固定床反應器的工藝設計

《固定床反應器的工藝設計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《固定床反應器的工藝設計（63頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、第 六 章 固 定 床 反 應 器 的 工 藝 設 計 6.1恒 溫 反 應 器一 般 的 設 計 過 程 反 應 速 率 方 程 , R = rv = Aexp(-E/RT)CaCb (6-1)式 中 , R表 觀 反 應 速 率 ， kmo1 (s m3)r v一 本 征 反 應 速 率 kmo1 (s m3)一 相 內 效 率 因 子 ， 無 因 次C反 應 物 或 產 物 的 克 分 子 濃 度 ： kmol/m3A頻 率 因 子E活 化 能 ， kJ kmoI；R氣 體 常 數(shù) 8.314kJ (kmol K) T絕 對 溫 度 ， K 有 時 反 應 速 率 方 程 用 分 壓 而

2、 不 是 用 濃 度 表 示 :rvp = A exp (-E/RT)PaPb 式 中 ， P是 反 應 物 或 產 物 的 分 壓 ， bar rv和 rvp之 間 的 關 系 是 :r vp = rv (RT)+ 式 中 R = 0.08314 m3 bar/(kmol K) 設 計 方 程 dV = Acdz 進 入 的 克 分 子 數(shù) 出 來 的 克 分 子 數(shù) 十 積 聚 的 克 分 子 數(shù) 十 通 過反 應 損 耗 的 克 分 子 數(shù) 在 穩(wěn) 態(tài) 操 作 時 ， 反 應 器 中 沒 有 物 料 積 聚 ， 或 沒 有 物 料 從 反 應 器 中放 出 ,Fy o = Fyo(1-d

3、x) + rvdV (6-6)整 理 得 : Fyodx = rvdV (6-7)將 (6-4)代 入 (6-7)得 : Fyodx = rvAcdz (6-8) 壓 降 方 程 開 始 可 計 算 出 P z值 ， 而 后 在 每 一 步 進 行 適 當 的 壓 力 校 正 。 實 例 ， 恒 溫 反 應 器 設 計 H2C CH2十 H2 CH3一 CH3 （ 6-9）這 是 一 個 放 熱 反 應 ， 但 它 可 在 很 小 的 恒 溫 反 應 器 中 進 行 。銅 氧 化 鎂 為 催 化 劑 ， 把 這 些 催 化 劑 裝 在 一 個 內 徑 為9.35mm、 長 為 280mm帶 水

4、 夾 套 的 黃 銅 制 的 反 應 器 管 中 。由 于 把 37.85 l min的 水 循 環(huán) 通 過 夾 套 ， 因 而 可 得 到 大于 5.67kJ (m2 S K)的 水 膜 傳 熱 系 數(shù) 和 恒 定 的 管 壁 溫 度 。在 此 反 應 器 內 ， 979 范 圍 內 的 各 種 恒 定 溫 度 下 進 行的 許 多 試 驗 證 明 ， 對 氫 氣 來 說 ， 式 (6-9)表 示 的 反 應 是一 級 的 。 通 過 給 定 下 列 條 件 可 寫 出 反 應 速 率 方 程 ：r v = kCH (6-10)該 系 統(tǒng) 中 ， = 1 設 計 方 程 ： Fyodx =

5、kCHdV 由 于 反 應 涉 及 到 體 積 變 化 ， 對 此 ， 必 須 加 以 考 慮 。例 如 ： aA + bB pP +qQ （ 6-12）設 A為 數(shù) 量 有 限 的 反 應 物 。開 始 時 ， N To = NAo +NBo (6-13) NAo = yoNTo NBo = (1-yo)NTo = (1-yo)NAo/yo (6-14)在 達 到 轉 化 率 分 數(shù) xA后 :NT = NA + NB + NP + NQ = NAo (1-xA) + NBo (b/a)NAoxA + (p/a)NAoxA + (q/a)NAoxA = NTo NToyoxA(a+b-p-q

6、)/(a+b)(a+b)/a (6-15)令 d = (a+b-p-q)/(a+b) (6-16) 對 于 乙 烯 加 氫 ：1克 分 子 乙 烯 十 1克 分 子 氫 氣 1克 分 子 乙 烷 （ 6-18） a = 1, b = 1, p = 1, q = 0 NT = (1-yoxA)NTo又 因 為 ， 對 于 乙 烯 加 氫 這 個 反 應 ： 設 計 方 程 變 為 ：將 上 式 積 分 得 ：V = （ RTFyo/（ kP） ） xA + ln（ （ yo-1+yoxA） /（ yo-1） ） 現(xiàn) 在 用 上 式 計 算 一 個 試 驗 室 反 應 器 。yo = 0.49 F

7、(總 進 料 )=2.0 10-8 kmo1 sR(氣 體 常 數(shù) )= 0.08314 m 3 bar (kmo1.K)R(氣 體 常 數(shù) ) 8.314kJ (kmol.K)T 67 十 273.2 340.2Kk = 5.96 106exP(一 55731 RT) kmol (s. m3)希 望 ： xA 1.0 假 定 P 1.0 bar， 如 反 應 器 內 徑 為 1cm， 則 反 應 器 高 度 將 為 89.1 cm。 6.2 絕 熱 氣 體 反 應 器 定 義絕 熱 反 應 器 是 一 種 和 周 圍 沒 有 熱 交 換 的 反 應 器 。 因 此 ， 如 果放 熱 反 應

8、是 在 絕 熱 固 定 床 反 應 器 中 進 行 ， 則 氣 流 的 溫 度 將 沿著 入 口 到 出 口 的 方 向 增 加 。 另 一 方 面 ， 如 果 吸 熱 反 應 是 在 同樣 的 反 應 器 中 進 行 ， 則 氣 流 的 溫 度 將 會 沿 著 反 應 器 的 長 度 降低 。 一 維 塞 流 模 型 絕 熱 氣 體 反 應 器 最 簡 單 的 模 型 是 一 維 塞 流 模 型 , 為 了 適 應此 模 型 ， 反 應 器 必 須 符 合 下 列 條 件 : 反 應 器 和 周 圍 環(huán) 境 不 應 有 熱 交 換 (絕 熱 條 件 )。 通 過 固 定 床 催 化 劑 床

