【文章內(nèi)容簡介】 段的入口操作點(diǎn)位于理想操作線的低溫一側(cè)，而出口操作點(diǎn)則位于其高溫一側(cè)。當(dāng)段數(shù)無限大時，這個差別趨于無限小，溫度的變化則與理想溫度線一致。 ③ 當(dāng)反應(yīng)存在有最高允許溫度的限制時，則各段出口的溫度應(yīng)保證不超過此溫度。 (1)假定第一段的出口轉(zhuǎn)化率，根據(jù)式 ()可確定第一段的進(jìn)口溫度，從而由式 ()求第一段出口溫度，并算出第一段的出口轉(zhuǎn)化速率： (2)由式 ()求第二段的進(jìn)口溫度； (3)由式 ()確定第二段出口轉(zhuǎn)化率，再用式 ()求第二段出口溫度并算出第二段出口的轉(zhuǎn)化速率；依此類推，直到第 N段為止。 算法步驟如下： 如果求得的第 N段出口轉(zhuǎn)化率與要求不符，說明原先假定的第一段出口轉(zhuǎn)化率不合適，需重新假定，然后重復(fù)以上各步的計算，直到最終轉(zhuǎn)化率符合要求時結(jié)束計算。 【 例題 73】 擬采用兩段間接換熱式固定床反應(yīng)器在常壓下進(jìn)行水煤氣變換反應(yīng)。原料氣中 CO、H2O、 CO2和 H2的摩爾分?jǐn)?shù)分別為 、 、 ，其他為惰性氣體。使用直徑和高分別為 。規(guī)定進(jìn)第一段的原料氣溫度為 633K，一氧化碳的最終轉(zhuǎn)化率為 ％。 為保證催化劑總用量最少，第一段出口的轉(zhuǎn)化率和第二段的進(jìn)口溫度應(yīng)控制為多少 ? 數(shù)據(jù)：在給定的催化劑上，已計入擴(kuò)散影響的水煤氣變換反應(yīng)的速率方程為 rA※ ＝ k※ PA(10－ β)， β＝ PCPD/(PAPBKP) 式中 PA、 PB、 PC及 PD分別為一氧化碳、水蒸氣、二氧化碳和氫的分壓， 化學(xué)平衡常數(shù) KP與溫度的關(guān)系為 KP＝ (4408/T) (A) 表觀反應(yīng)速率常數(shù) k※ 與溫度的關(guān)系為 k※ ＝ 10— 4exp(－ 6542/T)mol/(gminPa) (B) 假定各段的絕熱溫升均等于 。 為保證催化劑總用量最少，第一段出口的轉(zhuǎn)化速率要等于第二段的進(jìn)口的轉(zhuǎn)化速率。第一步：先假設(shè)第一段出口轉(zhuǎn)化率，由第一段的操作線方程計算第一段出口溫度 T39。1，然后計算第一段出口的轉(zhuǎn)化速率；第二步：假設(shè)第二段入口溫度 T2，計算第二段入口轉(zhuǎn)化速率，若第二段入口轉(zhuǎn)化速率與第一段出口的轉(zhuǎn)化速率不相等，重設(shè) T2重新計算，相等則進(jìn)行第三步；第三步試差求第二段出口轉(zhuǎn)化速率。 問題分析： 設(shè)第一段的出口轉(zhuǎn)化率為 解：依題意第一段的操作線方程 T＝ 633＋ 則第一段出口溫度 1 6 3 3 + 1 5 5 .2 ( 0 .8 5 ) = 7 6 5 KT ? ??第一段出口平衡常數(shù) 1 0 .0 1 6 5 e x p ( 4 4 0 8 / 7 6 5 ) 5 .2 4 7PK ? ??第一段出口速率常數(shù) 4865422 . 1 7 2 1 0 e x p ( ) 4 . 1 9 7 1 0 /( m in )765k m o l g P a? ? ??? ? ? ?第一段出口物料組成及 β值： PA＝ 104(1－ xA) PB＝ 104－ 104xA PC＝ 103＋ 104xA PD＝ 104＋ 104xA 3 4 4 41 4 4 41( 3 . 9 9 1 1 0 1 . 2 8 3 1 0 ) ( 1 . 5 9 5 1 0 1 . 2 8 3 1 0 ) 0 . 8 2 21 . 2 8 3 1 0 ( 1 ) ( 5 . 9 0 9 1 0 1 . 2 8 3 1 0 )AAA A Pxxx x K?? ? ? ? ? ????? ? ? ? ?∴ 第一段出口轉(zhuǎn)化速率為： 501( 1 ) ( 1 ) 1 .4 3 4 1 0 /( m in)A A Ar k P x m o l g?? ? ?? ? ? ? ?第二段的操作線方程為 633 155 .2( ) 531 155 .2AAT x x? ? ? ? ?設(shè)第二段入口溫度為 663K，則： 第二段入口平衡常數(shù) 2 0 .0 1 6 5 e x p ( 4 4 0 8 / 6 6 3 ) 1 2 .7 3PK ??第二段入口速率常數(shù) 第二段入口 β值 72 10 e xp( 654 2 / 663 ) 26 10 /( m in )k m ol g P a? ? ?? ? ? ? ? ?3 4 4 42 4 4 42( 3 . 9 9 1 1 0 1 . 2 8 3 1 0 ) ( 1 . 5 9 5 1 0 1 . 2 8 3 1 0 ) 0 . 3 3 91 . 2 8 3 1 0 ( 1 ) ( 5 . 9 0 9 1 0 1 . 2 8 3 1 0 )AAA A Pxxx x K?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ?第二段入口轉(zhuǎn)化速率為： 502( 1 ) ( 1 ) 1. 43 3 10 /( m in)A A Ar k P x m ol g?? ? ???? ? ? ? ? 可以認(rèn)為與第一段出口轉(zhuǎn)化速率相等，所以假設(shè)第二段入口溫度為 663K正確。 ( ) /APg x K? ?令： 0 ( 1 ) [ ( ) / ]A A A A Pr P x k k g x K? ? ?? ? ? 則： 0 2()[ ] ( 1 ) [ ( 1 ) ]AA A Px A APr k g x KkPxT T K T??? ??? ?? ? ? ?? ? ?2244086542 PPKKkkT T T T?? ??? ? ??? 與將 代入上式 化簡后得： 0 21[ ] 6 5 4 2 ( 1 ) ( 1 1 .6 7 )AA x A Ar k P xTT ?? ?? ? ? ??2 2 20( 1 / ) 1 6 5 4 2 1 . 6 7 1[ ] [ ]( ) ( 1 ) ( 1 )AAAAxxA A ArrT r T k P x T???????? ???? ? ? ?（ ）2( 1 / )[ ] 0AAx AxAr dxT?? ??? 求解上式，采用試差法，得 說明假設(shè)的第一段轉(zhuǎn)化率為 。 2 ? 換熱式固定床反應(yīng)器 蒸汽 原料 調(diào)節(jié)閥 催化劑 補(bǔ)充水 產(chǎn)物 換熱式固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)： 在催化劑床層進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的同時，床層還通過器壁與外界進(jìn)行熱交換。 換熱式反應(yīng)器以列管式為多。通常是在管內(nèi)放催化劑，管間走熱載體 (用高壓水或用高壓蒸汽作熱載體時，則把催化劑放在管間，管內(nèi)走高壓流體 )。 圖 乙炔法合成氯乙烯反應(yīng)器 實(shí)際生產(chǎn)中，大多數(shù)是采用自上而下的流動方式，少數(shù)為自下而上流動，載熱體則在管間流動，其流向可以與反應(yīng)氣體成逆流，也可以成并流，應(yīng)根據(jù)不同反應(yīng)的具體要求來進(jìn)行選擇。 若進(jìn)行的是吸熱反應(yīng)，則載熱體為化學(xué)反應(yīng)的熱源。對于放熱反應(yīng)、載熱體為冷卻介質(zhì)，移走由反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量。換熱強(qiáng)度應(yīng)滿足反應(yīng)過程所要求的溫度條件。 流體流動方式 在傳熱面積一定的情況下，載熱體有較大的傳熱系數(shù)。 載熱體的選擇 換熱式固定床反應(yīng)器 可用于放熱反應(yīng)，也可用于吸熱反應(yīng)。 但對于反應(yīng)過程中催化劑失活很快，以致催化劑的再生或更換十分頻繁的反應(yīng)，不宜采用固定床反應(yīng)器，無論是絕熱式還是換熱式。 適用場合 與絕熱式相比，床層軸向溫度分布相對來說比較均勻，特別是強(qiáng)放熱反應(yīng)，更宜選用這種反應(yīng)器。 與流化床相比，具有催化劑磨損小、返混小和催化劑生產(chǎn)能力較高的。 優(yōu)點(diǎn) 是結(jié)構(gòu)比絕熱反應(yīng)器復(fù)雜，催化劑的裝卸也不方便 缺點(diǎn) 一、進(jìn)行單一反應(yīng)時的分析 圖 轉(zhuǎn)化率的關(guān)系圖。圖中 DMN為化學(xué)平衡曲線，曲線 PBQ則為最佳溫度線， H點(diǎn)所對應(yīng)的溫度為冷卻介質(zhì)的溫度，平行于縱軸的直線 HD與平衡曲線 DMN的交點(diǎn) D所對應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為可能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)化率，實(shí)際上都要低于此值。 P M D A B K N F E G H Q x A T ? ?? ?0 004 ( )r ACAA A P t A P t b AtdTdx M CH U T Td M C?????? ?? ??? R() 先看 ABD曲線，溫度先隨轉(zhuǎn)化率的增加而升高， dT/dXA0，達(dá)到一極大值后則隨轉(zhuǎn)化率的增加而降低， dT/dXA0。 當(dāng)反應(yīng)物料的進(jìn)口溫度分別為 TA、 TE和 TG時，反應(yīng)過程的溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系依次以曲線 ABD、 EFD和 GD來表示。 反應(yīng)初期遠(yuǎn)離平衡，反應(yīng)速率大，以致反應(yīng)放熱速率大于冷卻介質(zhì)移熱速率，因而溫度隨轉(zhuǎn)化率的增加而升高。反應(yīng)后期則相反，移熱速率大于放熱速率，溫度隨轉(zhuǎn)化率的增加而降低。在極大值處， dT/dXA＝ 0，由式 ()知， dT/dZ亦應(yīng)等于零。這一最高溫度稱為熱點(diǎn)溫度。 原因 在實(shí)際生產(chǎn)中，熱點(diǎn)的位置及其溫度的高低是反應(yīng)器操作控制的一個極為重要的依據(jù)，借此可判斷反應(yīng)器運(yùn)轉(zhuǎn)的情況。只要熱點(diǎn)溫度不超過允許溫度，床層的其他部位也絕不會超過。 比較這幾條曲線可知，它們接近最佳溫度曲線的程度是不同的，差別的存在是進(jìn)料溫度不同的結(jié)果。進(jìn)料溫度太高或過低都會偏離最佳溫度曲線太遠(yuǎn)，因之存在一最佳進(jìn)料溫度。注意的是圖 離最佳溫度曲線甚遠(yuǎn)，但