催化反应工程华东理工大学催化反应器设计概论学习教案

1、会计学1催化反应工程催化反应工程(gngchng)华东理工大学华东理工大学催化反应器设计概论催化反应器设计概论第一页，共26页。催化反应器：产量催化反应器：产量(chnling)已定已定基本问题：放热反应移热；吸热反应基本问题：放热反应移热；吸热反应供热供热 以移热为例：换热方式，催化床是绝热的，段以移热为例：换热方式，催化床是绝热的，段间换热；间换热； 内冷自热式内冷自热式 催化床中插入催化床中插入(ch r)冷管冷管 催化剂装在管内催化剂装在管内可逆放热反应的平衡可逆放热反应的平衡催化反应工程催化反应工程(gngchng)接近平衡推动力减小催化床体积增大接近平衡推动力减小催化床体积增大第1

2、页/共25页第二页，共26页。固体催化剂颗粒固体催化剂颗粒 传质，压力降传质，压力降流体流动，压力降流体流动，压力降轴向流动，径向轴向流动，径向(jn xin)流动，轴径向流动，轴径向(jn xin)流动流动流体分布流体分布 还有材质，直径，反应器制造，运输还有材质，直径，反应器制造，运输催化反应工程催化反应工程(gngchng)第2页/共25页第三页，共26页。一一 合成氨工业合成氨工业(gngy)中的催化反应器中的催化反应器Topse s-200型氨合成器型氨合成器看设备图各主要看设备图各主要(zhyo)部分气体流动催化剂装部分气体流动催化剂装卸热膨胀卸热膨胀高温高压设备高温高压设备(sh

3、bi)耐温不受压，耐压不耐温不受压，耐压不受高温受高温二二 炼油工业中的催化反应器炼油工业中的催化反应器催化裂化反应器催化裂化反应器催化重整反应器催化重整反应器加氢裂化反应器加氢裂化反应器催化剂粒度催化剂粒度20-100m20-100m的微粒的微粒时间短时间短 2-4 2-4秒，催化剂结焦失活，流态化催化反应器秒，催化剂结焦失活，流态化催化反应器反应器再生器反应器再生器催化反应工程催化反应工程第3页/共25页第四页，共26页。催化反应工程催化反应工程(gngchng)第4页/共25页第五页，共26页。催化反应工程催化反应工程(gngchng)第5页/共25页第六页，共26页。流态化技术流态化技

4、术(jsh)气体分布颗粒气体分布颗粒(kl)的流动特性特征的流动特性特征流速流速床层的膨胀床层的膨胀(png zhng)与压降气泡行为乳相与压降气泡行为乳相行为行为流化床的热流化床的热、质传递颗粒夹带与分离数学模型质传递颗粒夹带与分离数学模型催化反应工程催化反应工程第6页/共25页第七页，共26页。催化反应工程催化反应工程(gngchng)第7页/共25页第八页，共26页。催化反应工程催化反应工程(gngchng)第8页/共25页第九页，共26页。催化反应工催化反应工程程(gngchng)第9页/共25页第十页，共26页。三三 基本基本(jbn)有机化工中的催化反应有机化工中的催化反应器器平行

5、平行 连串连串(lin chun) 平行连串平行连串(lin chun)反应系统反应系统反应器进口气体反应器进口气体(qt)组成，操作压力，操作温度，产量组成，操作压力，操作温度，产量温度温度深度氧化的副反应，活化能大于主反应，反应热大于主反应的；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，反应器催化剂，反应器平衡常数与温度的关系平衡常数与温度的关系若在某一温度下，平衡常数小，可提高操作压力若在某一温度下，平衡常数小，可提高操作压力移热问题移热问题反应速率与活性温度反应速率与

6、活性温度催化反应工程催化反应工程第10页/共25页第十一页，共26页。 一 基础(jch)数学模型1 一维拟均相理想(lxing)置换模型 2 2 一维非均相理想置换一维非均相理想置换(zhhun)(zhhun)模型模型 321fdldpfdldTfdldypTyl, 0dldygdldTgggTyl, 0催化反应工程催化反应工程SAgAegSASCCSkr,gSeSRSASTTSHr,第二节第二节 催化反应器基础数学模型催化反应器基础数学模型第11页/共25页第十二页，共26页。“非均相非均相”与与“拟均相拟均相”模型模型(mxng)4非均相非均相4考虑气流主体与催化剂颗粒外表面之间的温度差

7、和浓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，则称为反应速率的影响计入模型，则称为(chn wi)非均相非均相模型。模型。4拟均相拟均相4采用采用“活性校正系数活性校正系数COR ”来简化概括催化剂粒内和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，即活等因素对反应速率的影响，即“拟均相拟均相”模型。模型。催化反应工程催化反应工程(gngchng)第12页/共25页第十三页，共26页

8、。3 3 二维拟均相数学模型二维拟均相数学模型 4 4 一维非均相返混模型一维非均相返混模型(mxng)(mxng) eeD有效导热系数综合扩散系数,方程床层压力降采用Ergan32175.1Re150sfmdGdldp11ReGdsm催化反应工催化反应工程程(gngchng)组变化的二阶偏微分方程、径向随轴向、温度组成rlTy第13页/共25页第十四页，共26页。二二 基本基本(jbn)计算计算方程方程 建立模型建立模型 稳定状态非稳定状态累积反应量出进物料衡算00累积焓变出进热量衡算0222dxudfuduKdfefp动量衡算ORgAvRAAccfkdVdNr,拟均相反应速率式RAARAA