9、的 流 動 應 該 是 在 床 層 內 任 何 一 點反 應 物 流 的 線 速 度 都 是 相 同 的 。 不 應 有 軸 向 擴 散 。 不 應 有 徑 向 擴 散 。 一 維 模 型 絕 熱 固 定 床 氣 體 反 應 器 的 設 計 Fyodx = rvdV = rvAcdz Fyodx(-H) = miCpidT式 中 , (-H)整 個 反 應 系 統(tǒng) 的 反 應 熱 ； mi每 一 種 反 應 物 (包 括 反 應 物 和 產 物 )的 克 分 子 流 量 ， kmo1 s； C pi每 一 種 反 應 物 的 克 分 子 熱 容 量 ， kmol (kmo1.K)。 設 計 用

10、 于 放 熱 反 應 的 固 定 床 氣 體 反 應 器 對 絕 熱 反 應 器 的 限 制 是 由 限 定 的 出 口 溫 度 t最 大 決 定 的 ，達 到 此 溫 度 標 志 著 某 些 不 理 想 的 過 程 如 副 反 應 、 選 擇性 不 良 和 催 化 劑 嚴 重 結 垢 開 始 出 現(xiàn) 。 如 末 達 到 所 要 求的 轉 化 率 x， 溫 度 就 已 上 升 到 限 制 溫 度 ， 此 時 ， 可 采 用幾 個 方 法 中 的 一 個 在 溫 度 不 超 過 t最 大 的 情 況 下 來 提 高 x使 其 達 到 所 要 求 的 值 。 方 法 1 (1)把 催 化 劑 體

11、積 分 成 兩 個 或 兩 個 以 上 的 床 層 ， 以 便 使每 一 床 層 都 達 到 t 最 大 ； (2)用 間 接 換 熱 器 冷 卻 兩 相 鄰 床 層 之 間 的 氣 體 反 應 物 使其 回 到 第 一 床 層 入 口 溫 度 to 方 法 2 如 果 所 用 間 接 換 熱 器 反 應 溫 度 太 高 的 話 ， 則 可 采用 第 二 個 方 法 ， 把 一 種 冷 的 反 應 物 噴 入 兩 相 鄰 床 層 之間 的 反 應 物 流 中 ， 把 反 應 物 冷 卻 到 To 由 于 補 充 了 一種 被 消 耗 的 反 應 物 ， 這 種 直 接 冷 卻 或 急 冷 方

12、法 又 有 使反 應 朝 著 所 要 求 的 方 向 進 行 的 優(yōu) 點 。 方 法 3 第 三 個 方 法 是 一 種 老 的 德 國 分 段 急 冷 的 技 術 ， 雖然 目 前 仍 在 使 用 ， 但 其 缺 點 是 波 動 很 大 ， 且 難 于 設 計 。 方 法 4 第 四 個 方 法 是 在 反 應 器 進 料 中 加 入 一 種 惰 性 氣 或一 種 過 量 的 反 應 物 ， 其 作 用 好 象 一 個 受 熱 器 一 樣 ， 吸收 大 部 分 放 出 的 熱 量 ， 這 樣 ， 對 給 定 的 轉 化 率 而 言 ，就 減 小 了 溫 升 。 和 其 他 方 法 相 比 ，

13、 此 法 有 一 嚴 重 缺 點 ，即 為 了 容 納 惰 性 氣 或 過 量 的 反 應 物 ， 需 要 增 大 反 應 器的 尺 寸 。 第 四 個 方 法 派 生 出 來 的 一 個 方 法 是 加 入 一 種 惰 性 液體 ， 它 在 反 應 器 的 通 常 壓 力 下 ， 其 沸 點 接 近 反 應 溫 度 ，反 應 放 出 的 熱 使 惰 性 液 體 蒸 發(fā) ， 這 樣 ， 其 所 吸 收 的 大量 熱 量 就 滿 足 了 潛 熱 的 需 要 。 在 某 些 情 況 下 ， 和 采 用純 氣 相 方 沒 相 比 ， 這 種 方 法 反 應 速 率 比 較 低 。 此 方 法的 缺

14、點 是 需 要 的 反 應 器 大 而 貴 。 如 果 沒 有 一 個 方 法 能 妥 善 地 解 決 放 出 的 熱 量 問 題 ， 則必 須 考 慮 氣 體 反 應 在 下 列 反 應 器 中 的 一 種 內 進 行 ： 流 化 床 反 應 器 ； 帶 有 一 種 惰 性 液 體 的 氣 -液 相 反 應 器 非 恒 溫 非 絕 熱 固 定 床 氣 體 反 應 器 絕 熱 固 定 床 氣 體 反 應 器 設 計 實 例 ：甲 苯 加 氫 脫 烷 基 反 應 器 的 設 計 反 應 速 率 方 程 為 ：rv = - dCA/d = kCACB0.5 = Aexp(-E/RGT)CACB0.

15、5 式 中 , CA甲 苯 濃 度 ， kmo1 m3； C B氫 濃 度 ， kmo1 m3； k甲 苯 加 氫 脫 烷 基 的 反 應 速 率 常 數(shù) ; A頻 率 因 子 ； E活 化 能 148114kJ kmo1； H - 49974kJ kmo1轉 化 的 甲 苯 ； 停 留 時 間 ， s。 發(fā) 表 的 活 化 能 數(shù) 值 為 35.4kcal g. mol， 但 得 不 到發(fā) 表 的 頻 率 固 子 A的 數(shù) 值 ， 該 數(shù) 值 取 決 于 具 體 的 催 化 劑 , 現(xiàn) 假 定 A=5 73 x l06， 反 應 器 入 口 的 反 應 溫 度 假 定 為To 600 十 2

