固定床反应器.ppt

= k / k’
(-△Hr)=E2-E1
xA
rA
k(T )CA0[(1
xA)
xA ] K (T )
1
等速率线: 对应于每一个转化率,每一个反 应速度有二个温度,
一个大于Topt 0
一个小于Topt
x=0
-rA=f(T,xi)
x (-rA) ↑
x1
2
x
3
Topt
T
等速率线 (-rA)=0
(-rA)增加 Topt
Topt R ln
(E2 E1) k0E1CA0 (1 xA)
k0 ' E2 (CR0 CA0xA )
0
T
( 1 1 ) R ln E2 Topt Te E2 E1 E1
对一级反应且CR0=0时有
-rA
rA
k CA0 [(1
xA)
xA K
]
K
K0
exp[
H r R
(1 T
1 T0
)]
KP
PNH 3 P P 1.5 0.5
来自百度文库H2 N2
0.17 25.3 (0.6225 25.3)1.50.2075 25.3)0.5
3102 / MPa
log
KP
2171
19 .6 P Te
(4.2
0.02 P)
Te＝818.5 K。
Topt
Te 1 RTe ln E'
E'E E
818.5 1
不可逆
如果是可逆 又放热
-rA=kCA-k'CP
放热反应，必然是 E2 E1
对一级反应有
x
T
Topt Te
rA kCA0 (1 xA ) k'(CR0 CA0 xA )
在每一个转化率 x下: 当(-rA) 达到零时， 相应的温度称为平衡温度Te
当(-rA) 达到最大时，相应的温度称为最优温度Topt
1.) 总压为25.3［MPa］，H2/N2分子比为3：1，NH3含量为17％（mol／mol） 2.) 总压为25.3［MPa］，H2/N2分子比为3：1，NH3含量为12％（mol／mol)
解：首先求出氨含量为17％时混合气组成，并求出平衡常数kp。 再由kp求得平衡温度Te。最后求得最优温度Topt。 含氨17％时，N2：1/4×(1－0.17) ×100＝20.75％； H2：3/4×(1－0.17) ×100＝62.25％
-205.0 kJ/mol
3CO + 3H2 CH3OCH3 +CO2
-245.0 kJ / mol
最优温度Topt
rA kCA0 (1 xA ) k'(CR0 CA0 xA )
k
k0
exp[
E1 RT
]
k
'
k0
'
exp[
E2 RT
]
xA 1
(-rA)=max (-rA)=0
d(-rA)/dT = 0 解得Topt
dp
Um
D
u＝ Um/ε
De 空管
P
f
L
(Um )2 ( )
De 2
式中： 床层空隙率 De 床层当量直径
f 64 Re
const
层 2300 过 104 Re 湍
流
渡
流
区
区
区
根据比表面相当求De 定义：水力半径＝浸自润由表体面积积
左边 右边
1
(1
)
d p2
6
d
3 p
4
De2 L
De
1 (1 )
K e(E E )/ RT 0
K0eH / RT
K (T1 )
H ( 1 1 )
e R T1 T2
己知T1温度下的平衡常数K(T1) 可求其它温度下的平衡常数
K (T2 )
对放热反应, K随温度升高而变小
可逆放热反应, 反应速与T的关系
k
AR
k’
E1
k 按 e RT 增加
-rA
T
E2
k’ 按 e RT 增加
120
100
理 论 80 转 化 60 率
40
%
20
0 0
CH3OH
P=5.0MPa
DME+CO2
DME+H2O
催化剂失 活温度
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
反应温度（C）
CO + 2H2 CH3OH
-90.4 kJ/mol
2CO + 4H2 CH3OCH3 + H2O
dp 6
由左＝右可得：
f'
150
De
T
xA
固定床反应器的最优温度分布
1
随着x增加,逆反应增 加, 反应最优温度 随之下降.
x= 0
Topt
0
x
T
等速率线 (-rA)=0
(-rA)增加 Topt
T
T1 T2
0
x
0
x1
x2 x
T1 x1 T2 x2
例
合成NH3反应1/2N2＋3/2H2 NH3是可逆放热反应，在铁催 化剂下E＝58.6 kJ/mol，E’＝167.5 kJ/mol，平衡常数Kp与温度的 关系为logKp＝（2171+19.6P）／T－（4.2+0.02P），P为总压力 ［MPa］。试计算下列条件下的最优温度Topt。
第五章 固定床反应器
见P184-185介绍： 催化剂不动； 流体相是气，液或气液并流,逆流； 应用很广：合成NH3，H2SO4，CO水煤气变换 制H2，乙烯氧化制环氧二烷，乙苯脱H2制苯,轻 油蒸汽裂解制乙烯；石化产品：橡胶，纤维， 树脂中均大量用固定床催化反应器。 主要问题是散热方案：催化剂床层导热差
1.平衡曲线与最优温度线（P81） 微观可逆性原理指出：如正向反应是基元反应，则
逆向反应也必是基元反应，且正、逆向在进行时必然
是通过同一个过渡态（活化络合物）。
据此，可把动力学中的反应速率常数k与热力学中
的平若衡常a数A K+关b联B起来。kk+-
cC + dD 是基元反应，
则有，
r
k
C
Aa C
b B
平衡温度 Te
rA kCA0 (1 xA ) k'(CR0 CA0 xA ) = 0
k
k0
exp[
E1 RT
]
k
'
k0
'
exp[
E2 RT
]
解得
xA 1
Te
R ln
(E2 E1) k0CA0 (1 xA )
0
k0' (CR0 CA0xA)
(-rA)=0 T
例
合成气制二甲醚的理论转化率
8.314 167.48
818.5 58.618
ln
167.48103 58.618103
768K
氨含量改变后(12％ )，Kp也变化，同样可得： Te＝872.5 K，Topt＝815.4 K。
2. 床层内传递过程
1压降计算
空管 P f L ( u2 )
D2 填充床压降，Ergun公式
r kCCc CDd
当体系达到平衡时，r+ = r-
CCc CDd C Aa CBb
e
k k
K
由此式，可从正向反应 的速率方程和K来确定 逆向反应的速度方程。
K与T的关系
E+
CCc CDd C Aa CBb
e
k k
K
∆H
E-
K(T)
k k
k e E / RT 0
k e E / RT 0