9、AAdVdNrdVrdNNN如：传热或移热绝热00,0babaARbpbTdQdQdNHdTCN催化反应工程催化反应工程(gngchng)SAisRAAcfskdVdNr,非均相第14页/共25页第十五页，共26页。 催化反应器的数学模型催化反应器的数学模型实例实例 上海焦化上海焦化(jiohu)有限公司年产有限公司年产20万吨甲醇合成反万吨甲醇合成反应器应器 反应器内径反应器内径4m,反应管数反应管数6705根，催化剂根，催化剂44m3 91年年 三联供立项三联供立项 92年年 甲醇合成反应器宏观动力学研究，反应器模拟设计甲醇合成反应器宏观动力学研究，反应器模拟设计 94年年 南化机反应器制

10、造完成，从长江浮运到黄浦江南化机反应器制造完成，从长江浮运到黄浦江 95年年 开车成功开车成功催化反应工程催化反应工程(gngchng)第15页/共25页第十六页，共26页。兖矿鲁南化工公司兖矿鲁南化工公司(n s)年产年产10万吨甲醇装置万吨甲醇装置1995年年 筹建筹建(chujin)1998年年3月月 华东理工大学提交反应器基础设计华东理工大学提交反应器基础设计1999年年 反应器制造完成反应器制造完成2000年初年初 安装安装2000年年5月月 投产成功，产品达到美国投产成功，产品达到美国US AA级级 甲醇标准甲醇标准催化反应工程催化反应工程(gngchng)OHCOHCOOHOHC

11、HHCOOHCHHCO22223223232第16页/共25页第十七页，共26页。反应器模拟设计必须具备反应器模拟设计必须具备(jbi)的条件的条件1 1 反应过程：反应物系、催化剂、操作反应过程：反应物系、催化剂、操作(cozu)(cozu)条件、转化率、选条件、转化率、选择性、收率择性、收率2 热力学：热力学： 物性参数、粘度、导热系数、扩散系数、状态方程物性参数、粘度、导热系数、扩散系数、状态方程、平衡、平衡(pnghng) 常数、逸度系数、反应热常数、逸度系数、反应热 3 反应动力学：反应动力学： 4 质量、热量传递过程：质量、热量传递过程：cswbbfsgrRkkD111,催化反应工

12、催化反应工程程dWdNrdWdNrdWdNrmmCOCOCOCO22第17页/共25页第十八页，共26页。 最佳温度曲线最佳温度单一可逆放热反应1化能：正反应、逆反应的活、211212ln1EEEEEETRTTegem，收率选择性若主反应一级不可逆平行反应TEEE2112选择性若副反应TEEE212催化反应工程催化反应工程(gngchng)第三节第三节 催化反应器的操作催化反应器的操作(cozu)参数参数1、反应、反应(fnyng)温度温度第18页/共25页第十九页，共26页。 一级不可逆连串反应3选择性选择性TTAAAEE32121催化反应工程催化反应工程(gngchng)第19页/共25页

13、第二十页，共26页。2. 2. 操作操作(cozu)(cozu)压力压力3. 反应物的初始组成反应物的初始组成(z chn)4. 空速空速5. 催化剂的颗粒催化剂的颗粒 有利摩尔数减少的反应， P可减少压缩功摩尔数增加的反应，PpVrdRAs,pds，可适当若化学动力学控制，催化反应工程催化反应工程(gngchng)第20页/共25页第二十一页，共26页。 DME甲醚甲醇气相催化脱水制二例OHOCHOHCH223320TTNN 等摩尔反应，2,mDmmrrdWdNr1 绝热反应器dlAdyNdWyNddWdNrbDTpTDD0dlDTTKdNHdTCNRsbbsDRbpbTORDTbDCrNA

14、dldy0dldyCHdldTDpbRbinbDTTyl,0,0催化反应工程催化反应工程(gngchng)第21页/共25页第二十二页，共26页。催化反应工程催化反应工程(gngchng)单管逆流(nli)反应器管壳型反应器第22页/共25页第二十三页，共26页。 单管逆流反应器2dlTTDmKdNHdTCNabatbaDRbpbTdlTTDmKdTCNabatbaapaTORDTbDcrNAdldy0微分方程组为lossTTCNDmKdldyCHdldTabpbTatbaDpbRb0abpaTatbaaTTCNDmKdldT0未知0,0,0, 0, 0bbabbDTTTTTyl催化反应工程催

15、化反应工程(gngchng)第23页/共25页第二十四页，共26页。 管壳型反应器3ORDTbDcrNAdldy0fbpbTatbfDpbRbTTCNDmKdldyCHdldT0inbDTTyl,0,0催化反应工程催化反应工程(gngchng) 作业作业(zuy)(zuy)（习题（习题1 1）反应为甲醇脱水生成二甲醚的OHOCHOHCH22332可由下式计算平衡常数pK310263101606. 5108736. 11035267. 2ln83593. 071.32043932. 9lnTTTTTKp。、平衡转化率的平衡常数间隔到算当原料为纯甲醇时，计eqxpKCCC10300200第24页/共25页第二十五