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

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
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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
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
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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
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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
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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
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
1 绝热反应器
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
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
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
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催化反应工程
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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
副反应E2 若E1 E2 T 选择性
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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
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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
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
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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
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催化反应工程
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催化反应工程
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催化反应工程
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催化反应工程
பைடு நூலகம்
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
4 质量、热量传递过程：
Dr, kg, s 1 1 1 kbf b w s Rc
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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
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。
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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
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
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“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。
若化学动力学ds可 控适 制当 ， ，p
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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