16、73 2 873.2K， 反 應 器 壓 力 可 從 35到 70絕 對 大 氣 壓 ， 假 定 約 50絕 對 大 氣 壓 或 50 bar。 根 據(jù) 芳 烴加 氫 的 一 般 經 驗 ， 氫 與 芳 烴 之 比 可 假 定 為 5.0. 氫 ： Cp=20.786 甲 烷 ： Cp=0.04414T十 27.87 苯 ： Cp=0.1067T十 103.18 甲 苯 ： C p 0.03535T十 124.85 進 入 加 氫 脫 烷 基 裝 置 的 混 合 氫 氣 物 流 的 純 度 為 90 ， 其 余 的 為 甲 烷 。 每 一 反 應 物 或 產 物 的 克 分 子 數(shù) 是 ：甲

17、苯 ： Fyo(1-x)苯 ： Fyox氫 ： Fyo(5-x)+0.9急 冷 量甲 烷 ： Fyo(5/9+x) + 0.1急 冷 量 總 克 分 子 數(shù) ： Fyo(1+5+5 9)+急 冷 量 ， 或 6.5555Fyo+ 急 冷 量每 一 組 分 的 克 分 子 分 數(shù) 為 ：甲 苯 ： y 1 Fyo(1-x) (6.5555Fyo+ 急 冷 量 ) yA苯 ： y2 Fyox (6.5555Fy。 十 急 冷 量 )氫 ： y3 (Fyo(5一 x)+0.9急 冷 量 ) (6.5555Fyo+急 冷 量 )=yB甲 烷 ： y4=(Fyo(5 9+x)+0.1急 冷 量 ) (6

18、.5555Fyo+急 冷 量 )濃 度 項 可 寫 成 ：C = N/V = Np/(NRG*T) = p/(RG*T)因 為 : p = Py 所 以 ： C = yP/(RG*T) CA = PFyo(1-x) (RG*T(6.5555Fyo+ 急 冷 量 ) CB = P(Fyo(5-x)+0.9急 冷 量 ) (RG*T (6.5555Fyo+急 冷 量 )若 把 這 些 CA和 CB項 代 入 式 (6-32)， 則 ： rv = - dCA/d = kCACB0.5 = Aexp(-E/RGT) (P (RG*T(6.5555Fyo+ 急 冷 量 )1.5 Fyo(1-x) (Fy

19、o(5-x)+0.9急 冷 量 )0.5將 上 式 與 （ 6-8） 合 并 ：dx/dz = AcAexp(-E/R GT)(P/RG*T(6.5555Fyo+急 冷 量 )1.5(1-x) (Fyo(5-x)+0.9急 冷量 )0.5 現(xiàn) 在 計 算 每 一 床 層 (除 最 后 床 層 外 )末 端 處 的 急 冷 量 : 急 冷 量 = miCpi(T-To)/(Cpi急 冷 (T-298.2) Cpi 急 冷 = 0.9x20.786 + 0.1x66.413 = 25.349 kJ/Kmol K 利 用 Ergun方 程 計 算 壓 降 :在 Ergun方 程 中 ， G為 質 量

20、 流 率 其 單 位 為 kg (s m2) 以 空 塔 為 基 礎 的 空 塔 流 速 u m的 方 程 為 : 若 催 化 劑 的 形 狀 是 直 徑 和 高 度 相 等 的 圓 柱 體 ， 令 rp 顆 粒半 徑 ， 則 ， 若 給 定 2rp 3mm， 則 dp 0.003 m。 反 應 混 合 物 的 粘 度 可 用 以 下 的 關 系 式 從 各 個 反應 物 的 粘 度 1， 2， 3， 4計 算 出 來 此 方 程 是 ： ij項 可 以 是 12、 13、 14、 21、 23、 24、 31、 32、 34 41、42、 43， Mi和 Mj是 各 組 分 的 分 子 量

21、。 假 定 內 徑 為 2m dT/dz = (dx/dz) Fyo(-H)/(miCpi) dx/dz = AcAexp(-/RGT)(P/RG*T(6.5555Fyo+急 冷 量)1.5(1-x) (Fyo(5-x)+0.9急 冷 量 )0.5聯(lián) 立 解 微 分 方 程 可 求 出 完 成 一 定 生 產 任 務 的 反 應 器 高 度 z。 電算 結 果 如 表 6-1所 示 ： 6.3絕 熱 反 應 器 的 設 備 設 計 方 面 1. 床 層 的 支 承 絕 熱 反 應 器 的 單 個 催 化 劑 床 層 可 以 由 以 下 兩 種 方 法中 的 任 一 方 法 來 支 承 柵 板

22、(圖 6-8)或 一 層 放 在 床 層 底部 的 惰 性 氧 化 鋁 或 陶 瓷 球 (圖 6-9)。 圖 6-8 有 連 續(xù) 槽 孔 和 整 體 支 撐 梁 的 支 撐 柵 格 圖 6-9 典 型 惰 性 填 料 支 撐 的 單 一 床 層 絕 熱 反 應 器為 防 止 入 口 氣 體 吹 動 催 化 劑 顆 粒 , 在 支 撐 層 頂 部 的 惰 性 填 料 顆 粒 ,對 高 流 速 氣 體 來 說 至 少 應 為 1英 寸 。 支 承 的 柵 板 應 當 設 計 成 能 支 承 催 化 劑 的 裝 載 重 量 加 上 預 期 的 壓 降 。開 槽 或 鉆 孔 的 板 和 標 準 的 焊

23、 接 格 柵 都 可 以 用 。 在 必 要 時 ， 要 選 用 適當 的 支 承 板 開 孔 率 以 使 壓 降 減 到 最 小 。 把 比 催 化 劑 丸 片 大 一 兩 號 的約 46英 寸 的 氧 化 鋁 或 陶 瓷 球 、 丸 片 或 顆 粒 放 在 支 承 的 柵 板 上 。 如果 支 承 板 上 的 孔 大 于 球 徑 , 象 金 屬 格 柵 那 樣 的 話 ， 那 么 在 支 承 板 上面 再 放 一 層 阻 止 這 種 惰 性 物 通 過 的 篩 網 。 交 承 板 的 材 質 要 能 防 腐 蝕 ，根 據(jù) 用 途 也 可 以 用 炭 鋼 、 合 金 鋼 、 鑄 鋼 或 燒

