【文章內(nèi)容簡介】 口處反應(yīng)速度=第i+1段進口處反應(yīng)速度 R(XAi,Ti)=R(XAi,Ti+1)要使上式成立,有兩種可能: a)Ti+1 = Ti 是不希望的；b)Ti+1 Ti 是可能的由上式可確定下一步的進口溫度。第二條件:在每一段床層內(nèi)進行的都是絕熱過程，∴第i段內(nèi)床層溫度 TTi=(XAXAi1)∴對Ti求偏導(dǎo),相當(dāng)于對T求偏導(dǎo)根據(jù)積分中值定理,在區(qū)間XAi1~ XAi必然存在一點XAθ說明在XAi1～XAi區(qū)間內(nèi),必然存在一個XAθ,它所對應(yīng)的溫度Tθ為最佳溫度,且這點(XAθ，Tθ)既在絕熱操作線上,又在Topt線上.在XAi1~ XAθ之間, , 在最佳溫度線下方；在XAθ ~ XAi之間 , , 在最佳溫度線上方。這說明在每段床層,從進口(XAi1,Tio)——出口(XAi,Ti)必從Topt線以下跨過Topt線到Topt線上方。在段間作溫度調(diào)整時,必然要保證Ti+10Ti根據(jù)第二條件,可以確定第i段的出口轉(zhuǎn)化率XAi和出口溫度Ti圖解設(shè)計步驟： 由進口條件的X、T，在圖上確定出A點； 有絕熱操作線方程作直線AB，B應(yīng)在Top線上，Teq線下；最后根據(jù)是否滿足總轉(zhuǎn)化率與段數(shù)要求加以調(diào)整。 由B作垂線到C，有Rb=Rc； 由C到D同2作絕熱線確定D； 反復(fù)調(diào)解B、D等點位置，最終使得總轉(zhuǎn)化率等于出口轉(zhuǎn)化率，段數(shù)滿足要求。第四講：實踐證明，溫度對反應(yīng)結(jié)果影響很大，對于熱效應(yīng)較大的反應(yīng)，絕熱式反應(yīng)器不能及時帶走熱量，而換熱式反應(yīng)器的特點就是在催化劑層內(nèi)進行化學(xué)反應(yīng)的同時，與外界存在熱量交換，催化劑溫度容易控制，在反應(yīng)所要求的最佳溫度范圍內(nèi)反應(yīng)速率快、催化劑利用充分，反映選擇性較高。然而其結(jié)構(gòu)必然復(fù)雜一些，使床層內(nèi)催化劑裝填的有效容積減少，而且床層壓降會上升，故不能完全代替絕熱式反應(yīng)器。五、換熱式固定床反應(yīng)器換熱式反應(yīng)器,又稱非絕熱變溫反應(yīng)器,其結(jié)構(gòu)大部分類似于列式換熱器。催化劑大多放在管內(nèi),原料氣大多從頂部流入催化劑床層。從底部流出,載熱體則在管間流動,其流向可成逆流,也可以呈并流,應(yīng)根據(jù)不同反應(yīng)的具體要求來選擇。換熱式列管反應(yīng)器,載熱體的合理選擇,常是控制反應(yīng)溫度和保持反應(yīng)器操作穩(wěn)定的關(guān)鍵。常用的載熱體有煙道氣、沸騰水、水蒸氣、高沸點物質(zhì)蒸汽、無機熔鹽等。若反應(yīng)溫度200C左右, 則宜采用加壓熱水為載熱體；若反應(yīng)溫度250300C左右,則宜采用揮發(fā)性低的有機物,如:礦物油,導(dǎo)生液,若反應(yīng)溫度300。C以上,則宜采用無機熔鹽,如:KNO3,NaNO3和NaNO2混合物；若反應(yīng)溫度600。C以上, 則宜采用煙道氣。載熱體在殼程的流動循環(huán)方式有沸騰式、外加循環(huán)泵的強制循環(huán)式和內(nèi)部循環(huán)等幾種形式。反應(yīng)器直徑都比較小,多為2035 mm。一是為了減少催化劑床層徑向溫度差；二是為了使單位床層體積具有較大的傳熱面積。過去只能安裝3500根管子,約可充填67mcat,現(xiàn)在可制造出20000根管子。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)。當(dāng)催化劑失活很快,需頻繁再生或更換時,固定床反應(yīng)器不適用。