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1、催化反应工程华东理工催化反应工程华东理工大学工业反应过程分析大学工业反应过程分析导论导论1 1反应过程分析反应过程分析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：反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析（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(CAgCAS)ksSif(CAS)rA：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；Se：单位体积催化剂的外表面积；Si:单位体积催化
2、剂的内表面积；：内扩散效率因子或内表面利用率。反应过程分析反应过程分析对一级不可逆反应 f(CAS)=CAS对一级可逆反应反应过程分析反应过程分析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(HR)=ksSif(CAS)(HR)=SSe(TsTg)S：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：HRTg反应过程分析反应过程分析3.内表面利用率(内扩散效率因子)由于内扩，CA，rA；由于平衡CA，rA，S内未全利用，故有=1，(化学动力学)本征过程，CA=CAS一般：01，CACAS，内扩散影响严重(CAcCAS，1
3、)反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分
4、析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析四多段换热式催化反应器四多段换热式催化反应器n多段绝热式催化反应器的特征多段绝热式催化反应器的特征n多段间接换热式反应器各段始末温度及多段间接换热式反应器各段始末温度及 转转化率的优化设计化率的优化设计n多段直接换热式反应器各段始末温度及转多段直接换热式反应器各段始末温度及转化率的化率的 优化设计优化设计反应过程分析反应过程分析多段间接换热式 平衡线，平衡线，Tm线不变线不变 冷
5、却过程中，冷却过程中，x不变不变 各段绝热线斜率不变各段绝热线斜率不变 无返混，无返混，VR最小最小 付线调节温度付线调节温度反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析多段原料气冷激式 平衡线，平衡线，Tm线不变线不变 冷却过程中，冷却过程中，x变化变化 各段绝热线斜率不变各段绝热线斜率不变 有返混，有返混，VR大大 冷激线调节温度冷激线调节温度反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析多段非原料气冷激式 逐段逐段Te，Tm线上移线上移 冷却过程中，冷却过程中，x不变不变 各段绝热线斜率上移各段绝热线斜率上移 一般放在最后两段之间一般放在最后两段之间 阀门调节温度阀门调节温度反应过
6、程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析多段原料气冷激，略去多段原料气冷激，略去Cp的差异的差异反应过程分析反应过程分析联立式联立式(2)、(4)求解，可得求解，可得反应过程分析反应过程分析2 多段间接换热式反应器各段始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末温度及转化率的优化设计1.解析法求解解析法求解n段，已知段，已知V0,x1进进，xn出出求求VR=最小时的各段最小时的各段x，T反应过程分析反应过程分析X1，进，进 ，XN，出出 已知已知 2个个X i+1，进，进=X i，出，出 n-1个方程个方程T i，出，出-T i，进，进=(X i,出出-X i，进，进)n个方程个方
7、程0 0标准接触时间，标准接触时间，hVS 0标准状态下初始态体积流量，标准状态下初始态体积流量，m3(stp)/h反应过程分析反应过程分析独立变量数独立变量数2n-1反应器体积最小的必要条件反应器体积最小的必要条件为独立变量为独立变量反应过程分析反应过程分析第一类条件式确定段间间接换热过程第一类条件式确定段间间接换热过程第二类条件式确定各段出口转化率第二类条件式确定各段出口转化率第二类条件式第二类条件式第一类条件式第一类条件式反应过程分析反应过程分析2.出口温度受耐热温度限制出口温度受耐热温度限制独立变量数独立变量数n-1，取各段出口转化率取各段出口转化率xi，出出为独立变量为独立变量反应过
8、程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析3.直接搜索法直接搜索法最优化问题：最优化问题：1)反应器催化床体积最小反应器催化床体积最小 2)产量最大产量最大 3)能耗最小能耗最小 4)经济效益最大经济效益最大解析法存在的问题：解析法存在的问题：1)VR=min，已推导；但产量已推导；但产量=max?经济效经济效 益益=max?2)有温度限制时，解析法求解很复杂。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？直接换热式反应器，如何优化？4)不能判断多维极值的不能判断多维极值的“尖尖”与与“平平”反应过程分析反应过程分析直接搜索法直接搜索法1）分析独立变量数，确定独立变量）分析独
