催化反应工程(华东理工大学) 多段换热式催化反应器
华东理工大学化学反应工程(本)期末复习题及参考答案
化学反应工程（网络教育）-题库注：找到所考试题直接看该试题所有题目和答案即可。
查找按键：Ctrl+F 超越高度1、可逆放热反应的最优温度随转化率xA变大而。
A、降低B、变大C、不变D、都有可能答案： A2、对自催化反应而言,必然存在最优反应时间使最大。
A、转化率B、反应速率C、收率D、选择率答案： B3、在列管式固定床反应器中进行强放热反应,为保证反应器稳定操作,若反应活化能越大,则最大允许温差。
A、越小B、越大C、不变D、不能判断答案： A4、工业反应过程优化的技术指标包括 .A、反应速率B、反应选择率C、反应工艺D、能量消耗答案： ABD5、化学反应工程的研究方法主要采用数学模型方法。
答案：正确6、在CSTR中小于平均停留时间的流体粒子占全部粒子的百分比为36.8%。
答案：错误7、若气相反应2A+B→P+S,则膨胀因子dA等于()。
A、 -1/2B、 1/2C、 2D、 -2答案： A8、活化能E与反应的热效应相关,活化能大的反应其反应热也大。
答案：错误9、理想间歇反应器中搅拌越激烈,混合越均匀,则反应速率越快。
答案：错误10、空速的物理意义是单位时间单位反应器体积所能处理进口物料的体积,单位为[时间]-1。
答案：正确11、对自催化反应A+P→P+S而言,必定存在最优反应时间使反应的转化率最大。
答案：错误12答案：外扩散消除，内扩散有影响。
13、有一全混釜反应器,已知反应器体积为100 升,流量为10升/min,试估计离开反应器的物料中,停留时间为0~1min,2~10min和大于30min的物料所占的分率。
答案：0.095,0.451,0.05014、一级液相可逆反应在等温80℃下间歇反应器中进行反应,反应物A,产物P。
已知cA0=2.00mol/L,cP0=0时,反应时间t=30min,测得cA=1.5mol/L,且该温度下平衡浓度cAe =0.5mol/L,求(a)平衡常数K;(b)反应速率常数k1和k2。
催化反应工程主要研究内容
催化反应工程主要研究内容催化反应工程是研究催化反应过程及其工业应用的领域。
它涉及了多个方面，以下是催化反应工程的主要研究内容：1. 催化剂设计与合成：催化反应工程的第一步是设计和合成高效催化剂。
这包括选择合适的催化剂材料，调控催化剂的形貌、尺寸和结构，以及优化催化剂的表面性质和催化活性。
2. 催化反应动力学：研究催化反应的动力学过程，包括反应速率、活化能、反应机理等。
这有助于了解催化反应的基本原理，并为反应条件的选择和催化剂的改进提供理论指导。
3. 反应器设计与操作：催化反应工程考虑反应器的设计和操作条件，以实现高效的反应过程。
这包括确定最佳的反应器类型（例如批式反应器、连续流动反应器）、确定反应器的尺寸和形状，以及优化反应温度、压力和混合方式等操作条件。
4. 催化剂失活与再生：催化剂在长时间使用过程中可能会发生失活，降低催化活性。
催化反应工程致力于研究催化剂失活的原因和机制，并探索催化剂的再生方法，以延长催化剂的使用寿命和提高催化效率。
5. 催化反应工艺优化：通过实验和模拟方法，催化反应工程可以对催化反应工艺进行优化。
这包括寻找最佳的反应条件、最优的催化剂配方、最佳的反应器配置，以及优化反应产物的分离和纯化过程。
6. 催化反应工程应用：催化反应工程的研究成果可以应用于多个领域，包括化学工业、石油炼制、环境保护、能源转换等。
催化反应工程的目标是实现催化反应的可持续发展和工业化应用。
总而言之，催化反应工程主要研究催化剂设计与合成、催化反应动力学、反应器设计与操作、催化剂失活与再生、催化反应工艺优化以及催化反应工程的应用。
这些研究内容旨在提高催化反应的效率、降低能源消耗、减少环境污染，并促进可持续化工发展。
化学反应工程_华东理工大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
化学反应工程_华东理工大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.对简单不可逆二级反应，根据要求的处理量、初浓度和转化率，所需的反应器体积最小。
参考答案:平推流2.工业反应过程优化的决策变量包括参考答案:操作方式_工艺条件_结构变量3.均相反应应该满足下述哪2个条件？参考答案:反应体系互溶_预混合过程很快4.对串联反应而言，存在一个最优反应温度使反应产物收率最大。
参考答案:错误5.化学反应工程的研究方法是经验放大方法参考答案:错误6.连续流动釜式反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器进口物料的浓度和温度。
参考答案:错误7.理想间歇反应器中搅拌越激烈，混合越均匀，则反应速率越快。
