第六章 反应器设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
Solids concentration C/C0
0.30
r/R =1
Riserr
Axial Peclet number, Pe
r/R = 1 Downer
5 3 2
Pe Pe
Downer Riser
10.0
5 3 2
r/R =3/7 Riser
0.20
Ug= 5.73 m/s
2
r/R =0
Riser
气固相催化反应:
250并行反应器(I)
10-16并行反应器(II) 15并行气液固三相反应器 反应温度25-1200度 反应压力:常压-15大气压
适合进行:烃类氧化、加氢
及各种高温反应
几种催化剂种类
FLOTU
无定形颗粒 球形 柱形
长柱形
三叶草形
环形
多孔柱形 车轮形
比表面积 破碎强度 压降 制备方法
提升管与下行床流动行为差别
FLOTU
4.00
Ug = 6.1 m/s Gs= 108 kg/m s
2
1.6
10.0
3.00
Riser
1.2
Particle velocity, Vp (m/s)
Downer
8.0 6.0 4.0 2.0 0.0
Vg/Ug
2.00
0.8
Ug Gs
FLOTU
问题:怎样解决不同
方法间跨尺度的耦合 问题? 对称性缺损、重整化 群? 我们更需要物理
反应器设计的层次
2、 FLOTU
扩散-反应传递现象
混合与分散 3、 4、
固定床、移动床 稀相反应 连续物料供应 移热/供热方式 温度、浓度均匀? 逆流、并流、错流? 适宜的催化剂浓度
1、
催化反应器设计方程(稳态)
独石形
金属独石形 Foam
催化剂设计策略
FLOTU
优化催化剂设计原则: 颗粒大小 催化剂形状 孔隙率 强度 均是强相互关联的 压降
制造成本 选择性
失活
活性分布
堆积结构
催化剂设计
FLOTU
均是强相互关联的
催化剂强度
FLOTU
在填充床中承受的力: 催化剂重量 压降 催化剂填充 侧向抗压强度 正向抗压强度 浆态床 流化床 抗磨损性 移动床
独石催化剂上的流动
FLOTU
Taylor 流与降膜流 低压降流动 逆流流动 混合问题
•平推流 •层流
新概念反应器
FLOTU
颗粒再循环反应器 钒磷氧体催化剂循环 晶格氧载体 二氧化硅壳抗磨 非稳态催化剂状态 对马来酸酐选择性高 移热容易
周期改变流向的绝热反应器 (RPFR)
工程的目标:在众多可能性之中找出可行性,并将其效率最大化
技术创新中的知 识链与研究平台
技术转化
第五层: 大系统与生态工业
FLOTU
第四层: 过程设计与产品 设计
第三层: 流动、传递、颗粒处 理与反应器设计
第二层: 表面、催化与化 学动力学 第一层1: 分子变换、过 渡态、原子簇结构
多功能反应器需要多尺度方法
工、结构、环 境、机械 科学方面: 化学、
物理、生物、 数学
并行方法设计催化剂
FLOTU
过程开发中缩短到工业化的时间
两个范例
燃料电池中CO的脱除 无数的选择条件:催化剂性能、 操作条件与时间(失活、再生 等)、经济性、环境、安全等 无数的参数:催化剂合成,多 达80个元素及组合,过程参数 更多 实验无法穷尽,计算无法解决! 专利可以很多!
FLOTU
参数
表征
wenku.baidu.com
性能
FLOTU
找性能与特征的关联
理解过程,用少量的
实验、聪明的研究少 量样品来得到好的结 果,1样/月。 可以进行大量样的并 行吗?
大能量催化剂研究策略
FLOTU
利用黑箱方法进行大
量筛选,100样/天 基于大量实验的合理 的关联
并行方法催化剂试验
FLOTU
第六章 反应器设计
清华大学化工系 魏飞
反应器的多功能性 -选择与设计
资源与能源 经济性 反 应 器
•过程总体成 本最低
FLOTU
反应物
过程要求
•最大转化率 •最大收率 •最大选择性 •易于放大 •高通量 •低压降 •易取热
目的产物 副产物 未转化物
•固有安全性 •效率与环境
绿色、环境与安全 产物结构怎样考虑?
