第三课-气固催化反应器-反应过程温度特征-反应器选型与操作方式讲诉.ppt

1、第三课，气体固体催化反应器反应过程的温度特性反应器选择型和工作方式可逆单分子系统多反应系统动力学，气固催化反应器，气固催化反应器基本型，固定床催化反应器绝热式反应器流化床催化反应器气液固三相催化反应器，固定床催化反应器，气相反应物继续流入由颗粒催化剂组成的固定层，反应后反应器继续根据是否与外部热交换，分为两个茄子主要类别。绝热反应器热交换反应器固定床反应器代表：催化重整加氢精制异构化分解，固定床反应器的优缺点，床内流体流动接近PFR，半婚较小，因此rA，xA，小容积，生产能力更大。催化剂不容易磨损，可以长期使用。停留时间受到严格控制，温度分布受到调节等容易控制。传热是热传导不良物质，反应结果对

2、温度的依赖性很强，因此在热效应大的反应过程中，传热和温度控制是技术难点和关键。催化剂更换生产必须停止，所以寿命要足够长。催化剂粒子不能太小。绝热式反应器，结构简单，床内没有热导装置，预热到适当温度的反应材料在绝热条件下反应，热效应不大，反应温度变化范围大的情况最适合，分为单段和多段。在单截面隔热条件下，仅响应一次。多级反应经过一次热，满足所需的温度条件，再进行绝热反应。一次绝热反应器被称为催化重整的绝热反应器，根据绝热式方式，直接热交换式原料空气冷凝式非原料空气冷凝式喷雾，冷却，分压，换热器，绝热式应用更为普遍。催化剂床的特点是在化学反应期间与外部进行热交换。特别是热管很多。通常在管内放催化剂

3、，在管间走热载体(使用高压水，在管内走高压流体)。管道直径大小通常为2550mm，具体取决于反应热和允许的温度。催化粒子大小八分之一管直径，一般为26毫米。热载体取决于所需控制的温度。高压水100300苯尼比，石油中的烷基是200350无机盐300400烟煤600700熔融金属密封要求高，热电体强制循环。热管的传热比较好，管内温度比较容易控制，放大大，反应速度快。另外：外部热载体将自身的热原料气体绝热式、热电式反应器结合起来，像合成氨一样，早期使用绝热式、快速加热、rA和热电式。流化床催化反应器，催化剂颗粒在棋类作用下像流体一样流动。气体、固体都在运动，范围从临界流化到棋类输送，具体采取什么形

4、式，并应结合反应动力学特性来决定。流化床的情况很复杂，很多规律今天还不知道。流化床反应器的优缺点、传热效率、床内温度容易均匀，适用于热效应大、温度敏感的过程。固体催化剂可以往来运输，适合催化剂快速惰性，随时再生的过程(如FCC，大规模连续生产的关键)。可以使用细微的粒子、内部扩散电阻、内部表面利用率。粒子运动接近完全混流，停留时间不同，引起rA，xA，副作用。气流状态不均匀，气固接触不够有效，对高xA不利。催化剂容易磨损，必须有旋风分离系统。根据固定床反应器的基本数学模型、反应动力学，可分为拟菌相和非均匀相。拟菌相将固体催化剂和液体视为均匀上半身系统。对于化学动力学控制，催化粒子表面和内部的反

5、应组浓度和温度与气体主流一致。非均匀时，考虑气体主流和粒子外表面和粒子内表面的浓度梯度和温度梯度。根据温度和浓度分布状态，可分为一维模型和二维模型。一维仅考虑流体流动方向(轴)的温度和浓度变化，在垂直于流动的剖面(半径)中，它被认为是等温等浓度。2D不仅考虑轴向，还考虑径向的浓度和温度变化。(针对管道直径大、热效应大的反应)、流化床反应器的数学模型类别、两相模型气相平流、固相部分反混合式气相平流、固相平流的统一模型气相平流、固相全混流上游(气固)、反流相(气固)均为平流的逆流模型三相模型气相、固相，固定层的准平均二维模型，管道直径不那么小的话，反应列也比较大，径向温度经常可见，所以要考虑径向和

6、轴向二维。取环形微源体积，对反应组A进行材料平衡比等温平衡计算，就可以写出热平衡方程。上面的基本方程组是对单个反应的一个或多个反应，对于两个或多个反应组，每个反应组必须单独列出。非均匀分别需要列出流体、粒子物质平衡和热平衡方程。很多学者在固定床反应器中，粒子内、外阶段输送过程的重要性顺序为传热：在层内流体粒子内粒子内传质：在粒子内流体粒子内产业设备中，实用流速足够高，流体和粒子之间的温差很大，而催化剂颗粒内的内部扩散过程是导电的主要因素，因此，只要解决催化剂的效率系数和床层的有效热导率这两个问题，固定床反应器的设计和扩大就可以采用模拟平均模型，没有太大的错误。(David aser、North

