【正文】 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。 優(yōu)點 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 一、進(jìn)行單一反應(yīng)時的分析 圖 轉(zhuǎn)化率的關(guān)系圖。 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。 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)。換熱強(qiáng)度應(yīng)滿足反應(yīng)過程所要求的溫度條件。 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。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 )。 2 ? 換熱式固定床反應(yīng)器 蒸汽 原料 調(diào)節(jié)閥 催化劑 補充水 產(chǎn)物 換熱式固定床反應(yīng)器的特點： 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。 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。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。Pa) (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/(g使用直徑和高分別為 。 【 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)。 (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。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。 最優(yōu)化問題 ? ? ? ?0 (, ,[ ,]) A A A AA x T x TxT? ??? ?RR簡化計算，令： ? ? ? ? ? ?120 1 10 , , ,A A A NA A A Nx x xA A Ar b A xxA A A A Ax Axd x d x d xW V FT x T x T? ?? ? ???? ? ? ? ?????? ? ?R R R則總的催化劑用量： 進(jìn) 1 2 xAi 1 Ti 1 i xAi Ti N 出 ? ?10 0,AiAi Ax AA xii AdxW FTT xT? ??????R? ? ? ?11011, 0,A i A iA i A ixxA A AA i A Ai A iA A AW F d x d xxx Tx Tx x?? ????? ? ?? ? ???? ? ?????RR? ? ? ?1, , 1 . 2 ,A A i i A A i ix T x T i N?? ? ??RR() ? ?1 0 1 . 2 ,AiAi Axxi AA iNdxxTT ? ?? ? ?? ? R() 將 W分別對各段的 xA及 T微分，并令其等于零，則有： () ? ?1 1. 2 ,1 0AiAiAxAi xAx Adx iNxTT? ?????? ???????????? R① 前一段出口時的反應(yīng)速率與后一段進(jìn)口時的反應(yīng)速率相等。間接冷卻時，因只有溫度的降低而無組成的改變，故 BC、DE是水平線。直線 AB、CD為各段的操作線，表示各段的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系。 圖 TXA圖，圖中的虛線為最佳溫度曲線，若反應(yīng)器床層的軸向溫度分布能控制到與此曲線一樣，則效果最佳，整個反應(yīng)過程將以最大的速率進(jìn)行。 多段絕熱反應(yīng)器分類 多段絕熱固定床反應(yīng)器多用以進(jìn)行放熱反應(yīng)，如合成氨、合成甲醇、 SO2氧化等。 (3).非原料氣冷激式。 一、 絕熱反應(yīng)器的類型 (1).反應(yīng)熱效應(yīng)較小的反應(yīng)； (2).溫度對目的產(chǎn)物收率影響不大的反應(yīng)； (3).雖然反應(yīng)熱效應(yīng)大，但單程轉(zhuǎn)化率較低的反應(yīng)或者有大量惰性物料存在，使反應(yīng)過程中溫升小的反應(yīng)， 單段絕熱反應(yīng)器適用的場合： 單段絕熱反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，空間利用率高，造價低。每反應(yīng)一次，稱為一段， 一個反應(yīng)器可做成一段，也可以將數(shù)段合并在一起組成一個多段反應(yīng)器。 上述模型方程的應(yīng)用，需要具備三類基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 最基本的是物料衡算式 ()和熱量衡算式 () 3 固定床絕熱反應(yīng)器 固定床絕熱反應(yīng)器有單段與多段之分。 (2)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，如反應(yīng)熱、化學(xué)平衡常數(shù)等等， 一般可從文獻(xiàn)上查到，且有計算和預(yù)測方法。 設(shè)進(jìn)入床層的流體質(zhì)量速度為 G，組分 A的質(zhì)量分率為 wAO，取床層高度為 dZ的微元作 A的物料衡算： 大多數(shù)工業(yè)多相催化反應(yīng)，相間傳遞并不顯著，因而可以用 η 代替 η 0 ? ?0 0A AA bAG dxM dZ? ??? ?? R () 若不考慮軸向熱擴(kuò)散，對微元體積作熱量衡算則有 ? ?0 4( ) ( )APb rctdTGCdZUH T Td?? ?? ? ? ? ?? R以上二式的推導(dǎo)方法與式第四章完全一樣，形式也相似 () 流體流過床層時壓力變化太大的話，還需建立一動量衡算式，即壓力分布方程 23(1 )Pd GP fddZ?????? () 式 ()～ 式 ()的初值條件為 若冷卻介質(zhì)溫度 TC如果不能視作常數(shù)，則還需多加一個冷卻介質(zhì)溫度的軸向分布方程 000 , 0 , ,AZ x T T P P? ? ? ?() 4 ()CcC P CtdTGCdZU TTd? ?()