24、制 陶 瓷 。 孔 板 下 面 必 須有 適 當 支 承 包 括 大 跨 度 用 的 中 間 支 承 。 代 替 支 承 板 ， 反 應 器 的 底 部 可 以 填 充 惰 性 球 、 圓 柱 體 或 小 顆 粒， 直 到 床 層 催 化 劑 開 始 的 高 度 (圖 6-9)。 圓 球 或 長 度 大 于 直 徑 的 圓 柱體 引 起 的 壓 降 較 低 ， 比 形 狀 不 整 齊 的 顆 粒 (碎 塊 )為 好 。 較 大 的 球 或圓 柱 體 在 床 層 中 先 填 裝 6英 寸 以 內 ， 然 后 再 裝 較 小 的 球 或 圓 柱 體 以限 定 催 化 劑 床 層 位 置 。 惰 性

25、 球 也 造 成 足 夠 的 壓 降 以 保 證 催 化 劑 床 層的 出 口 處 流 體 的 良 好 分 布 。 出 口 管 道 可 以 伸 送 設 備 中 去 ， 并 在 管 上開 很 多 孔 ， 包 上 篩 網 也 可 以 用 特 制 的 集 合 管 (圖 6-9)。 沒 有 必 要 在 圖 中 所 示 的 空 集 合 管 頂 部 以 下 的 空 間 填 裝 催 化 劑 因 為 由 于 物 流 必 須集 束 流 向 出 口 管 而 使 此 點 之 下 的 摧 化 劑 不 能 充 分 利 用 。 用 來 填 充 這個 基 本 上 無 效 的 空 間 ， 惰 性 球 也 要 比 催 化 劑

26、便 宜 得 多 。 大 直 徑 床 層 裝 有 多 個 并 列 的 出 口 或 一 個 開 有 多 排 孔 的 內 部 集 合 管 。 近 年 來已 經 引 用 大 小 均 勻 的 廉 價 不 適 性 陶 瓷 丸 粒 。 當 這 些 陶 瓷 丸 粒 能 夠 取 代 昂 貴 的 氧 化鋁 材 料 時 ， 那 么 價 格 昂 貴 又 帶 來 維 修 問 題 的 支 承 板 就 不 適 宜 采 用 了 。 沒 有 支 承 板 ，卸 料 也 較 簡 單 ， 因 為 有 支 承 板 ， 催 化 劑 就 必 須 從 四 面 卸 出 或 者 用 吊 斗 或 真 空 卸 料機 吸 出 。 側 面 卸 科 通

27、常 靠 重 力 流 動 不 能 完 全 卸 出 ， 還 必 須 用 人 工 的 辦 法 。 在 很 高 溫 度 下 操 作 的 反 應 器 內 也 許 不 能 采 用 金 屬 制 的 出 口 集 合 管 。 在 這 種情 況 下 可 用 多 格 的 耐 火 磚 圓 頂 當 作 床 層 的 支 承 和 出 口 集 合 管 。 比 催 化 劑 大 幾 倍 的 惰 性 圓 球 或 丸 粒 也 要 放 在 催 化 劑 床 層 的 頂 部 。 這 一 層 有助 于 分 布 物 料 的 流 動 ， 能 防 止 床 層 污 染 ， 如 突 然 涌 進 一 股 像 水 那 樣 的 不 希 望 有 的東 西 ，

28、 并 有 助 于 截 住 帶 入 的 污 垢 ， 由 于 床 層 空 隙 率 較 低 ， 這 種 污 垢 會 嚴 重 堵 塞 催化 劑 床 層 。 惰 性 圓 球 或 丸 粒 會 有 助 于 防 止 催 化 劑 突 然 溫 度 升 高 ， 它 可 吸 收 因 操 作 失 誤而 發(fā) 生 的 反 應 物 或 是 再 生 流 體 的 劇 烈 溫 度 變 動 。 底 部 的 球 層 在 上 流 式 再 生 時 ， 尤其 是 在 再 生 的 早 期 也 能 夠 起 這 樣 的 作 用 。 有 時 ， 在 催 化 劑 和 惰 性 球 之 間 放 進 一 個 浮 動 的 篩 網 。 這 可 阻 止 達 兩

29、層 之 間的 混 合 并 作 為 擋 住 污 垢 的 最 后 屏 障 。 如 果 帶 入 的 污 垢 估 計 較 多 的 話 ， 那 么 在 惰 性 球 頂 部 放 上 大 面 積 的 篩 網 ， 效 果 會 更 好 些 。 雖 然 氧 化 鋁 或 陶 瓷 惰 性 材 料 是 用 得 最 廣 泛 的 ， 但 有 時 在 不 宜 用 氧 化 鋁 或 陶瓷 的 反 應 系 統(tǒng) 中 可 用 其 它 材 料 代 替 。 石 英 石 已 經 被 當 作 廉 價 的 代 用 品 ， 而 且 在 反應 不 受 其 中 雜 質 影 響 的 反 應 器 中 是 完 全 合 用 的 2 多 床 層 反 應 器 在

30、 有 中 間 冷 卻 或 加 熱 的 單 個 反 應 器 殼 體 中 多 床 層可 以 擱 在 支 承 板 上 (圖 6-10和 圖 6-11)， 不 然 也 可以 采 用 有 內 部 分 布 器 的 連 續(xù) 床 層 。 在 床 層 之 間的 空 間 可 以 設 計 安 裝 熱 交 換 器 管 束 或 將 蒸 氣 收集 送 向 外 部 熱 交 換 器 然 后 再 分 布 到 下 一 個 床 層 ，或 在 床 層 之 間 設 計 成 直 接 接 觸 急 冷 (圖 6-10和 圖6-11)， 也 可 以 在 床 層 內 引 入 急 冷 ， 如 圖 6-12所示 。 圖 示 的 三 種 反 應 器