9、立变量数，确定独立变量设计型：设计型：VR=f(x i,出出，T i,进进)=Min操作型：操作型：Prod=f(x i,出出，T i,进进)=Max 必然存在一组必然存在一组(x i,出出，T i,进进)使使VR=Min，或，或Prod=Max反应过程分析反应过程分析3)给定初值给定初值-得得VR(或或Prod)-修正修正-直至直至VR=Min，或，或Prod=Max4)如何修正，最优化方法，如如何修正，最优化方法，如powell法法2)建立数学模型建立数学模型反应过程分析反应过程分析5)若在改变初值的过程中发现下述现象，若在改变初值的过程中发现下述现象，改变搜索方向改变搜索方向T i,进进
10、催化剂耐热温度催化剂耐热温度注意：直接搜索法求得的结果，判别注意：直接搜索法求得的结果，判别反应过程分析反应过程分析3 多段直接换热式反应器各段始末温多段直接换热式反应器各段始末温 度及转化率的度及转化率的 优化设计优化设计注意：原料气冷激，注意：原料气冷激，i i相同相同 非原料气冷激，非原料气冷激，i i不相同不相同共有共有5n-1个变量个变量反应过程分析反应过程分析独立变量数独立变量数2n-1,当第一段进口温度给定，则独立变量数维当第一段进口温度给定，则独立变量数维2n-2冷激过程热量衡算冷激过程热量衡算 n-1 非原料气冷激非原料气冷激冷激过程中物料衡算冷激过程中物料衡算 n-1n-1
11、x i,进进，x n,出出已知已知 2 反应过程分析反应过程分析1 反应器类型反应器类型连续换热式连续换热式 1)自热式，催化剂装在冷管间自热式，催化剂装在冷管间2)供热式供热式(或移热式或移热式)，催化剂装在列管内，催化剂装在列管内(或管间或管间)2 反应器数学模型反应器数学模型一一 连续换热式氨合成反应器连续换热式氨合成反应器 (举例三套管并流式举例三套管并流式)五 连续换热式催化反应器反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析1 物料衡算物料衡算反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析2.微分方程的建立微分方程的建立反应过程分析反应过程分析热量衡算热量衡算反应过程分析反应过
12、程分析绝热段绝热段反应过程分析反应过程分析冷却段热量衡算冷却段热量衡算床层床层冷管内冷管内反应过程分析反应过程分析冷却段冷却段反应过程分析反应过程分析F(ta0)e3 计算框图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反应过程分析反应过程分析冷管出口气体温度等于床层进口温度冷管出口气体温度等于床层进口温度tae=ta0是是ta0的函数的函数反应过程分析反应过程分析3)VSP，yNH3，产量产量，p4)TF，th下移，下移，yNH3，产量，产量，tai5)H2/N2 32.82.8，生产温度，生产温度，有一
13、较适合的有一较适合的H H2 2/N/N2 24.结果与讨论结果与讨论1)tb0变化，生产强度变化，有一较佳的变化，生产强度变化，有一较佳的tb02)tb0，tai，然后，然后tb0，tai，热平衡问题，热平衡问题反应过程分析反应过程分析表催化床中氨摩尔分率及温度轴向分布l/myNH3tb/tb/COR0.00.0300390.00-0.5200.3800.0453415.38-0.5200.7600.0608440.53-0.5200.9500.0689453.42.217.020.5203.6110.1344468.60298.860.4726.2720.1664457.2951.100.
14、4249.8200.1905444.91390.030.360反应过程分析反应过程分析5 热稳定性热稳定性自热过程自热过程 tb0tbete tb0ta0(tai)操作状态点稳定的条件操作状态点稳定的条件 副线开启度副线开启度比较：比较：=0 tsh,outtai 开副线，满足开副线，满足tai=ta0反应过程分析反应过程分析表催化床的操作特征（一）tb/tai/tbe/tm/Lm/mSTY/t(m3d)-1yNH3,2470311.40511.69576.520.949952.3800.16840.1843450282.32495.70552.591.393455.6650.17810.29
15、71430258.34479.24523.471.836957.6470.18410.3729420250.19470.65506.792.280557.6280.18410.3908410245.85461.27488.622.280556.5180.18060.2894390247.17438.37451.882.724050.8290.16350.3236360256.48397.27400.913.611038.7280.12870.0994反应过程分析反应过程分析换热器换热器 tbetai的关系，催化床操作线，换热器操作线，的关系，催化床操作线，换热器操作线，在一定在一定值下，值下，换热器操作线左移换热器操作线左移反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析结束结束