催化反应工程华东理工大学第3章催化反应器设计概论PPT课件
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反应工程课件第三章2
自热过程：化工生产中的放热过程，通常
利用反应热加热原料，以达到反应所要求
V m3/s
的温度，这种过程称为自热过程。
热稳定性：是指定态的抗干扰能力，当外
界条件有一个小的扰动时，能否仍然达到
自热要求。
干扰
hh
t
对反应器的要求：
能自热平衡，维持反 应在恒温下进行，当外部 环境发生变化时，能保持 热稳定性。
1 km
CA0VR
(H
R
)k10
exp(
E RT
)
1
mk10
exp(
E RT
)
B、移热速率
Q CNT0CP(TT0)K(F TTC) (NT0CPK)F T(NT0CPT0KF C)T
（2）全混流反应器的多态
QRCA0V 1R kk ( mHR)CA0V 1R ( mkH 1R 0e)k1 x0epR x E (p T )R E (T )
f]/V [0CA0
xAfd]x 0 rA
讨论
（1） VRM 大于VRP
（2）
xA f
VRM VR P
(3) 平推流反应器与多级串联全混流反应器体积比较 多级全混流反应器串联操作可以减小返混，提高推
动力，缩小与平推流反应器的体积差别。
A、对一级不可逆反应
等体积的多级全混流反应器串联，设VRP与VRM分别表 示平推流与多级串联全混流反应器的反应体积，两者之
3.4.2 理想流动反应器的体积比较
如果在这些理想反应器中进 行相同的反应，采用相同的 进料流量与进料浓度，反应 温度与最终反应率也相同。 这几种反应器所需的体积是 否相同呢?
(1) 间歇反应器与平推流反应器体积比较 如果间歇反应器与平推流反应器中进行相同的反应，
华东理工大学化学反应工程原理课件
CSTR
单位时间转化量∝V ∝S
2015年4月29日4时6分
体积过程 面积过程
3
Chemical Reaction Engineering
对于多组分反应
aA bB pP sS
nA0 nA nB 0 nB nP nP 0 nS nS 0 a b p s
(rA ) (rB ) rP rS a b p s
2015年4月29日4时6分 7
Chemical Reaction Engineering 开发实例： 丁二烯氯化→二氯丁烯→多氯丁烯（s） 温度270℃ 气相反应 丁二烯过量 好 差，黑色粉末堵塞 原因—混合过程产生两种微团 推断：此反应极快， 预混合成为重要工程问题 C4H6：Cl2=（4~7）：1 小试 中试
2015年4月29日4时6分
12
Chemical Reaction Engineering
(rA ) E (rA ) T RT T
n (rA ) kCA
k k0 e
E RT
T→ ( rA )
dk k E dT RT T
T→k
T变化对反应速率（或速率常数）相对变化率的大小 活化能的本质—反应速率对温度变化的敏感程度
292 .9 KJ / mol
2 ℃ 9 ℃ 37 ℃ 107 ℃
14
Chemical Reaction Engineering ⑵与反应热ΔH的关系
H E E '
⑶活化能的数量级 40~200 kJ/mol
如果 E<40 kJ/mol ，或<10 kcal/mol，可能有传质影响 ED RT 扩散系数 D D0 e
2015年4月29日4时6分
反应工程课件第三章2
反应温度上升
反应速率加快
反应放热速率增大
1）热稳定性和参数灵敏性的概念 如果一个反应器是在某一平衡状态下设计并进行操作的， 就传热而言，反应器处于热平衡状态，即反应的放热速率应 该等于移热速率。只要这个平衡不被破坏，反应器内各处温 度将不随时间而变化，处于定态。但是，实际上各有关事数 不可能严格保持在给定值，总会有各种偶然的原因而引起扰 动。扰动表示为流量、进口温度、冷却介质温度等有关参数 的变动。如果某个短暂的扰动使反应器内的温度产生微小的 变化，产生两种情况，一是反应温度会自动返回原来的平衡 状态，此时称该反应器是热稳定的，或是有自衡能力；另一 种是该温度将继续上升直到另一个平衡状态为止，则称此反 应器是不稳定的，或无自衡能力。二者虽然都是热平衡的， 但是一个是稳定的，另一个是不稳定的。可见，平衡和稳定 是两个不同的概念。平衡不等于稳定。平衡有两种：稳定的 平衡和不稳定的平衡。
CA,feCA0ekV V 0R 2CA0e2kV VR 0 CA0e2k
(f)为两只平推流反应器串联，第二平推流反应器出口浓度为
CA,f CA1ekV VR 0CA0e2kV VR 0CA0e2k
(g)为平推流与全混流反应器并联
cAf,g0.5cA0e2kt 1cA 20k
平推流反应器：
V R
V0C A0
x Af 0
dx A rA
间歇反应器：不考虑辅 助操作时间
t C A0
x Af 0
dx A rA
V R
V0t V0C A0
Hale Waihona Puke x Af 0dx A rA
(2) 全混流反应器与平推流反应器体积比较 如果全混流反应器与平推流反应器中进行相同的反
第3章 催化反应器设计及催化反应动力学
四、反应速率（reaction Rate)
单位质量催化剂在单位时间内产物的增加量或反应物的减少量；mol/g•min 催化剂单位表面积上单位时间内产物的增加量或反应物的减少量；Mol/m2•min 单位体积催化剂在单位时间内产物的增加量或反应物的减少量；Mol/cm3•min
5
四、光催化矿化率（Mineralization Ratio)
CH4
H2 (预还原)
固定床石英微型反应器
电
炉 O2
原料气分析 (
六通阀
放空
反应尾气分析 (H2 , CO , CH4 , CO2 , H2O)
色谱柱 TDX 601
Ar TCD
15
怎样做催化反应?