但催化劑失活不算太快且可以再生的話,用換熱式固定床還是可以的,但需兩套裝置,一套反應(yīng),一套再生，交替進行。換熱式與絕熱式相比,優(yōu)點為:床層軸向溫度分布比較均勻；缺點為：結(jié)構(gòu)比絕熱式復(fù)雜,催化劑裝卸也不方便。與流化床相比,具有:催化劑磨損小,返混小,催化劑生產(chǎn)能力高，放大容易。 換熱式固定床反應(yīng)器進行單一反應(yīng)時的分析換熱式固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型是一組微分方程，其基礎(chǔ)方程為：物料衡算式、熱量衡算式、上式說明：換熱式床層軸向溫度分布比絕熱式均勻，溫度變化小。反應(yīng)溫度的控制：對不可逆反應(yīng)或可逆吸熱反應(yīng)：在盡可能高的溫度下操作有利，盡量做到催化劑床層溫度均勻，等溫操作。對可逆放熱反應(yīng)，應(yīng)使T與XA的關(guān)系盡可能接近最佳溫度曲線 換熱式固定床反應(yīng)器的XT圖DMN線——平衡曲線；PBQ線——最佳溫度曲線XD——為可能達到的最大轉(zhuǎn)化率當(dāng)物料的進口溫度分別為TA, TE, TG時，則反應(yīng)過程的 T～XA的關(guān)系分別為ABD,EFD,GD曲線，每一條曲線均有一極大值。 開始： 達到極大值時： 達到極大值以后： 而 因為XA總是隨著床層高度 Z↑而↑。 在極大值處 , T在床層中有一最高溫度，此最高溫度，稱為熱點溫度。熱點溫度的高低及熱點出現(xiàn)的位置是工業(yè)反應(yīng)器操作控制的一個重要依據(jù)。只要熱點溫度不超過允許值，床層的其它部位也絕不會超過。比較3條曲線，發(fā)現(xiàn)無論哪條，在反應(yīng)初期離最佳溫度線較遠(yuǎn)，但對反應(yīng)過程不會造成很大影響，因反應(yīng)初期速率較大，因而此時偏離造成的影響遠(yuǎn)小于中后期；評價TX曲線的優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)主要看中后期接近最佳溫度線的程度，可見DEF優(yōu)于ABD。要使床層軸向溫度分布均勻,即床層內(nèi)處處上式要求：床層內(nèi)任意點的放熱速率必須等于冷卻介質(zhì)的移熱速率。要求床層內(nèi)處處都滿足上式是很困難的。六、自熱式固定床反應(yīng)器 它是換熱式固定床反應(yīng)器的一種特例。以原料氣作為冷卻劑來冷卻床層，而將其本身預(yù)熱至反應(yīng)所要求的反應(yīng)溫度，然后進入床層進行反應(yīng)。適用：（1）放熱反應(yīng) （2）原料氣必須預(yù)熱的系統(tǒng)。 反應(yīng)物料的流向 a 逆流流動 優(yōu)點：原料氣進入床層后，能較快的升溫而接近最佳溫度,l離床層進口不遠(yuǎn)處，氣體溫度很快就升到熱點溫度。缺點：反應(yīng)前期，反應(yīng)放熱速率快，而傳熱溫度差小，不太合理。反應(yīng)后期，傳熱溫度差大，溫度下降，速率下降也較快，反應(yīng)后期易過冷。b 并流流動優(yōu)點：反應(yīng)前期，放熱速率最大，但傳熱溫度差也最大。反應(yīng)后期，反應(yīng)速率，而傳熱溫度差也，是合理的。缺點：前期升溫較慢。數(shù)學(xué)模型 物衡式: 熱衡式: 需作改變TC是冷卻介質(zhì)的溫度，現(xiàn)在它不是常數(shù)，隨Z的變化而變化。因此要建立TC～Z變化關(guān)系式。下面以并流為例：To,Tco——床層進口處反應(yīng)氣體及冷卻介質(zhì)的溫度T,XA,TC——床層任意界面處反應(yīng)氣體的溫度、轉(zhuǎn)化率及相應(yīng)的冷卻介質(zhì)溫度G,GC——按床層截面計算的反應(yīng)氣體和冷卻介質(zhì)的質(zhì)量流速對這兩個截面間的區(qū)域作熱量衡算　 這就是反應(yīng)器任何截面處冷卻介質(zhì)溫度與床層內(nèi)反應(yīng)氣體的溫度及轉(zhuǎn)化率的關(guān)系式。