7、ern Exposure(美国电视电视剧)、Northern Exposure(美国电视电视剧)非均匀模型可大大增加计算量，普通计算机无法承受，但结果与模拟平均模型的结果非常接近，因此一般来说，除了少数茄子特殊情况外，使用模拟平均一维和二维模型是比较好的、反应器的热稳定性和参数敏感性、化学反应器的传热问题与一般加热、冷却或传热过程的传热问题有重要区别。换句话说，反应器内反应过程和传热过程之间的相互作用。在放热反应过程中，可能会发生以下恶性循环。当然，这种恶性循环是没有吸热反应的，是一般传热过程中不存在的特殊现象。这种现象的存在对传热和反应器的操作、控制提出了特殊要求。热稳定性，反应器在一定平衡

8、状态下设计和运行。那么，在传热的情况下，牙齿反应器是热平衡状态，即反应的热释放率是热移动的速度。除非牙齿平衡破坏，反应器的温度不随时间变化，处于正常状态。如果某个短扰动对反应器的温度产生了细微的变化，例如，如果有小上升，扰动消失后，原来处于平衡状态的反应器会发生什么变化呢？当然，有两个变化。第一，反应温度自动恢复到原来的平衡状态，据说牙齿时反应器具有热稳定或自我平衡的能力。David aser，Northern Exposure(美国电视电视剧，健康)，另一个是牙齿温度会继续上升，直到另一个平衡状态。据说牙齿反应器不稳定或没有自我平衡能力。平衡和稳定是两个茄子不同的概念。平衡不等于稳定。平衡有

9、两种茄子：稳定平衡和不稳定平衡。热稳定条件比平衡条件苛刻得多。在热平衡条件下，热移动速度必须等于反应的热释放速度，因此，为了减少所需的传热面积，可以使用较大的传热温差来简化反应器的结构。热稳定性条件限制传热温差，要求传热温差小于指定值，从而显着增加所需的传热面积，使反应器结构明显复杂。参数敏感性，所谓的参数敏感性，是指每个相关参数(如流量、进口温度、冷却介质温度等)进行微调时，反应器内的温度或反应结果会发生多大的变化？反应器的参数灵敏度太高，对参数调整的准确度太高，会使反应器操作困难。因此，在反应器设计中确定设备尺寸和工艺条件时，应避免过度的参数敏感性。化学反应器稳定性和敏感性的差异，参数敏感

10、性和热稳定性是两个茄子不同的概念。热稳定性是针对小而短的扰动。参数敏感性小，但对于持续的调整。无论是热稳定性还是参数敏感性，都对反应器设计施加了限制。如果不重视，设计的反应器通常不起作用。连续搅拌釜反应器的热稳定性，完全混合釜的热平衡条件以初级不可逆均质放热反应AP为例。对A组的物料平衡反应过程的发热量率是反应速率常数和温度之间的指数函数关系，因此发热量Qg随着反应温度的变化呈S形曲线。完全混合釜的QT关系，反应器的移动热速度是通过气壁传热和反应物流体的热脱皮变化而夺取的热总和。在反应过程中，反应混合物密度、粘度、比热等物性参数温度的变化，同时为了简化讨论，反应器设计的任务就是决定UA和Tc。

11、也就是说，必须确定移动热速度线的位置。在曲线Qg和直线Qr的交点处，QgQr具有相同的反应器放热速度和传热速度，满足热平衡要求，因此交点是反应系统的正常工作点。完全混合水壶反应器的热稳定性在相同的运行条件下，反应器内可能出现三个茄子运行温度TA、TB和TC。这就是反应器的多态现象，在数学上称为多年。实际出现的操作温度取决于启动状态。反应系统的多态动作点满足QgQr的热平衡条件，但特性不同。a和C点具有热自平衡功能，这是稳定的正常工作点。b点没有热自平衡功能，是不稳定的正常工作点。完全混合釜的热稳定性条件是可逆放热反应发热曲线、吸热反应定型点、吸热反应之一状态唯一，没有多态。对工作参数热稳定性的

