选择魔性加瞧氢丁二伙烯选像择性蛙加氢席，戊碧二烯梨选择炎性加水氢及携己二绪烯选冈择性严加氢7）酯转争移。某些揭化学读反应秋所使梁用的筹酸具字有腐疤蚀性怠，为奴了避跑免酸耻性腐逮蚀，辨可以榜以酯姓的形饲式引仪入酸疾。例坛如，乏甲酸截甲酯张分解醉会生匹成甲躲酸和姿甲醇贯，而扎甲酸继一旦饼形成连就被避平行税反应谎消耗撑掉，堡这样蛮避免泰了甲狱酸的相腐蚀导。5)氧化培脱氢扮。如有捧合适崭的催症化剂居，就帽可使激异丁幸烷氧雀化脱备氢成的为异惠丁烯投。6)C1化学堤。甲醛轧与甲堆醇反大应生桨成甲所缩醛蓬。7)沟其他番反应瓣。其偏他有举可能叙利用找反应成精馏陵方法者的领码域包洪括：询氯化境，电士化学临，合须成气捉反应趁，从嘱醇和秆氨选絮择性涨地生棵产胺湖，羰月基化碧反应且。3)萃取—反应填耦合将限念制反截应转抵化率巷的某评些产住物靠盲加入败萃取退剂的肢方式壁从反应混盏合物念中移涉出，丑从而巾使反鲜应向肿正方托向进乔行。应用戒实例顾：萃取—反应波耦合贼工艺好制备赔硫酸顺钾Fe丧SO4+2邻KC乞l+确2H2O→百K2SO4+F车e(贷OH袋)2↓+影2H付Cl操作弦条件县：萃取娘体系30场%三正花辛胺+2港0%磷酸召三丁插酯+5辱0%异戊捆醇，斜能从Fe忘SO4和KC开l水溶监液中哪将HC砍l萃出稼，圾萃取役温度25巧℃，反叹应45壤mi破n,HC罚l的萃肺取率查达87两.3毙1%，可它制得软优等亦品硫趟酸钾丸。反名萃取席用10倘%氨水排进行渣，有敏机相吐中的努盐酸滔几乎敌全部撤被反市萃取纲，萃伙取剂封重复挤使用首萃取托性能剃不会忧降低片。膜分鬼离过罪程原竿理图泵膜浓缩液透过液，Fp水渗滤抽过程PFPp膜表面流动4)渗透族蒸发哗和化效学反捕应的蜘耦合A、进殊料在哥膜一鸟侧溶搜解；B、溶唐解在拘膜中唯的组有分通拍过膜粥扩散蜻到透针过侧且；C、组双分在膨膜透臂过侧吧汽化堤；渗透役蒸发离可选窝择地晓脱去耍某种度组分蚁。当炕用于麻化学雅反应酒时,能选择爬性地迷脱去减部分究或全牺部生登成物，使蜡逆反显应受浇到抑议制，讽从而朽使最蜓终转热化率但超过孕平衡赌转化鸦率。5）催汤化-吸收白耦联在进厕行催洁化合租成反陪应的信同时飘，产样物被妹一种壮溶剂雪选择种性吸木收，违使催斩化与励吸收拣分离泻过程辨同时谜进行返；目绳前较脉成熟拖的工故艺是尾催化球吸收放耦联秀生产泰甲醇贫新工徒艺。常用舍的溶熟剂是怪四乙绩基乙扔二醇馆二甲沫醚，限它有联很好典的热觉稳定座性，伶甲醇葛和水诉在其询中的税溶解牛度远蛙大于饮氢、哗一氧涂化碳设、二逼氧化名碳和湖甲烷藏。甲慌醇被船固相播催化倚合成同的同碑时，爹被选芽择性岩吸收昌，使暗催化郑和分汁离同铺时进减行，紧改变砌了气之固相营催化晕反应亡的平落衡限辞制，续提高袍了原撇料的贵转化阳率，欲气体搁无须拿循环索，节杨省动淘力。反应泛器产物乳被吸激收反应袄向生款成物泪方向侮移动6）超坑临界声化学帽反应超临回界流罢体(S玻CF拆)是一匹种温啄度和兵压力加处于忘其临决界点志以上颜，无上气液宪相界旱面，竹且兼档具液表体和册气体胜性质糟的流备体。纯物结质超苗临界伏状态恐的定河义pcTc固体液体TpCp气体萃取屯塔进料顶部轰产品低压殿气体底部翠产品研究傅实例蜂：利乎用超赏临界父水氧举化法六处理芒有机托废物睡和废翻水超临施界水喊氧化恐法(S派CW越O)是一膏种可产以完铜全消梨除有露害物痒质的缓环保疗新技绣术。SC社WO用超天临界登水作耀为反业应介升质，矿有机叨物、禁空气波和水驳在反倡应条虫件下(2笛4.明5M科Pa相,6思73阴K)均相愉混合棵，在广很短汉的反绵应时独间内察，99芒.9掘9%以上糟的有义机物雹被迅歉速氧田化成品水、CO2、N2和其伴它小薯分子粗，产训物不逝需要秃进一撇步处寨理，才而且腿反应升器结宗构简译单。7)膜催叶化A、膜是泻反应杂区的内一个懂分离孤元件壁。此时债膜只扒有分达离功引能，描通过渣有选向择性浊地将威反应唉产物粥的部迅分或炕全部耻从反据应区堂移出兆而打麻破化酷学反拦应平赤衡的和限制毫，提咽高反碗应的吴转化姥率。担这种蔑分离汇与反卧应相亭结合吃的膜站催化辞反应瓜技术益在很朱大程脸度上构取决督于所封用膜躺的选爬择渗逮透性统。所陈用膜库主要瓜有致脚密膜壶和多新孔膜苹。B、膜湾具有未催化文活性符，膜类本身参是催暴化剂跌，或坚膜是译用催确化活剂性物黄质进脱行处迹理而僵具有姻催化持功能充