催化反应工程(华东理工大学)-工业反应过程分析导论(1).ppt

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1、第六章　气固相催化反应和反应器一　传递过程与宏观动力学二　粒内传质与ζ三　粒外传质与η四　多段换热式催化反应器五　连续换热式催化反应器一　传递过程与宏观动力学（一）气－固相催化反应过程剖析过程分析与浓度分布(深入颗粒内部分析)1.过程历程：浓度分布可逆反应，在r=R处达平衡r=0～Rd区为死区(无反应)（二）宏观动力学方程1.宏观动力学方程的表达粒内反应量等于气流主体向颗粒表面的外扩量：rA=kgSe(CAg－CAS)＝ksSif(CAS)ζrA：宏观反应速率(综合内外扩散)；kg：外扩散传质系数；ks：单位时间表面积上的反应速率常数

2、；Se：单位体积催化剂的外表面积；Si:单位体积催化剂的内表面积；ζ：内扩散效率因子或内表面利用率。对一级不可逆反应f(CAS)=CAS对一级可逆反应2.宏观反应中颗粒的传热(粒外温差)颗粒内反应热等于颗粒外表面与气流主体的传热量：rA(－ΔHR)=ksSif(CAS)ζ(－ΔHR)=αSSe(Ts－Tg)αS：颗粒外表面对气流主体给热系数；Ts：颗粒外表面温度；Tg：气流主体温度。放热反应：ΔHR<0，Ts>Tg3.内表面利用率(内扩散效率因子)ζ由于内扩，CA↓，rA↓；由于平衡ΔCA↓，rA↓，S内未全利用，故有ζζ=1，(化学动

3、力学)本征过程，CA=CAS一般：0<ζ<1，CA

4、中，x不变③各段绝热线斜率上移④一般放在最后两段之间⑤阀门调节温度反应过程分析多段原料气冷激，略去Cp的差异联立式(2)、(4)求解，可得2多段间接换热式反应器各段始末温度及转化率的优化设计1.解析法求解n段，已知V0,x1进，xn出求VR=最小时的各段x，TX1，进，XN，出已知2个Xi+1，进=Xi，出n-1个方程Ti，出-Ti，进=Λ(Xi,出-Xi，进)n个方程τ0标准接触时间，hVS0标准状态下初始态体积流量，m3(stp)/h独立变量数2n-1反应器体积最小的必要条件为独立变量第一类条件式确定段间间接换热过程第二类条件式确定

5、各段出口转化率第二类条件式第一类条件式2.出口温度受耐热温度限制独立变量数n-1，取各段出口转化率xi，出为独立变量3.直接搜索法最优化问题：1)反应器催化床体积最小2)产量最大3)能耗最小4)经济效益最大解析法存在的问题：1)VR=min，已推导；但产量=max?经济效益=max?2)有温度限制时，解析法求解很复杂。3)直接换热式反应器，如何优化？4)不能判断多维极值的“尖”与“平”直接搜索法1）分析独立变量数，确定独立变量设计型：VR=f(xi,出，Ti,进)=Min操作型：Prod=f(xi,出，Ti,进)=Max必然存在一组(x

6、i,出，Ti,进)使VR=Min，或Prod=Max3)给定初值---得VR(或Prod)---修正---直至VR=Min，或Prod=Max4)如何修正，最优化方法，如powell法2)建立数学模型5)若在改变初值的过程中发现下述现象，改变搜索方向Ti,进<催化剂起始活性温度Ti,出>催化剂耐热温度注意：直接搜索法求得的结果，判别3多段直接换热式反应器各段始末温度及转化率的优化设计注意：原料气冷激，∧i相同非原料气冷激，∧i不相同共有5n-1个变量独立变量数2n-1,当第一段进口温度给定，则独立变量数维2n-2冷激过程热量衡算n-1非

7、原料气冷激冷激过程中物料衡算n-1xi,进，xn,出已知21反应器类型连续换热式1)自热式，催化剂装在冷管间2)供热式(或移热式)，催化剂装在列管内(或管间)2反应器数学模型一连续换热式氨合成反应器(举例三套管并流式)五连续换热式催化反应器1物料衡算2.微分方程的建立热量衡算绝热段冷却段热量衡算床层冷管内冷却段F(ta0)e3计算框图反应速率反应热、热容粘度、导热系数传热系数绝热段微分方程冷却段微分方程输入求绝热段假设ta0求冷却段输出调整ta0noyes冷管出口气体温度等于床层进口温度tae=ta0是ta0的函数3)VSP↑，yNH3

8、↓，产量↑，Δp↑4)TF↓，th下移，yNH3↓，产量↓，tai↑5)H2/N23→2.8，生产温度↑，有一较适合的H2/N24.结果与讨论1)tb0变化，生产强度变化，有一较佳的tb02)tb0↓，ta