上述關(guān)系式對各種形式的換熱反應(yīng)器均適用，有一定的普遍性。如：β=0, TC=TCO相當(dāng)于冷卻介質(zhì)溫度恒定的情況β=，GC=0——相當(dāng)于絕熱情況β≈1，—相當(dāng)于原料氣為冷卻介質(zhì)的自熱式固定床反應(yīng)器。 并流取+號，逆流取號。 將上式代入固定床反應(yīng)器熱量衡算式，得：對逆流：TO =TCO ∴上式可簡化為： 由式（）或式（）結(jié)合物料衡算式，即可對自熱式反應(yīng)器作模擬計算。七、固定床反應(yīng)器的二維擬均相模型一維模型催化床忽略了床層內(nèi)徑向的溫度和濃度分布，若反應(yīng)熱效應(yīng)較大，而反應(yīng)器直徑又不太小，床層內(nèi)徑向溫度和濃度分布就不容忽視。此時使用二維模型來描述反應(yīng)過程。 數(shù)學(xué)模型的建立由于生產(chǎn)中固定床反應(yīng)器一般均為圓柱形而且是軸對稱的，可用徑向及軸向這二維來加以描述。如圖，在催化劑床層中取一半徑為r，徑向厚度為dr，高為dl的微元環(huán)柱體。微元體積：，對此微元體積作A組分的物料衡算和熱量衡算，即可得到二維模型方程。物料衡算：輸入： 輸出：軸向流動帶入 軸向流動帶出 軸向擴散帶入 軸向擴散帶出 徑向擴散帶入 徑向擴散帶出 反應(yīng)消耗：連續(xù)穩(wěn)定體系，無積累。根據(jù)微分中值定理，有；；將以上關(guān)系帶入，略去（dr）2項，有類似，可得到熱量衡算方程方程的初值和邊界條件見P204公式657到6510。 模型的解法二維模型方程為二階非線性微分方程組，通常采用數(shù)值解法。書上介紹了有限差分法。第五講：第七章 流化床反應(yīng)器 是工業(yè)上使用較廣泛的一種反應(yīng)器，適用于流固或氣液固催化或非催化反應(yīng)系統(tǒng)。在流化床中，固體粒子可以象流體一樣進行流動，這種現(xiàn)象就是所謂的流態(tài)化。由于流化床反應(yīng)器具有比固定床反應(yīng)器復(fù)雜的多得流動和傳遞特性，至今人們對流態(tài)化過程規(guī)律認(rèn)識還不充分，許多問題需要經(jīng)驗方法處理。本章將對流化床反應(yīng)器的流動特性、傳遞特性與數(shù)學(xué)模型，流化床反應(yīng)器的設(shè)計等問題進行討論。 是工業(yè)上使用較廣泛的一種反應(yīng)器，適用于流固或氣液固催化或非催化反應(yīng)系統(tǒng)。一、流化床催化反應(yīng)器由以下幾部分組成：殼體，氣體分布裝置，熱換裝置，氣固分離裝置，內(nèi)部構(gòu)件，及催化劑加入與卸出裝置等。流化床反應(yīng)器的優(yōu)點： 1 傳熱效果好，床層溫度均勻，氣固兩相劇烈運動，可實現(xiàn)等溫操作。 2 可用小顆粒催化劑，內(nèi)擴散影響可忽略，催化劑利用率高。 3 大量催化劑可方便的往來輸送。 缺點： 1 由于磨損和氣體帶走而造成催化劑損失大 2 大部分氣體以氣泡形式快速通過床層，氣固兩相接觸差，難以達到高轉(zhuǎn)化率。 3 粒子運動基本上是全混流，對粒子加工反應(yīng)不利。 粒子的全混也造成部分氣體返混，影響反應(yīng)速度選擇性。二、流化床中的兩相流動在流化床中，固體粒子可以象流體一樣進行流動，這種現(xiàn)象就是所謂的流態(tài)化。 依據(jù)流體速度不同，流化床的流態(tài)化現(xiàn)象有以下幾個階段：固定床、固定床：流速低、粒子不動，流體從粒間空隙通過；起始流化（臨界流態(tài)化）：流速漸增，床層空隙率增加，床層體積增加，當(dāng)流速等于起始流化速度時，床層剛好被流體托起，開始流化。散式流態(tài)化(膨脹床)：對于液固系統(tǒng)，由于流體與固體粒子密度相差不大，床層膨脹均勻且波動較小。聚式流態(tài)化（鼓泡床）：對于氣固系統(tǒng)，部分氣體以氣泡形式通過，造成床層劇烈擾動，粒子集團凝聚。