(1)称量催化剂 (2)催化剂装入反应器 (3)连接好气路 (4)加热,活化催化剂(O2, H2, N2, 惰性气体) (5) 控制反应温度 (6) 切换到反应物 (7) 分析产物,待活性达到稳态,得到反应物或 产物浓度
7
1. 间歇式反应器
特点：反应在一个密闭体系内进行，反应物料和催化剂一次 性加入，反应过程中与外界无物质交换。
形状：反应釜， 烧杯， 烧瓶内进行的固液反应。 应用： 溶液体系，固液反应体系
如：液相光催化反应，常见的有机合成。 优点：快速，简单； 缺点：温度低，对液相体系通过搅拌可以保持体系均匀和催
31
3. 外扩散效应 外扩散：气体穿过气固界面向催化剂外表面的扩散。 Fick定律：rd = - D dC/dx 排除外扩散的方法：（对积分和微分连续流动反应） （１）在保持接触时间V/F不变下，观察转化率x是
否随流速F变化。
32
x随流速变化，说明有外扩散影响；
x
x不随流速变化，已排除外扩散影响
催化反应工程华东理工大学 第一二次课.ppt
３．移热问题 ４．反应速率与活性温度
催化反应工程
流态化技术
１．气体分布２．颗粒的流动特性３．特征流速 ４．床层的膨胀与压降５．气泡行为６．乳相行为 ７流化床的热、质传递８．颗粒夹带与分离９．数学模型
催化反应工程
教材
1. 朱炳辰，翁惠新，朱子彬编著. 催化反应工程，北京：中国 石化出版社，2001
２．加氢裂化反应器
３．催化重整反应器
催化反应工程
催化反应工程
三．基本有机化工中的催化反应器
平行 连串 平行连串反应系统
温度
反应器进口气体组成，操作压力，操作温度， 产量
１．深度氧化的副反应，活化能大于主反应，反应热大于主反应的；
降低温度有利，若温度高，副反应加剧，飞温，可能烧坏
催化剂，反应器
２．平衡常数与温度的关系 若在某一温度下，平衡常数小，可提高操作压力
参考书目
1. 朱开红，袁渭康编著. 化学反应工程分析，北京：高等教育 出版社，2002
2．G F Froment, K B Bischoff. Chemical Reactor Analysis and Design 2nd ed. New York: Wkley&Sons, 1990
催化反应工程
kt
1 CA
1 C A0
1 C A0
1
x
x
、C
A
C A0 1 C A0kt
x C A0kt 1 C A0kt
Batch
kt
n0
CA
kt
n 1
CA
kt
n2
CA
PFR
k p
CAf
k p
催化反应工程(华东理工大学) 多段换热式催化反应器
多段原料气冷激，略去Cp的差异
N1出 NC N2进 1
N1出x1出 N2进 x2进 2
N1出T1出 NCTC N T 2进 2进 3
催化反应工程
将NC N2进 N1出代入3式, 得
N1出 T1出 TC N2进 T2进 TC 4
0,i 0,i1
xi,出
xi,出
催化反应工程
3 多段直接换热式反应器各段始末温 度及转化率的 优化设计
VR f xi,进 , xi,出,Ti,进 ,Ti,出,i
共有5n-1个变量
Ti,出 Ti,进 i xi,出 xi,进 n个，
注意：原料气冷激，∧i相同 非原料气冷激，∧i不相同
i1
i1
i1
VR VS 0
0 ,
催化反应工程
VS 0标准状态下初始态体积流量，m3(stp)/h
τ 0标准接触时间，h
VR f xi进 , xi,出,Ti,进 ,Ti,出 4n个变量
T i，出-T i，进=Λ(X i,出-X i，进) X i+1，进=X i，出 X1，进 ，XN，出 已知
催化反应工程
§3 多段换热式催化反应器
1 多段绝热式催化反应器的特征 2 多段间接换热式反应器各段始末温度及
转化率的优化设计 3 多段直接换热式反应器各段始末温度及转
化率的 优化设计
多段间接换热式
催化反应工程
① 平衡线，Tm线不变 ③ 各段绝热线斜率不变 ⑤ 付线调节温度
② 冷却过程中，x不变 ④ 无返混，VR最小
T' i,出
Tmax Ti,进
i
xi,出 xi,进
N1出 NC N2进 1
N1出x1出 N2进 x2进 2
N1出T1出 NCTC N T 2进 2进 3
催化反应工程
将NC N2进 N1出代入3式, 得
N1出 T1出 TC N2进 T2进 TC 4
0,i 0,i1
xi,出
xi,出
催化反应工程
3 多段直接换热式反应器各段始末温 度及转化率的 优化设计
VR f xi,进 , xi,出,Ti,进 ,Ti,出,i
共有5n-1个变量
Ti,出 Ti,进 i xi,出 xi,进 n个，
注意：原料气冷激，∧i相同 非原料气冷激，∧i不相同
i1
i1
i1
VR VS 0
0 ,
催化反应工程