31、都 有 一 個 內 冷 卻 的 外 殼以 減 少 反 應 器 的 厚 度 。 圖 6-10 冷 激 式 多 床 層 的 氨 轉 化 器 （ 凱 洛 格 型 ）a 垂 直 多 層 轉 化 器 ； b 臥 式 多 層 轉 化 器 圖 6-11 外 部 接 管 最 少 的 高 壓 氫 化 裂 解 反 應 器 圖 6-12 無 中 間 床 層 支 撐 的 冷 激 式 氨 轉 化 器 （ ICI） 。 催 化 劑 裝 在 單 一 環(huán) 狀 床 內 。A氣 體 入 口 ， B 氣 體 出 口 ， C冷 激 氣 入 口 ， D氣 體 旁 路 分 布 器 ， E 溫 度 計 套 管 ， F催 化 劑卸 出 口

32、。 3 裝 料 和 卸 料 的 設 備 和 程 序 氣 力 裝 料 用 空 氣 將 催 化 劑 罐 加 壓 ， 催 化 劑 則 通 過 能 夠 沿 著 反 應 器 橫斷 面 以 一 定 方 式 移 動 的 大 軟 管 借 氣 力 輸 送 出 去 。 遺 憾 的 是 ， 這 種高 效 技 術 只 局 限 于 高 度 耐 磨 的 催 化 劑 (抗 壓 強 度 ： 35磅 )和 如 球 狀的 自 由 流 動 顆 粒 。 吊 運 可 以 把 催 化 劑 桶 提 升 到 反 應 器 內 ， 然 后 卸 出 將 催 化 劑 裝 入 反應 器 。裝 料 管 把 織 物 制 的 裝 料 管 或 可 移 動 的

33、 管 子 聯(lián) 在 裝 料 斗 上 。 管 內 裝滿 催 化 劑 不 使 催 化 劑 自 由 落 下 ， 這 時 有 一 個 人 站 在 反 應 器 里 面 ，牽 引 裝 料 管 作 圓 周 運 動 使 催 化 劑 平 均 分 布 。 催 化 劑 下 落 不 應 超 過 1或 2英 尺 的 高 度 。 在 這 個 程 序 里 與 其 它 必 須 有 一 個 人 在 催 化 劑 床 層上 工 作 的 程 序 一 樣 ， 必 須 要 有 措 施 來 分 布 這 個 人 的 重 量 ， 如 在 床層 上 放 一 塊 跳 板 或 穿 上 雪 鞋 。 即 使 采 取 這 種 預 防 措 施 ， 一 些 易

34、 碎的 催 化 劑 還 是 要 被 壓 碎 成 粉 末 。 在 這 種 情 況 下 ， 便 應 在 反 應 器 頂 上 引 導 裝 料 管 移 動 。 當 工 人 進 到 容 器 里 面 時 ， 必 須 提 供 使 用 合 適的 面 具 和 防 護 服 以 保 護 工 人 防 塵 、 防 有 害 煙 霧 ， 在 許 多 情 況 下 還要 防 止 缺 氧 。 許 多 催 化 劑 吸 氧 性 很 強 而 且 以 驚 人 的 速 度 耗 盡 容 器中 的 氧 。 卸 料 卸 空 可 將 催 化 劑 卸 到 料 斗 或 卡 車 上 。 不 流 動 的 那 部 分則 必 須 用 人 工 來 清 除 。

35、同 時 進 行 卸 空 和 清 凈 輕 便 的 潔 凈 設 備 可 用 惰 性 氣 體 保護 同 時 進 行 卸 空 、 清 凈 、 篩 分 和 包 裝 以 備 再 用 。 真 空 卸 料 當 難 以 卸 空 或 無 法 進 行 時 ， 可 用 真 空 卸 料 法 。雖 然 這 樣 的 做 法 很 快 ， 還 是 避 免 周 圍 環(huán) 境 中 的 有 害 粉塵 ， 但 磨 損 率 可 能 高 些 。 有 可 能 把 床 層 中 那 部 分 已 經 失 活 和 部 分 堵 塞 的 催 化 劑卸 出 。 這 需 要 由 工 人 進 入 有 毒 的 區(qū) 域 去 放 出 物 料 和 操縱 卸 料 系 統(tǒng)

36、 。 4 物 料 流 動 的 分 布 在 大 直 徑 床 層 中 ， 為 防 止 流 動 截 面 突 然 收 縮 ， 必 須 裝設 多 個 出 口 或 出 口 集 合 管 。 當 必 須 用 非 常 淺 的 床 層 時 ， 可 規(guī) 定 采 用 徑 向 流 動 的 反應 器 以 改 進 流 動 的 分 布 。 5 熱 電 偶 的 位 置 熱 電 偶 應 裝 在 沿 床 層 的 軸 線 位 置 上 以 便 能 夠 監(jiān) 測 反 應溫 度 梯 度 和 這 些 梯 度 隨 時 間 改 變 的 情 況 。 在 每 一 個 部位 ， 不 是 裝 一 個 而 至 少 要 在 圓 的 每 一 象 限 各 裝 一

37、 支 熱電 偶 。 6. 開 工 設 備絕 熱 反 應 器 開 工 設 備 可 包 括 提 供 熱 氣 體 加 熱 床 層 的 惰 性氣 體 加 熱 器 或 蒸 汽 過 熱 器 。 當 需 要 時 , 還 應 當 提 供 再 生 空 氣的 特 殊 設 備 以 及 蒸 汽 或 其 它 必 需 的 特 殊 氣 體 。7. 淺 床 層某 些 反 應 反 應 很 快 ， 需 要 催 化 劑 的 量 非 常 少 ， 無 法 進 行傳 熱 。 典 型 的 反 應 如 氨 氧 化 生 成 氧 化 氮 ， 甲 烷 與 空 氣 反 應制 造 氰 花 氫 ， 催 化 劑 為 編 制 金 屬 絲 網 式 。 這 些