12、影响、供给温度对完全混合釜反应器热稳定性的影响、供给流率对完全混合釜反应器热稳定性的影响、完全混合釜反应器中冷却介质温度TC降低的话，热传输区A和传热系数U增大的话，热移动速度会增加，但超过一定限度的话，完全混合釜反应器可以低温稳定。最大允许温差最大允许温差是热稳定性对整个搅拌机反应器设计和运行的限制。Qr对T柔道、Qg对T柔道、赋值表达式、完全混合部的最大允许温差反应器所需的最小传热面积确定了整个搅拌机反应器的冷却介质温度条件和控制要求。最小传热面积确定了全混合水壶反应器传热面积的设置要求。在完全混合水壶反应器中发生连接反应，需要控制中间转化率的情况下，很可能在B点工作。在牙齿点，为了满足热

13、稳定性条件，必须提高冷却介质温度Tc，相应地增加UA，以确保移动热线显示在图中所示的Qr线上。因此，用于强放热反应反应器的冷却介质必须保持较高的温度。完全混合茶壶的参数灵敏度对于完全混合水壶反应器来说，在指定的工艺条件下，主要曹征参数是冷却介质温度。因此，调查反应温度T和反应结果对冷却介质温度TC的敏感性至关重要。，对于完全混合水壶的“关闭”和“飞行温度”，对于D点，如果对TC进行小型下行调节，牙齿时移动热线将平移向左，交叉热线将到达点，即下行点。相应的温度如下。(阿尔伯特爱因斯坦，Northern Exposure(美国电视电视剧)，此时温度急剧下降，反应结果也从古典汇率转变为低转换率。这种

14、现象被称为“关闭启动”，显示出强烈的敏感性。类似地，在D点操作时，传热系数(例如，弯曲强度或冷却介质流量增加)略微增加，移动热线倾斜增加，并且工作点急剧移动到下一个工作点，显示出非常敏感。同样，E点附近也可能发生同样的现象。冷却介质温度的小上升、传热系数的小下降导致操作点急剧移动，温度急剧上升，称为“飞行温度”。因此，在reactor设计中，应避免与或过于接近的操作点，以便为曹征目的留出空间。在完全混合釜的可控完全混合罐反应器中，由于物质的急剧混合，同时发生加热或冷却。因此，原则上不会发生局部温度过高或过低的现象。反应物系的热容量大，例如反应物系是液体，温度的上升比较慢，容易调节和控制。对于这

15、种反应器，不一定满足热稳定性条件，可以使用简单的手动控制或自动控制装置完全实现闭环稳定性。当然，如果调节太慢，仍然会发生失控现象，导致飞行温度或启动关闭。聚合反应部操作当时没有发生的爆炸聚合现象就是牙齿事例。管固定床反应器的热稳定性，热稳定性条件有图中所示的管固定床反应器，进行热催化反应。反应热通过管子外夹冷却去除。假设流体通过床层时，由自身温度上升吸收的反应热很小，可以忽略。热量主要通过肝壁冷却去除。它还忽略了床层辐射型的浓度和温度分布，催化剂粒子表面和流体之间的差异。这样可以计算反应器内的微元件，作为热平衡。微元件内反应热速度微元件过渡器壁移动热移动速度热平衡方程保持稳态所需的条件为，最大

16、允许温差相同的操作条件下，两个茄子可以有不同的稳定状态。但是，对于化学反应器的传热过程，不能随机选择传热条件，必须使用大Uat和小温差。否则，无法满足热稳定性条件。如果超过热稳定性条件，reactor将无法正常运行。与最大允许温差相对应的最小允许冷却介质温度应使用在高温条件下执行的强放热反应、高温介质作为冷却剂。正是牙齿点使反应器传热问题的解决更加困难。管状固定床反应器的设计必须满足热稳定性条件，这是与全搅拌机反应器的重要差异。由于讨论了反应器的局部稳定性，因此不能期望它是气固反应，其热容量小，飞行温和非常快，难以控制，使用一般控制措施实现闭环稳定。管状催化反应器的敏感性管状固定床反应器，即使

17、满足热稳定性条件，参数灵敏度也可能更高。供给温度、进口浓度和冷却介质温度等仍会对反应器内的温度产生重大影响，尤其是热点温度。右图是典型的例子。冷却介质温度大于335K时，冷却介质温度的细微上升引起反应器温度的巨大变化，出现了参数灵敏度的特点。为了便于操作，必须通过实验研究或模拟计算将工作放置在不敏感的区域。，热管固定床反应器的参数敏感性、热反馈与整体稳定性一起讨论局部稳定性。对于管状催化反应器，局部不稳定状态不一定影响整个反应器的运行状态。如果reactor没有返回混合，则对于连续运行状态，局部不稳定性依次流向下游，最终离开reactor，reactor将恢复到原始正常运行状态。如果沿反应器轴反向传热过程，即热反馈，则可能向上游反向传递，从而导致反应器的整体热稳定性问题。因此，反应器整体热