VS 0标准状态下初始态体积流量，m3(stp)/h
τ 0标准接触时间，h
VR f xi进 , xi,出,Ti,进 ,Ti,出 4n个变量
T i，出-T i，进=Λ(X i,出-X i，进) X i+1，进=X i，出 X1，进 ，XN，出 已知
催化反应工程
§3 多段换热式催化反应器
1 多段绝热式催化反应器的特征 2 多段间接换热式反应器各段始末温度及
转化率的优化设计 3 多段直接换热式反应器各段始末温度及转
化率的 优化设计
多段间接换热式
催化反应工程
① 平衡线，Tm线不变 ③ 各段绝热线斜率不变 ⑤ 付线调节温度
② 冷却过程中，x不变 ④ 无返混，VR最小
T' i,出
Tmax Ti,进
i
xi,出 xi,进
【精编】化学反应工程第三章.PPT课件
S CB0 CA0 CA0
VR
V0 （ xAf kCA0 1 xAf
）
VR
V0 SkCA0
ln 1SxAf (1S)(1xAf
)
xAf
CA0k 1 CA0k
xAf
(1(1SS)()eeCCAA00kk
1) 1
r kC A
n A
VRk(nV10)CA n 01[1(1( 1xA xfA)fn)n11]
1级反应：CA CA0ekt
C A 随 t 较缓慢下降；
2级反应：CA
CA0 1 CA0kt
C A 随 t 缓慢下降。
对于一级或二级不可逆反应，在反应后期，CA的下降 速率，即xA的上升速率相当缓慢。若追求过低的残余 浓度，即过高的转化率，则在反应后期要花费大量的
反应时间。（见书上例3-1）
例 3-1 在间歇反应器中进行等温二级反应 A→B 反应速率 r0 .0C 1 A 2 m/o l(s)l
平推流反应器
VR/V0 CA0
xAf 0
dxA rA
tmV VR 0
CA0
xAf 0
dxA rA
ห้องสมุดไป่ตู้
式中rAkCAn ; CACA0(1xA)
间歇反应器
t CA0
xAf 0
dxA rA
间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应器。
三. 等温平推流反应器的计算
等温平推流反应器是指反应物料温度相同，不随
1.CA0→(VR1 ,T1 )→ CA1 → (VR2 ,T2 ) → CAf
2. CA0→ (VR2 ,T2 ) → CA2 → (VR1 ,T1 ) → CAf
第三节 连续流动釜式反应器
（全混流反应器）
VR
V0 （ xAf kCA0 1 xAf
）
VR
V0 SkCA0
ln 1SxAf (1S)(1xAf
)
xAf
CA0k 1 CA0k
xAf
(1(1SS)()eeCCAA00kk
1) 1
r kC A
n A
VRk(nV10)CA n 01[1(1( 1xA xfA)fn)n11]
1级反应：CA CA0ekt
C A 随 t 较缓慢下降；
2级反应：CA
CA0 1 CA0kt
C A 随 t 缓慢下降。
对于一级或二级不可逆反应，在反应后期，CA的下降 速率，即xA的上升速率相当缓慢。若追求过低的残余 浓度，即过高的转化率，则在反应后期要花费大量的
反应时间。（见书上例3-1）
例 3-1 在间歇反应器中进行等温二级反应 A→B 反应速率 r0 .0C 1 A 2 m/o l(s)l
平推流反应器
VR/V0 CA0
xAf 0
dxA rA
tmV VR 0
CA0
xAf 0
dxA rA
ห้องสมุดไป่ตู้
式中rAkCAn ; CACA0(1xA)
间歇反应器
t CA0
xAf 0
dxA rA
间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应器。
三. 等温平推流反应器的计算
等温平推流反应器是指反应物料温度相同，不随
1.CA0→(VR1 ,T1 )→ CA1 → (VR2 ,T2 ) → CAf
2. CA0→ (VR2 ,T2 ) → CA2 → (VR1 ,T1 ) → CAf
第三节 连续流动釜式反应器
（全混流反应器）
反应工程课件第三章
01
02
* 传质速率对反应速率的影响* 传质效果对反应选择性的影响* 传质条件对反应稳定性的影响
传质过程对反应的影响： * 传质速率对反应速率的影响 * 传质效果对反应选择性的影响 * 传质条件对反应稳定性的影响
* 传热速率对反应速率的影响* 传热效果对反应选择性的影响* 传热条件对反应稳定性的影响
混合设备选型依据：处理量、混合时间、混合效果等
混合设备操作注意事项：安全、卫生、环保等
混合效果对反应速率的影响：混合效果越好，反应速率越快，因此需要采取有效的混合措施。