38、 反 應 主 要 或完 全 受 傳 質 限 制 ， 絲 網 填 料 的 設 計 是 以 中 間 實 驗 和 工 廠 的經 驗 為 基 礎 。 圖 6-13 為 均 勻 流 量 分 布 設 計 的 淺 床 層 的 反 應 器 6.4 多 段 間 接 換 熱 式 催 化 反 應 器 優(yōu) 化 設 計 確 定 了 多 段 間 接 換 熱 式 催 化 反 應 器 的 段 數(shù) 、 進 口 氣體 組 成 、 最 終 轉 化 率 、 生 產 能 力 等 。 多 段 間 接 換 熱 式 絕熱 催 化 反 應 器 的 設 計 是 一 個 確 定 各 段 始 末 溫 度 、 轉 化 率的 最 佳 分 布 問 題 ，

39、 最 終 結 果 是 使 催 化 劑 的 的 總 用 量 最 少 。 1 催 化 床 出 口 溫 度 不 受 催 化 劑 耐 熱 溫 度 限 制 時 的 優(yōu) 化 設 計 VRT = i=1n VRi Vso，ii=1n= o，i 目 標 函 數(shù) VRT具 有 極 小 值 的 必 要 條 件 如 下 ： 式 中 ， xA， i i段 的 出 口 轉 化 率 ， 即 i+1段 的 入 口 轉 化 率 。 T j i 段 的 入 口 溫 度 整 理 后 得 ： 又 因 為 ： o，i XAiXAi-1 CAOK rAi= dXA o，i+1 XAiXAi+1 CAOKrAi+1= dXA上 式 （

40、6-42） 可 變 為 ： 6-24 X=XAirAi rAi+1=1 1 X=XAi上 一 段 出 口 處 的 反 應 速 率 與 下 一 段 入 口 處 反 應 速 率 之 絕 對 值 相 等 各 段 進 口 溫 度 Ti下 ， 又 因 為 ： o，i XAiXAi-1 CAOK rAi= dXA所 以 ： XAi XAi-1 （ ） oXA iTi dXA = 0XA 即 ， 用 圖 示 的 形 式 表 示 ： 又 可 變 為 ， XAiXAi-1 rAi 1（ ）Ti dXA = 0XA圖 6-14 方 程 式 （ 6-45） 用 圖 示 的 形 式 表 示 當 xA軸 上 方 的 陰

41、 影 由積 與 下 方 的 陰 影 面 積相 等 時 ， 即 為 符 合 式(6-45)的 xAi值 。 設 計 思 路 ： (1) 根 據(jù) 反 應 氣 體 混 合 物 的 初 始 組 成 ， 催 化 劑 動 力 學 參 數(shù) ，作 過 程 的 平 衡 曲 線 與 最 佳 溫 度 曲 線 。 a 平 衡 曲 線 ： 根 據(jù) r = 0， 可 得 XA， eq = f（ Teq） b 最 佳 溫 度 曲 線 ： 根 據(jù) r/T = 0， 可 得 XA = f（ Topt） (2) 假 定 第 一 段 入 口 溫 度 為 To1， XAo rAi 1（ ） To dXA = 0XA XA1T = T

42、o + （ XA-XAO）其 中 ， = NTOyAO（ - HR） /NTCP求 解 出 第 一 段 出 口 轉 化 率 與 出 口 溫 度 XA1， T1。 （ 3） 根 據(jù) 式 即 ， 第 一 段 出 口 速 率 等 于 第 二 段 入 口 速 率 ， 可 求 出 第 二段 入 口 溫 度 TO2。 X=XAirAi rAi+1=1 1 X=XAi(4) 重 復 （ 2） 步 求 出 第 二 段 出 口 溫 度 與 出 口 轉 化 率 T2，XA2， 及 重 復 （ 3） 步 可 求 出 第 三 段 的 入 口 溫 度 To3。(5) 檢 查 算 出 的 最 后 一 段 的 的 出 口

43、轉 化 率 與 生 產 任 務 是否 一 致 ， 若 不 一 致 ， 重 新 設 定 TO1重 復 （ 2） -（ 5） 步 ，直 至 直 至 算 出 最 后 一 段 的 的 出 口 轉 化 率 與 生 產 任 務 一 致(6) 檢 查 計 算 結 果 與 平 衡 線 及 最 佳 溫 度 線 的 關 系 。 2.催 化 劑 有 起 始 活 性 溫 度 限 制設 計 思 路 : (1) 據(jù) 反 應 氣 體 混 合 物 的 初 始 組 成 ， 催 化 劑 動 力 學 參 數(shù) ， 作過 程 的 平 衡 曲 線 與 最 佳 溫 度 曲 線 。 a 平 衡 曲 線 ： 根 據(jù) r = 0， 可 得 XA

44、， eq = f（ Teq） b 最 佳 溫 度 曲 線 ： 根 據(jù) r/T = 0， 可 得 XA = f（ Topt）（ 2） 設 定 第 一 段 入 口 溫 度 為 To 1， To1值 為 催 化 劑 活 性 溫 度 ，是 一 固 定 值 。（ 3） 設 第 一 段 出 口 轉 化 率 為 XA1，（ 4） 根 據(jù) 絕 熱 溫 升 線 可 計 算 第 一 段 的 出 口 溫 度 T1。T = To + （ XA-XAO） （ 6-47） 其 中 ， = NTOyAO（ - HR） /NT2CP (5)由即 ， 第 一 段 出 口 速 率 等 于 第 二 段 入 口 速 率 ， 可 求

45、出 第 二段 入 口 溫 度 TO2。 （ 6） 根 據(jù) ： 式 （ 6-46） 和 絕 熱 溫 升 線 （ 6-47） X=XAirAi rAi+1=1 1 X=XAi rAi 1（ ）To dXA = 0X A XA2 XA1 （ 7） 重 復 （ 5） 、 （ 6） 步 算 出 最 后 一 段 的 XAn， 檢 查 算出 的 最 后 一 段 的 的 出 口 轉 化 率 與 生 產 任 務 是 否 一 致 ， 若 不 一 致 ， 重 新 設 定 XA1重 復 （ 3） -（ 6） 步 ， 直 至 直至 算 出 最 后 一 段 的 的 出 口 轉 化 率 與 生 產 任 務 一 致 。 （

