反应工程课件第五章

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；
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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？
分析
(2）可逆放热的气-固相催化 反应过程
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。
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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
颗粒状 态
气－固相催化反应器
换热方 式
固定床反应器
流化床反应器
绝热式
P
A T
B
x KP T
kp
( pso3 ),x p p0.5
so2 o2
ps o3 pso3 pso2
4905.5 lg kp Te 4.6455
Telgx
49.5 05 0.5lg 100 0.5a x0.5lgp4.6455
1x
建b 筑精 选课0件.5ax
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B、最佳温度曲线：X-Tm线
a 、 x A T m b 、 x A r A ,T m c 、当 T T m 时 r A r A , max V R V R , min
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。
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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，
x
平衡温度线
最佳温度线
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T
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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
定义 衡转化率X，即最大转化率。
特性
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：
[生成物浓度 ]
KP
[反应物浓度
]
f (x)
lg K
始组成不变，各段的操
作线斜率相同，相互平
行。
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平衡温度 线
最佳温度 线
T
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B、原料气冷激式
Ⅰ
x
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
平衡温度线 最佳温度线
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T 18
特点：
49.505
Te l
gx
0.5l
g 100 0.5a x0.5lgp4.645
1x
b0.5ax
a、由于Yi0，P不变，则x-Te，
x-Tm曲线不变，各段共用。 x
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
r(x,
线，即是最佳温度曲线。
T)
x
平衡温度线
最佳温度线
T
0 0..60
0
0.80
最佳温度曲线的作法：
a、通过实验测定 b、化学动力学控制时 ，用公式计算
T OP
Te 1ER2gTEe1 l nE E12
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最佳温度曲线特性：
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。
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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。
400℃<<700 ℃
40℃ 换热器1
r A dV R dN A N A 0 dx A
dT ( H R ) N A 0 dx A N i C Pi
令
（
H
）
R
N T 0Y A 0
,则
dT
N i C Pi
dx A
T T 0 ( x x 0 )
1
x
(T
T0)
x0
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B、单段适用的场合
a、转化率变化不大的反应过程
第五章 固定床气-固相催化反应工程
5.1 固定床气－固相催化反应器的基本类型和数学 模型
5.2 固定床流体力学 5.3 绝热式固定床催化反应器 5.4 连续换热内冷自热式催化反应器 5.5 催化反应过程进展
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气——反应物和产物为气相
固——固体催化剂
2SO2 + O2 =2SO3
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。
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A、间接换热式 a、内部间接换热式 b、外部间接换热式
Ⅰ Ⅱ
x Ⅲ
平衡温度线
最佳温度线
Ⅳ
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T
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特点：
a、由于Yi0，P不变，则xTe，x-Tm曲线不变，各 段共用。
b、冷却过程无反应，但 x
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
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。
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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。
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。
x
平衡温度线
x 1(TT0)x0
最佳温度线
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T
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(4）绝多热段反绝应热—式—催换化热反—应—器绝热反应——换热
间接换热式
外部间接换热式 内部间接换热式
分
冷激式
原料气冷激式
类
非原料气冷激式
间接换热式+冷激式
换热式
多段绝热
单段绝热
内冷式
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外冷(热)
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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。
用途
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。
非催化的气—固相反应：如水煤气的生产，氮与电石反应
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。
换热器2
转化器
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。
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(3）单段绝热式催化反应器
x
原料气
平衡温度线
催化剂
最佳温度线
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产物
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T
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A、绝热过程的热量衡算
N i C Pi dT
（
H
）
R
r A dV
R
rA
dN dV R
，
xA
N A0 N A N A0