流动状态对反应速率的影响：流速、流动类型、流动状态等因素对反应速率有重要影响，需要选择合适的操作条件。
流动与混合对反应选择性的影响：流动与混合状态不仅影响反应速率，还会影响反应选择性，需要综合考虑。
活化能：反应发生的活化能，与速率常数有关
反应机理：描述反应过程的详细步骤和中间产物
反应器类型与操作方式
釜式反应器
管式反应器
塔式反应器
固定床反应器
流化床反应器
连续操作：通过连续进料和出料，实现反应过程的连续进行
间歇操作：通过一次性进料和出料，实现反应过程的间歇进行
半间歇操作：介于连续和间歇之间，通过周期性进料和出料，实现反应过程的半间歇进行
汇报人：PPT
反应工程课件第三章目录添加目录标题反应工程概述
反应动力学
反应器类型与操作方式
反应器内流体流动与混合
反应器传热与传质过程
添加章节标题
反应工程概述
反应工程是研究化学反应过程和反应器的科学
反应工程涉及化学反应、传递过程和工程设计
反应工程是化学工程的一个分支，用于优化和控制化学反应过程
流化床操作：通过固体颗粒在流化床中的流动和反应，实现反应过程的连续进行
催化反应工程华东理工大学工业反应过程分析导论(2)幻灯片PPT
〔一〕可逆单分子系统多重反响动力学
复杂化工等过程中， 长期缺少对过程的动力学研究。主要原因 在于：
这些过程尤其像炼油过程中的原料或产物 组成复杂，往往使研究工作无从着手。
每种单体又可进展形形色色的反响，使反 响过程异常复杂。
组分较多的反响体系称为复杂反响体系 (complex reaction system)。
而改称为(1，1，1)平
面。
反应过程分析
反应过程分析
仅有的直线反响轨迹称为射线向量Xr，它可以由实验 确定，射线向量与〔1，1，1〕平面的交点称为射线解。 在〔1，1，1〕平面上射线解的各元素之和为1。但是， 当时间t→∞时，此点也趋向于原点。因此，射线向量Xr 的特征衰减常数λr非零。
射线向量Xr的实验测定方法：用不同的初始组成做 实验，取接近原点的各实验点用最小二乘法关联直线， 得一假想射线向量X’r，再以X’r为初始浓度做实验， 得到新的较接近原点的实验点拟合成直线，得一新的假 想射线向量X’’r，如与X’r值相差不多，那么X’’r 即为所求射线向量。如果相差较多，那么继续做实验， 直至两次求得的假想射线向量根本相符为止，最后一次 即为所求射线向量Xr。
一个有三个组元的可逆单分子反响系统，用Ai表示第i 种组元，它的浓度用摩尔分率表示为ai。该反响系统各组 元浓度变化的速率为：
dda1t(k2 1k3 1)a1k1 2a2 k1 3a3 dda2t k21a1(k12k32)a2 k23a3 dda3t k3 1a1k3 2a2 (k1 3k2 3)a3
反应过程分析
衰减方程
对于可逆系统，当某组成向量ax(0)位于平衡向量X0 和特征向量Xi之一所组成的平面内时，它向平衡衰减 的方程形式为：
a x(0 ) X 0 b i(t)X i (23)
复杂化工等过程中， 长期缺少对过程的动力学研究。主要原因 在于：
这些过程尤其像炼油过程中的原料或产物 组成复杂，往往使研究工作无从着手。
每种单体又可进展形形色色的反响，使反 响过程异常复杂。
组分较多的反响体系称为复杂反响体系 (complex reaction system)。
而改称为(1，1，1)平
面。
反应过程分析
反应过程分析
仅有的直线反响轨迹称为射线向量Xr，它可以由实验 确定，射线向量与〔1，1，1〕平面的交点称为射线解。 在〔1，1，1〕平面上射线解的各元素之和为1。但是， 当时间t→∞时，此点也趋向于原点。因此，射线向量Xr 的特征衰减常数λr非零。
射线向量Xr的实验测定方法：用不同的初始组成做 实验，取接近原点的各实验点用最小二乘法关联直线， 得一假想射线向量X’r，再以X’r为初始浓度做实验， 得到新的较接近原点的实验点拟合成直线，得一新的假 想射线向量X’’r，如与X’r值相差不多，那么X’’r 即为所求射线向量。如果相差较多，那么继续做实验， 直至两次求得的假想射线向量根本相符为止，最后一次 即为所求射线向量Xr。
一个有三个组元的可逆单分子反响系统，用Ai表示第i 种组元，它的浓度用摩尔分率表示为ai。该反响系统各组 元浓度变化的速率为：
dda1t(k2 1k3 1)a1k1 2a2 k1 3a3 dda2t k21a1(k12k32)a2 k23a3 dda3t k3 1a1k3 2a2 (k1 3k2 3)a3
反应过程分析
衰减方程
对于可逆系统，当某组成向量ax(0)位于平衡向量X0 和特征向量Xi之一所组成的平面内时，它向平衡衰减 的方程形式为：
a x(0 ) X 0 b i(t)X i (23)