46、8） 檢 查 計 算 結 果 與 平 衡 線 及 最 佳 溫 度 線 的 關 系 。 T = To + （ XA2-XA1） （ 6-47） 其 中 ， = NTOyAO（ - HR） /NTCP求 解 出 第 二 段 出 口 轉 化 率 與 出 口 溫 度 XA2， T2。 3 催 化 劑 有 最 高 耐 熱 溫 度 Tmax限 制設 計 思 路 ：（ 1） 反 應 氣 體 混 合 物 的 初 始 組 成 ， 催 化 劑 動 力 學 參 數(shù) ， 作過 程 的 平 衡 曲 線 與 最 佳 溫 度 曲 線 。 （ 2） 假 定 第 一 段 入 口 溫 度 為 To1，根 據(jù) ： 式 （ 6-46

47、） 和 絕 熱 溫 升 線 （ 6-47） a 平 衡 曲 線 ： 根 據(jù) r = 0， 可 得 XA， eq = f（ Teq） b 最 佳 溫 度 曲 線 ： 根 據(jù) r/T = 0， 可 得 XA = f（ Topt） XAo rAi 1（ ）T o dXA = 0XA XA1T = To + （ XA-XAO） （ 6-47） 其 中 ， = NTOyAO（ - HR） /NTCP求 解 出 第 一 段 出 口 轉 化 率 與 出 口 溫 度 XA1， T1。 若 T1超 過Tmax， 則 以 Tmax為 T1， 并 由 式 （ 6-47） 算 出 XA1。 亦 可 由 VFAO =

48、XA0 1rA dXAXA1 與 T = To + （ XA-XAO） （ 6-47）計 算 出 XA1。 （ 3） 根 據(jù) 式 （ 6-43） X=XAirAi rAi+1=1 1 X=XAi即 ， 第 一 段 出 口 速 率 等 于 第 二 段 入 口 速 率 ， 可 求 出 第 二 段 入 口 溫度 TO2。（ 4） 重 復 （ 2） 步 求 出 第 二 段 出 口 溫 度 與 出 口 轉 化 率 T2， XA2，及 重 復 （ 3） 步 可 求 出 第 三 段 的 入 口 溫 度 To3。 計 算 過 程 中 ， 若 Ti 出口 溫 度 超 過 Tmax應 以 Tmax為 出 口 溫

49、度 Ti。 并 用 式 （ 6-47） 或 式 （ 6-47） 結 合 式 （ 6-48） 計 算 出 口 轉 化 率 XAi。（ 5） 檢 查 算 出 的 最 后 一 段 的 的 出 口 轉 化 率 與 生 產 任 務 是 否 一 致 ， 若 不 一 致 ， 重 新 設 定 TO1重 復 （ 2） -（ 5） 步 ， 直 至 算 出 最 后 一 段 的的 出 口 轉 化 率 與 生 產 任 務 一 致 。（ 6） 檢 查 計 算 結 果 與 平 衡 線 及 最 佳 溫 度 線 的 關 系 。 4 例 題 某 日 產 干 噸 兩 段 間 接 換 熱 式 徑 向 氨 合 成 塔合 成 氨 的 速

50、 率 ：R= dyNH3/do = kT（ 1+yNH3） 2Kf2fH21.5fN2/fNH3 fNH3/fH21.5解 ： （ 1） 不 受 催 化 劑 溫 度 限 制 的 影 響 時 ，a. TO1 = 340 , 初 始 組 成 已 經 確 定 ， 由 下 式 ， XAo rAi 1（ ）T o dXA = 0XA XA1T = To + （ XA-XAO） （ 6-47） 其 中 ， = NTOyAO（ - HR） /NTCP求 解 出 第 一 段 出 口 轉 化 率 與 出 口 溫 度 XA1， T1。T1= 516.4 , yNH3,1= 0.1487, VR1 = 11.736

51、7 m3 b. 由 即 ， 第 一 段 出 口 速 率 等 于 第 二 段 入 口 速 率 ， 可 求 出 第 二段 入 口 溫 度 TO2=371.7 。 c. 再 由 X=XAirAi rAi+1=1 1 X=XAi rAi 1（ ）To dXA = 0X A XA2 XA1T = To + （ XA2-XA1） （ 6-47） 其 中 ， = NTOyAO（ - HR） /NTCP求 解 出 第 二 段 出 口 轉 化 率 與 出 口 溫 度 XA2， T2。T2= 461.4 , yNH3,2= 0.2146, VR2 = 28.2155 m3 （ 2） 受 催 化 劑 溫 度 限 制

52、 的 影 響 時 ，a.第 一 段 出 口 溫 度 T1計 算 值 超 過 了 催 化 劑 耐 熱 溫 度 Tmax, T1=Tmax = 510 ,并 由 式 （ 6-47） 算 出 XA1。 亦 可 由 與 T = To + （ XA-XAO） 計 算 出 XA1。T1= 510 , yNH3,1= 0.1432, VR1 = 10.2508 m3b.由 VFAO = XA0 1rA dXAXA1 X=XAirAi rAi+1=1 1 X=XAi 即 ， 第 一 段 出 口 速 率 等 于 第 二 段 入 口 速 率 ， 可 求 出 第 二段 入 口 溫 度 TO2=368 。c. 再 由

53、 rAi 1（ ）To dXA = 0X A XA2 XA1T = To + （ XA2-XA1） （ 6-47） 其 中 ， = NTOyAO（ - HR） /NTCP求 解 出 第 二 段 出 口 轉 化 率 與 出 口 溫 度 XA2， T2。T2= 465.3 , yNH3,2= 0.2144, VR2 = 30.6867 m3 6.5連 續(xù) 換 熱 式 固 定 床 催 化 反 應 器 優(yōu) 化 設 計連 續(xù) 換 熱 式 催 化 床 可 分 為 催 化 劑 裝 在 管 間 的 內 冷 自 熱 式 、 催化 劑 裝 在 列 管 內 的 外 冷 列 管 式 和 外 部 供 熱 管 式 。 本