節(jié)涌床：若床層直徑較小時，上升的氣泡可能聚并成與床層直徑相等的大氣泡，將床層分隔，粒子分段活塞式的上流，到某一高度而崩落，成為騰涌。氣體輸送：當(dāng)氣體流速超過粒子帶出速度，大量粒子將懸浮而被流體帶走。對于某些快速反應(yīng)如催化裂化等，可以在垂直的氣流輸送管內(nèi)反應(yīng)，稱為提升管反應(yīng)器。流態(tài)化所處的類型取決于操作條件（氣體空速）、顆粒性質(zhì)（粒度、密度）及流體性質(zhì)。特征氣速：臨界流化速度和帶出速度（1）臨界流化速度可通過測定床層壓降隨氣速變化方法測定。在雙對數(shù)坐標(biāo)上，可以看到：在UOUmf 時，（流速較低），壓降與氣速成正比關(guān)系。床層內(nèi)的顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)流速增大，床層內(nèi)流體的壓力降增大到與靜床壓力W/A相等時，按理粒子應(yīng)開始流動起來了，但由于床層中原來擠緊著的粒子先要被松動開來，需要稍大一點的壓降。等到粒子一旦已經(jīng)松動，壓降又恢復(fù)到W/A之值。隨后流速進一步增加。則△P不變。其計算公式為： 對已經(jīng)流化起來的床層， 如：將氣速降低，則△P將循著途中的虛線返回，不再出現(xiàn)極值，且固定床中的壓降也比原先的要小。這是因為流化床轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ù矔r，粒子逐漸靜止下來，比較松動，大體保持著開始流化時的床層空隙率，一直到流速為零。圖中：N點稱為臨界流化點，對應(yīng)的流速為最?。ɑ蚱鹗迹┝骰俣?。臨界流化點為固定床與流化床的分界點?！嗉瓤梢杂霉潭ù病鱌公式計算，又可以用流化床壓降式計算。當(dāng)UO=Umf時，由上兩式聯(lián)立可得公式712。在已知時，可得到Umf。對于大粒子：右側(cè)第2項可略，得714。對于小顆粒，右側(cè)第2項可略，得713。若和為未知時，可采用公式715近似取值。帶入后得到公式716到718。（2）粒子帶出速度當(dāng)流化床中氣流速度大于固體粒子在靜止氣流中的沉降速度時，粒子將被帶出床層，這個速度即為帶出速度。 固體粒子在流體中沉降時，受到重力、流體浮力及流體與顆粒間摩擦力的作用，球形顆粒作等速沉降時，有：，式中Cd為阻力系數(shù)，取決于粒子形狀和雷諾數(shù)。將不同流型的Cd帶入，可得到相應(yīng)的帶出速度的計算式。對于非球形顆粒，按照相應(yīng)Cd值代入計算。（3）操作氣速的選擇流化床的操作氣速U0應(yīng)選擇在起始流化和帶出速度之間。一般認(rèn)為操作氣速不應(yīng)小于起始流化速度的3倍，床層才能平穩(wěn)操作。流化數(shù)： —10，~ 表征床層操作彈性大小，可分別采用上面介紹公式計算。對小顆粒 =，大顆粒 =。可見小顆粒的流化床具有較寬的適應(yīng)范圍及操作靈活性，使用大顆粒的操作線速范圍較窄。氣泡的結(jié)構(gòu)及行為在氣固流化床中，當(dāng)UOUmf時，部分氣體以氣泡形式通過床層，就好像氣體成泡狀通過液體層一樣。另一部分氣體以臨界流化速率Umf流經(jīng)粒子之間的空隙。通常把氣泡與氣泡以外的密相床部分分別稱作氣泡相和乳相。密相床（1）單個氣泡：頂部球形，尾部內(nèi)凹。隨著氣泡上升，在尾部由于壓力比近旁稍低，使一部分粒子被卷了進去。形成局部渦流——尾渦。尾渦大小為氣泡體積的20~40%，尾渦中粒子與周圍粒子相互交換，循環(huán)與混合。在氣泡上升途中，不斷有一部分粒子離開這一區(qū)域，另一部分粒子又補充進去。這樣，就把床層下部的粒子夾帶上去，促進了整個床層粒子的循環(huán)和混合。所以氣泡是床層運動的動力。當(dāng)氣泡上升速度小于乳相中氣速Umf/εmf時，乳相中氣流可能穿過氣泡上升；當(dāng)氣泡較大，氣泡上升速度大于乳相中氣速Umf/εmf時，就會有部分氣體