华东理工大学化学反应工程原理课件重点
2017年3月6日9时49分
1
Chemical Reaction Engineering 2.1化学反应速率的工程表示
反应量 化学反应速率＝ 反应时间 反应场所
反应量：mol kmol 反应场所（反应区）：VR，VCAT.，kgCAT ，m2表面等
（-rA)：kmol/（m3.h），kmol/（kg.h），等等
2017年3月6日9时49分 5
Chemical Reaction Engineering 2.2 均相反应动力学（homogeneous) heterogeneous 一、均相与预混合 均相反应—在同一相中进行的反应 A B
均相—达到分子尺度均匀的物料
达到分子尺度均匀的措施—混合(mixing) 混合技术①机械搅拌②射流混合 原理—流体破碎（宏观混合） →微团均匀（微观混合） →分子尺度（分子扩散） 混合尺度—设备尺度、微团尺度、分子尺度
“-”消失速率 -rA
2017年3月6日9时49分
“+”生成速率 rp
2
Chemical Reaction Engineering
dc 1 dn 与物化区别 r dt V dt
用于表达本征动力学（间歇、等容）
Bacth Recator
与物化不同之处在于：
a.定态时，没有时间概念 b.考察场所-物料（间歇） 反应器（连续） c.能与传递过程相结合 PFR
ri f (T , C )
反应速率与温度、浓度的关系—动力学方程
ri fT (T ) fC (C j )
一般C、T影响是相互独立的（经验） fT (T ) —反应速率的温度效应 fC (C ) —反应速率的浓度效应
例如
aA bB pP sS
反应工程课件第三章2
为了使反应器操作稳定，应使用尽可能大的传 热面积，和尽可能小的传热温差等。至于釜式反应 器，如果调节手段适当，不一定非要在稳定的定态 下操作。
3.4 理想流动反应器的组合与比较 3.4.1 理想流动反应器组合 连接方式：串联、并联 反应器类型：平推流、全混流 串联：前后顺序 共有七种组合
讨论：
条件：（1）等温
平推流反应器：
V R
V0C A0
x Af 0
dx A rA
间歇反应器：不考虑辅 助操作时间
t C A0
x Af 0
dx A rA
V R
V0t V0C A0
x Af 0
dx A rA
(2) 全混流反应器与平推流反应器体积比较 如果全混流反应器与平推流反应器中进行相同的反
应，采用相同的进料流量与进料浓度，反应温度与最终 反应率也相同。则由于全混流反应器中存在返混。所以 反应体积要大一些。
当 k 1时
C Af
,a
C A0 1 2k
C A0 3
C Af ,b
C A0 (1 k ) 2
C A0 4
C Af ,c
C Af , d
C A0 1 k
e k
C A0 5 . 44
C Af ,e
C Af , f
C A 0e 2k
C A0 7 .4
CA,feCA0ekV V 0R 2CA0e2kV VR 0 CA0e2k
(f)为两只平推流反应器串联，第二平推流反应器出口浓度为
CA,f CA1ekV VR 0CA0e2kV VR 0CA0e2k
(g)为平推流与全混流反应器并联
3.4 理想流动反应器的组合与比较 3.4.1 理想流动反应器组合 连接方式：串联、并联 反应器类型：平推流、全混流 串联：前后顺序 共有七种组合
讨论：
条件：（1）等温
平推流反应器：
V R
V0C A0
x Af 0
dx A rA
间歇反应器：不考虑辅 助操作时间
t C A0
x Af 0
dx A rA
V R
V0t V0C A0
x Af 0
dx A rA
(2) 全混流反应器与平推流反应器体积比较 如果全混流反应器与平推流反应器中进行相同的反
应，采用相同的进料流量与进料浓度，反应温度与最终 反应率也相同。则由于全混流反应器中存在返混。所以 反应体积要大一些。
当 k 1时
C Af
,a
C A0 1 2k
C A0 3
C Af ,b
C A0 (1 k ) 2
C A0 4
C Af ,c
C Af , d
C A0 1 k
e k
C A0 5 . 44
C Af ,e
C Af , f
C A 0e 2k
C A0 7 .4
CA,feCA0ekV V 0R 2CA0e2kV VR 0 CA0e2k
(f)为两只平推流反应器串联，第二平推流反应器出口浓度为
CA,f CA1ekV VR 0CA0e2kV VR 0CA0e2k
(g)为平推流与全混流反应器并联
催化反应工程华东理工大学第3章催化反应器设计概论 共26页
1 绝热反应器
N T C p d b b T H R d D K N b T b s T s D R dl