54、 節(jié) 主 要以 三 套 管 并 流 式 合 成 氨 催 化 反 應 器 為 例 討 論 連 續(xù) 換 熱 式 固定 床 催 化 反 應 器 優(yōu) 化 設 計 問 題 . 圖 6-15 三 套 管 并 流 式 冷 管 催 化 床 溫 度 分 布 及 操 作 情 況 1. 內 冷 自 熱 式 氨 合 成 反 應 器 的 數(shù) 學 模 型1.1. 絕 熱 段 :(1) 物 料 衡 算氨 合 成 為 變 摩 爾 數(shù) 反 應 , 合 成 氨 反 應 的 動 力 學 方 程 為 : 將 式 (6-49)、 (6-50)代 入 式 （ 6-51） 整 理 后 得 ： 其 中 ， 再 因 為 ， Wo為 校 標 準

55、 狀 態(tài) 下 氨 分 解 基 氣 體 體 積 流 率 及 床 層 截 面 積 計 算 的虛 擬 線 速 度 ， m 3 (m2s)。 對 于 絕 熱 層 ， 應 按 絕 熱 層 床 層 截 面 積 來計 算 Wo， 以 Woh表 示 ， 再 計 入 活 性 校 正 系 數(shù) COR及 表 征 催 化 劑 使 用時 間 對 宏 觀 反 應 速 率 影 響 的 壽 命 因 子 TF， 最 后 可 得 絕 熱 層 中 氨 摩 爾分 率 隨 床 高 l變 化 的 表 達 式 ， 式 （ 6-52） 變 化 為 ： (2)熱 量 衡 算 提升管 外筒 內筒 TboQLoss dlT b yNH3 yio

56、Tbo（ 設 定 ） 、 yio已 知 時 ， 聯(lián) 立 式 （ 6-54） 與 式 （ 6-56）可 計 算 組 成 yi、 床 層 溫 度 Tb隨 床 層 高 度 的 變 化 。 1.2 冷 卻 段(1) 物 料 衡 算冷 卻 段 的 溫 度 分 布 與 流 體 流 向 如 圖 6-17所 示 提升管 外筒 內筒 TboQLoss yio絕熱段 冷卻段 TaoTb Ts DTO DRTa NT dl yi圖 6-17 冷 卻 段 的 溫 度 分 布 與 流 體 流 向 （ 三 套 管 合 成 氨 反 應 器 ） （ 2） 熱 量 衡 算冷 卻 層 催 化 劑 床 層 的 熱 量 衡 算 ：

57、環(huán) 隙 熱 損 失 設 為 1.5 /m， 上 式 變 為 ： 三 套 管 與 床 層 的 熱 量 衡 算 ： 式 （ 6-57） 、 （ 6-58） 、 （ 6-59） 聯(lián) 立 用 Runge-Kutta法 解 微分 方 程 可 求 出 y i、 Ta、 Tb沿 床 層 l的 變 化 。 1.3 內 冷 自 熱 式 三 套 管 氨 合 成 反 應 器 設 計 過 程（ 1） 絕 熱 段 計 算 設 絕 熱 入 口 溫 度 Tbo為 催 化 劑 的 的 活 性 溫 度 ； 絕 熱 段入 口 組 成 物 流 量 yio、 NTO已 知 ； 絕 熱 段 床 層 高 度 l1為 已 知值 ； 床 層

58、 直 徑 已 知 。 聯(lián) 立 方 程 （ 6-54） 與 （ 6-56） 計 算 離 開 絕 熱 段 的 物 料組 成 yi與 溫 度 Tb。 （ 2） 冷 卻 段 計 算絕 熱 段 結 束 時 的 組 成 yi與 溫 度 Tb作 為 冷 卻 段 的 初 始 條 件 ；冷 卻 段 高 度 為 l2； 設 定 一 個 離 開 換 熱 器 進 入 三 套 管 的 氣 體溫 度 Tao。 然 后 ， 聯(lián) 立 解 微 分 方 程 （ 6-57） 、 （ 6-58） 、（ 6-59） 。 可 求 出 y i、 Ta、 Tb沿 床 層 冷 卻 段 l2的 變 化 。 如 Ta（ 三 套 管 出 口 ） =

59、 Tbo（ 絕 熱 段 入 口 ） ， 計 算合 理 。 否 則 ， 重 新 設 定 Tao重 復 冷 卻 段 的 計 算 。 （ 3） 有 復 線 進 料 的 情 況以 上 兩 步 計 算 中 ， 認 為 絕 熱 層 進 口 物 料 量 等 于 三 套 管 環(huán) 隙 物 料 量 。如 有 復 線 物 料 未 經 床 內 冷 卻 器 （ 三 套 管 ） ， 則 ，Tbo = （ NT1Ta（ 三 套 管 出 口 ） + NT2T（ 復 線 ） ） /NTO此 時 ， 應 以 Ta（ 三 套 管 出 口 ） 約 等 于 （ NTOTbo-NT2T（ 復 線 ） ） /NT1判據(jù) 。（ 4） Tao

60、確 定 后 換 熱 器 的 設 計 成 為 一 個 新 的 問 題 。 2 內 冷 自 熱 式 三 套 管 氨 合 成 反 應 器 優(yōu) 化 設 計對 現(xiàn) 有 反 應 器 ， 可 進 行 如 下 的 反 應 器 優(yōu) 化 設 計 改 進 工 作 。 (1) 確 定 了 絕 熱 段 入 口 溫 度 及 組 成 ， 改 變 進 料 量 進 行 反 應 器 調 優(yōu) 。 (2)確 定 了 絕 熱 段 入 口 溫 度 與 進 料 量 ， 改 變 進 料 組 成 進 行 反 應 器 調優(yōu) 。 (3) 確 定 了 進 料 量 與 進 料 組 成 ， 改 變 絕 熱 段 入 口 溫 度 進 行 反 應 器 調 優(yōu) 。 有 一 點 必 須 強 調 ， 催 化 反 應 床 中 的 熱 點 溫 度 必 須 小 于 催 化 劑 的 最高 耐 熱 溫 度 。 將 平 衡 線 、 最 佳 溫 度 線 、 操 作 線 以 圖 示 的 形 式 描 繪 出 ，可 給 出 直 關 的 判 斷 。