CH4
FLOTU
+O2
H2O + CO2
反应产生的热量与原料原位换热 传热效率高、非稳态操作 SO3合成、烃类氧化、甲醇合成
催化剂
换热用颗粒
反应与传质分离同时进行的过程
FLOTU
烟气脱NO过程:
4NO
+ 4NH3 + 2O2 不能将NO及氨排出
4N2 + 6H2O
结构化催化剂
FLOTU
Sulzer
填料
三层式孔隙
独石
平行通道
错流式
链珠式
温度控制
FLOTU
环氧乙烷选择性
温度
环氧乙烷收率
环氧乙烷生产
强放热反应
反应器长度
反应器长度
反应器设计作业
FLOTU
试用反应器设计原理设计二甲醚制低碳烯烃裂解 反应器: 反应过程为快速积碳失活,催化剂为SAPO- 34分子筛,受强晶粒内扩散控制 中间产物烯烃为目的产物 请简述催化剂及反应器设计思路
FLOTU
第四层次:注入及分散策略
C、原位移出 原位产品移入,以避免 平衡限制(脂化反应) 连串反应(选择性氧化/加氢) 产品毒化(加氢精制)
萃取 原位精馏 膜反应器 FLOTU
能量移入及移出 产品蒸发 反应精馏
第四层次:注入及分散策略
D、逆流、并流及错流接触 平衡限制 转化率水平 泛点及压降 加氢过程,目前:并流,将来:逆流 脱氢过程: 错流接触 减少反应物与催化剂接触 气体为平推流 长催化剂停留时间
VPO催化剂
第四层次:注入及分散战略
A、反应物及能量注入及分散战略 反应物:一次注入(间歇式) 连续加入 脉冲注入:方波或周期变流向 分段注入:空间式(膜、测向进料) 时间式(半间歇) 能量供入/移出 通过产品流/冷进料 蒸发 热交换器(反应器内/级间)
FLOTU
用于CHP分解的新型反应器
1.0
5 3 2
0.10
Gs (kg/m s) 12.6 Downer 19.6 Riser
0.00 0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
0.1 2.0
4.0
6.0
8.0 10.0
Time, sec.
Gas velocity Ug, m/s
利用COSRI过程尾气生产二甲醚
反应式: 甲醇脱水:
2
Ug Gs m/s kg/m2 4.3 69 Downer 4.3 31 Downer 5.7 41 Downer 7.9 41 Downer 4.3 32 Riser
m/s kg/m s
1.00
0.4
4.1 15.9 Downer 4.3 23 Riser
1/7 law Empty tube
0.00 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
FLOTU
第三层次:流动区域
常常是前二步已决定了这一步! 气固相反应 失活状态 填充床:固定床、移动床 1年-1周 鼓泡床 <1小时 湍动床/高密度提升管 <1小时 稀相提升管 <10秒 压降, 下行床 <1秒 催化剂损耗 气液固三相 填充床 鼓泡床 传质问题 浆态床 规整填料 FLOTU
CO+2H2=CH3OH(甲醇) 2CH3OH=CH3OCH3+H2O
二甲醚
FLOTU
COSRI 尾 气
部分 变换
CO2 H2
浆 态 反应器
水 二甲醚
二甲醚的用途:替代柴油作燃料。低毒,比液化 石油气容易液化,热值高,燃烧时不产生黑烟和 氮氧化物。 转化效果: COSRI过程耗煤130万吨,产铁100万 吨,生产二甲醚50万吨(相当于45万吨柴油), 过程余热可发电6.6亿度。
第四层次:注入及分散策略
B、优化混合程度 浓度(包括催化剂浓度) 平推流(连串反应,中间产物不混合) 温度:困难的选择 从浓度角度看平推流最好,无混合 强放热反应(热点),混合有利 能量移出/注入战略 程序冷却 催化剂活性分布 催化剂循环(循环流化床,流化床,夹带流动)
过程开发中的资金链
FLOTU
High
VCF's "Angels" Public
High
Low
Emerging Technology Pilot Evaluation Time Start-up Company Expansion BU
Low
Sales
Grants
化学与催化剂设计层
FLOTU
工程方面:化
0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Radial position, r/R
-2.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Radial position, r/R
Radial position, r/R
提升管与下行床混合行为
FLOTU
2
0.40
100.0
r/R =0 Downer r/R =5/7 Downer
Vent
Catalyst
FLOTU
过氧化氢异丙苯分解生产 苯酚、丙酮,以离子交换树脂 催化剂代替硫酸 消除了设备腐蚀和环境污 染问题, 以丙酮蒸发取热,容易控 制,无爆炸危险。
怎样的设计原则保证设 计出高效反应器?
Acetone Phenol
Acetone
N2
CHP
Circulating Fluidized Bed Reactor
FLOTU I组分转化率 化学计量系数
dxi i r d (W / Fi ) 失活速率方程
空速
催化剂有效因子
反应速率表达式
与热量平衡(T曲线),动量平衡(曲线)耦合
反应器设计层次
FLOTU
第一层:原子分子重组 第二层:表面反应、基元反应动力学 第三层:催化剂设计、催化剂内传递 第四层:反应物及能量注入战略 第五层:流动及流型影响 第六层:过程设计及优化 第七层:工厂设计与园区规划 第八层:生态、环境、绿色 问题:层与层的分界如何? 空间层与时间层会不会由于问题不同而差别很大?