dyD dl
Ab
NT0
rDCOR
dTb HRdyD
dl Cpb dl
l0,yD0,T b T in
催化反应工程
单管逆流反应器
管壳型反应器
ds , ,rA ,V R, p
若化学动力学ds可 控适 制当 ， ，p
催化反应工程
例甲醇气相催化 甲脱 醚 D水 M制 E 二
2 C 3 O H H C 3 2 O H H 2 O
等摩尔反N应 T ， NT0 rmddN W m ,rDr2m
rDd dD N W dN dTyW p A N T0d bd D yl
床层压力降采Er用ga方 n 程
d dp l R 15 m e 01.75 G fd 2s
1 3
Rem
dsG 1
1
催化反应工程
二 基本计算方程
建立模型
物料衡进 算 出 反应 累 量 积 0 0非 稳稳 定定 状状 态态 热量进 衡 出 算 焓 累 变积
催化反应工程
催化反应工程
催化反应工程
催化反应工程
三 基本有机化工中的催化反应器
平行 连串 平行连串反应系统
温度
反应器进口气体组成，操作压力，操作温度， 产量
１．深度氧化的副反应，活化能大于主反应，反应热大于主反应的； 降低温度有利，若温度高，副反应加剧，飞温，可能烧坏 催化剂，反应器
２．平衡常数与温度的关系 若在某一温度下，平衡常数小，可提高操作压力
NTCpd b bTHRdN Adb Q a0,db Q a 0 0传热 绝或 热移热
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拟均相
采用“活性校正系数COR ”来简化概括催化剂粒内和 催化剂外表面与气相间的热、质传递过程和催化剂失 活等因素对反应速率的影响，即“拟均相”模型。
13
催化反应工程
3 二维拟均相数学模型
组成 y、温T度 随轴l、 向径r向 变化的二阶偏组 微分方
4 一维非均相返混模型
综合扩散 De,系 有数 效导热 e 系数
反应拟 速均 r 率 A d d相 R A 式 N V k vfc A ,gc OR
非均 rA相 d dR A N VkssifcA,S
如： N AN AdA N rA dR V rAd dR A N V
NTCpd b bTHRdN Adb Q a0,db Q a 0 0传热 绝或 热移热 15
若化学动力学ds可 控适 制当 ， ，p
21
催化反应工程
例甲醇气相催化 甲脱 醚 D水 M制 E 二
2 C 3 O H H C 3 2 O H H 2 O
等摩尔反N应 T ， NT0 rmddN W m ,rDr2m
rDd dD N W dN dTyW p A N T0d bd D yl
பைடு நூலகம்
副反应E2 若E1 E2 T 选择性
19
催化反应工程
3 一级不可逆连串反应
A1 E1A2 E2A3
T 选择 性 T 选择 性
20
催化反应工程
2. 操作压力
摩尔数减少的反P应， 有利
摩尔数增加的P反 应 可， 减少压缩功
3. 反应物的初始组成 4. 空速 5. 催化剂的颗粒
ds , ,rA ,V R, p
２．平衡常数与温度的关系 若在某一温度下，平衡常数小，可提高操作压力
３．移热问题
４．反应速率与活性温度
11
催化反应工程
第二节 催化反应器基础数学模型
一 基础数学模型
1 一维拟均相理想置换模型
d d y lf1 d d T lf2 d d p lf3 l0,y,T,p
2 一维非均相理想置换模型
高温高压设备 耐温不受压，耐压不受高温
二 炼油工业中的催化反应器
１．催化裂化反应器
催化剂粒度20-100μm的微粒 时间短 2-4秒，催化剂结焦失活，流态化催化反应器 反应器－再生器
２．加氢裂化反应器
３．催化重整反应器
4
催化反应工程
5
催化反应工程
6
催化反应工程
流态化技术
１．气体分布２．颗粒的流动特性３．特征流速 ４．床层的膨胀与压降５．气泡行为６．乳相行为 ７流化床的热、质传递８．颗粒夹带与分离９．数学模型
17
催化反应工程
反应器模拟设计必须具备的条件
1 反应过程：反应物系、催化剂、操作条件、转化率、选择性、收率 2 热力学： 物性参数、粘度、导热系数、扩散系数、状态方程、平衡
常数、逸度系数、反应热
3 反应动力学：
rC O d dC N W O rC2O d dC N 2 W O rmd dm N W
1 绝热反应器
催化反应工程
第三章 催化反应器设计概论
第一节 催化反应器基本类
1 气-固相固定床催化反应器 2 气-固相流化床催化反应器 3 气-液-固三相悬浮床催化反应器
1
催化反应工程
催化反应器：产量已定
基本问题：１．放热反应－移热；吸热反应－供热
以移热为例：换热方式，催化床是绝热的，段间换热； 内冷自热式 催化床中插入冷管 催化剂装在管内
２．可逆放热反应的平衡
接近平衡 推动力减小 催化床体积增大
2
催化反应工程
３．固体催化剂颗粒 传质，压力降
４．流体流动，压力降 轴向流动，径向流动，轴径向流动
５．流体分布
还有材质，直径，反应器制造，运输
3
催化反应工程
一 合成氨工业中的催化反应器
Topsφe s-200型氨合成器 １．看设备图２．各主要部分３．气体流动４．催化剂装卸 ５．热膨胀
7
催化反应工程
8
催化反应工程
9
催化反应工程
10
催化反应工程
三 基本有机化工中的催化反应器
平行 连串 平行连串反应系统
温度
反应器进口气体组成，操作压力，操作温度， 产量
１．深度氧化的副反应，活化能大于主反应，反应热大于主反应的； 降低温度有利，若温度高，副反应加剧，飞温，可能烧坏 催化剂，反应器
床层压力降采 Er用 ga方 n 程
d dp l R 15 m e 01.75 G fd 2s
1 3
Rem
dsG 1
1
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催化反应工程
二 基本计算方程
建立模型
物料衡进 算 出 反应 累 量 积 0 0非 稳稳 定定 状状 态态 热量进 衡 出 算 焓 累 变积
动量d 衡 p2 K 算 fud d fe u u 2 2 fd x 0
1995年 筹建 1998年3月 华东理工大学提交反应器基础设计 1999年 反应器制造完成 2000年初 安装 2000年5月 投产成功，产品达到美国US AA级
甲醇标准
C 2 O H 2 C3 O HH C 2 O 3 H 2 C3 O H H H 2 O C 2 O H 2 C H O 2 O
催化反应工程
催化反应器的数学模型
实例 上海焦化有限公司年产20万吨甲醇合成反应器 反应器内径4m,反应管数6705根，催化剂44m3
91年 三联供立项 92年 甲醇合成反应器宏观动力学研究，反应器模拟设计 94年 南化机反应器制造完成，从长江浮运到黄浦江 95年 开车成功
16
催化反应工程
兖矿鲁南化工公司年产10万吨甲醇装置
dy g dl
dT g dl
S r A ,S k g S eC A ,g C A ,S
S r A ,S H R S S e T S T g
l 0 , y g ,T g
12
“非均相”与“拟均相”模 型
催化反应工程
非均相
考虑气流主体与催化剂颗粒外表面之间的温度差和浓 度差，催化剂颗粒内部浓度差和温度差，传递过程队 反应速率的影响计入模型，则称为非均相模型。
4 质量、热量传递过程：
Dr, kg, s 1 1 1 kbf b w s Rc
18
第三节 催化反应器的操作参数
1、反应温度
催化反应工程
1 单一可逆放热反应最佳温度 最佳温度曲线
Tm 1
Te RgTe
lnE2
E2E1 E1
E1、E2：正反应、逆 化反 能应的活
2 一级不 主 可 E 1反 若 E 逆 1 E 应 2 T 平 选 行 ， 择 反
采用“活性校正系数COR ”来简化概括催化剂粒内和 催化剂外表面与气相间的热、质传递过程和催化剂失 活等因素对反应速率的影响，即“拟均相”模型。
13
催化反应工程
3 二维拟均相数学模型
组成 y、温T度 随轴l、 向径r向 变化的二阶偏组 微分方
4 一维非均相返混模型
综合扩散 De,系 有数 效导热 e 系数
反应拟 速均 r 率 A d d相 R A 式 N V k vfc A ,gc OR
非均 rA相 d dR A N VkssifcA,S
如： N AN AdA N rA dR V rAd dR A N V
NTCpd b bTHRdN Adb Q a0,db Q a 0 0传热 绝或 热移热 15
若化学动力学ds可 控适 制当 ， ，p
21
催化反应工程
例甲醇气相催化 甲脱 醚 D水 M制 E 二
2 C 3 O H H C 3 2 O H H 2 O
等摩尔反N应 T ， NT0 rmddN W m ,rDr2m
rDd dD N W dN dTyW p A N T0d bd D yl
பைடு நூலகம்
副反应E2 若E1 E2 T 选择性
19
催化反应工程
3 一级不可逆连串反应
A1 E1A2 E2A3
T 选择 性 T 选择 性
20
催化反应工程
2. 操作压力
摩尔数减少的反P应， 有利
摩尔数增加的P反 应 可， 减少压缩功
3. 反应物的初始组成 4. 空速 5. 催化剂的颗粒
ds , ,rA ,V R, p
２．平衡常数与温度的关系 若在某一温度下，平衡常数小，可提高操作压力
３．移热问题
４．反应速率与活性温度
11
催化反应工程
第二节 催化反应器基础数学模型
一 基础数学模型
1 一维拟均相理想置换模型
d d y lf1 d d T lf2 d d p lf3 l0,y,T,p
2 一维非均相理想置换模型
高温高压设备 耐温不受压，耐压不受高温
二 炼油工业中的催化反应器
１．催化裂化反应器
催化剂粒度20-100μm的微粒 时间短 2-4秒，催化剂结焦失活，流态化催化反应器 反应器－再生器
２．加氢裂化反应器
３．催化重整反应器
4
催化反应工程
5
催化反应工程
6
催化反应工程
流态化技术
１．气体分布２．颗粒的流动特性３．特征流速 ４．床层的膨胀与压降５．气泡行为６．乳相行为 ７流化床的热、质传递８．颗粒夹带与分离９．数学模型
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催化反应工程
反应器模拟设计必须具备的条件
1 反应过程：反应物系、催化剂、操作条件、转化率、选择性、收率 2 热力学： 物性参数、粘度、导热系数、扩散系数、状态方程、平衡
常数、逸度系数、反应热
3 反应动力学：
rC O d dC N W O rC2O d dC N 2 W O rmd dm N W
1 绝热反应器
催化反应工程
第三章 催化反应器设计概论
第一节 催化反应器基本类
1 气-固相固定床催化反应器 2 气-固相流化床催化反应器 3 气-液-固三相悬浮床催化反应器
1
催化反应工程
催化反应器：产量已定
基本问题：１．放热反应－移热；吸热反应－供热
以移热为例：换热方式，催化床是绝热的，段间换热； 内冷自热式 催化床中插入冷管 催化剂装在管内
２．可逆放热反应的平衡
接近平衡 推动力减小 催化床体积增大
2
催化反应工程
３．固体催化剂颗粒 传质，压力降
４．流体流动，压力降 轴向流动，径向流动，轴径向流动
５．流体分布
还有材质，直径，反应器制造，运输
3
催化反应工程
一 合成氨工业中的催化反应器
Topsφe s-200型氨合成器 １．看设备图２．各主要部分３．气体流动４．催化剂装卸 ５．热膨胀
7
催化反应工程
8
催化反应工程
9
催化反应工程
10
催化反应工程
三 基本有机化工中的催化反应器
平行 连串 平行连串反应系统
温度
反应器进口气体组成，操作压力，操作温度， 产量
１．深度氧化的副反应，活化能大于主反应，反应热大于主反应的； 降低温度有利，若温度高，副反应加剧，飞温，可能烧坏 催化剂，反应器
床层压力降采 Er用 ga方 n 程
d dp l R 15 m e 01.75 G fd 2s
1 3
Rem
dsG 1
1
14
催化反应工程
二 基本计算方程
建立模型
物料衡进 算 出 反应 累 量 积 0 0非 稳稳 定定 状状 态态 热量进 衡 出 算 焓 累 变积
动量d 衡 p2 K 算 fud d fe u u 2 2 fd x 0
1995年 筹建 1998年3月 华东理工大学提交反应器基础设计 1999年 反应器制造完成 2000年初 安装 2000年5月 投产成功，产品达到美国US AA级
甲醇标准
C 2 O H 2 C3 O HH C 2 O 3 H 2 C3 O H H H 2 O C 2 O H 2 C H O 2 O
催化反应工程
催化反应器的数学模型
实例 上海焦化有限公司年产20万吨甲醇合成反应器 反应器内径4m,反应管数6705根，催化剂44m3
91年 三联供立项 92年 甲醇合成反应器宏观动力学研究，反应器模拟设计 94年 南化机反应器制造完成，从长江浮运到黄浦江 95年 开车成功
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催化反应工程
兖矿鲁南化工公司年产10万吨甲醇装置
dy g dl
dT g dl
S r A ,S k g S eC A ,g C A ,S
S r A ,S H R S S e T S T g
l 0 , y g ,T g
12
“非均相”与“拟均相”模 型
催化反应工程
非均相
考虑气流主体与催化剂颗粒外表面之间的温度差和浓 度差，催化剂颗粒内部浓度差和温度差，传递过程队 反应速率的影响计入模型，则称为非均相模型。
4 质量、热量传递过程：
Dr, kg, s 1 1 1 kbf b w s Rc
18
第三节 催化反应器的操作参数
1、反应温度
催化反应工程
1 单一可逆放热反应最佳温度 最佳温度曲线
Tm 1
Te RgTe
lnE2
E2E1 E1
E1、E2：正反应、逆 化反 能应的活
2 一级不 主 可 E 1反 若 E 逆 1 E 应 2 T 平 选 行 ， 择 反