参考答案:错误8.化学反应的前提是参与反应的所有物料达到分子尺度上的均匀，成为均一的气相或液相。
参考答案:错误9.产生返混的原因是参考答案:不均匀的速度分布_空间上的反向流动10.限制返混的措施包括参考答案:横向分割_纵向分割11.化学反应工程的研究对象是以化学实验室中进行的化学反应过程。
参考答案:错误12.化学反应工程优化的技术指标是参考答案:反应选择率_能耗_反应速率13.活化能E与反应的热效应相关，活化能大的反应其反应热也大。
参考答案:错误14.零级反应的重要特征是反应时间由残余浓度决定，与初始浓度关系不大。
参考答案:错误15.可逆放热反应的最优温度随转化率xA变大而增大。
参考答案:错误16.限制返混的措施是分割，主要是横向分割。
参考答案:正确17.理想管式反应器的径向具有严格均匀的速度分布，也就是在径向不存在浓度变化，所以反应速率随空间位置的变化将只限于轴向。
参考答案:正确18.对自催化反应A+P®P+S而言，必定存在最优反应时间使反应的转化率最大。
参考答案:错误19.小于1级的简单不可逆反应，反应转化率可以在有限时间里达到100%。
参考答案:正确20.空速1000（1/h)表示每小时能够处理的进口物料体积为反应器体积的1000倍。
华东理工大学反应工程阶段辅导(3)
r
' P
rP
当 1, 2 1 忽略 3 严重 当 5 , 2
⑶表观动力学法
在本征动力学已知时，比较
Eob E nob n
⑷计算准数 22
R 2 n kCb n kC b 2 rP2 DeCb
R 2 r DeCb
2 2 P
R, Cb 可测
解：
A B P
C p 1.0kJ / kg K ,
0.5kg / m3 , H 125.4kJ / mol
P 0.1MPa , T 325 C 下 ，有：
P y A0 0.1 106 8% C A0 1.61 mol m3 RT 8.314 (273.15 325) (H )c A0 125.4 1.61 Tad 403.8 K cP 0.5 1 T Tad x A 403.8 0.8 323.0 K
Cb 2 Cb 2
C Af
⑷内扩散过程对反应结果的影响 反应场所 简单 自催化 可逆 平行 串连
内扩散 外扩散
C A,b C A,es C A,is C p ,b C p ,es C p ,is
反应结果
工程因素
化学因素
工程分析方法
Ces es f ( Da, n) Da Cb Cb
C A0
2.
1, Da f (Z )
n=1，
k n 1 Da Cb kg a
Z
Cb
Da 与 Cb 无关，与Z无关
n>1,
n<1,
Cb Da 1 Cb Da 1
多相催化反应器的设计和分析课件
3.压力降计算公式
流 颗粒的粘滞曳力 动 阻 力 局部阻力
p
f
Lr
u
2
0
1
ds 3
150 f 1.75
Re
Re dsu0 1 1
ds
6Vp ap
影响最大的因素: u0、
9
7.1.2.质量和热量的轴向扩散
（1）R轴e 向d质pu扩散的10贝克莱Pe数m=2((P气e体a )m)/0.3d～Dpau1(液体)
对于固定床反应器，一般有以下模型: 一维: 参数只随轴向位置而变。
一维拟均相平推流模型
二维: 参数随轴向和径向位置而变
一维拟均相带有轴向返混的模型
拟均相: 流相和固相结合，视为同一相
二维拟均相模型
非均相: 流相和固相分别考虑。
二维非均相模型
平推流: 不考虑轴向返混。
…………
带有轴向返混的模型: 在平推流模型的 基础上叠加了轴向返混。
14
小结 轴向:
等温时，若用N个等体积的全混釜来描述固定床内 气体的流动状况，则N等于50或更大。
对工业固定床反应器，大多数Lr/dp值远大于50， 故可采用活塞流模型表示等温固定床内气体的流动状 况。
轴向扩散： N Lr
dp
非等温时，以Lr/dp值大于150作为准则较稳妥。 径向:
若用N个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流 径向扩散：
7 多相催化反应器的设计与分析
Design and Analysis of Multiphase Catalytic Reactor
1
7 多相催化反应器的设计与分析
Contents
① 固定床内的传递现象
② 固定床反应器的数学模型
反应工程第二版 第六章气固相催化固定床反应器
dxA RA B
dl
u0cA0
：催化剂堆密度
B
dxA
RA B
dl u0cA0
L 0
dl u0
cA0
xA出 0
dxA
RA B
•
•
对照平推流反应器模型 二者相同
VR V0
cA0
dx xA出
A
0 rA
23
• 热量衡算：（仍然是那块体积）
输入热量－输出热量+反应热效应
=与外界的热交换+积累
x1in,T1in x1out, T2in x2out T3in x3out T4in x4out
35
x
在T－x图上看：
0
二氧化硫氧化反应T－x图示意
T
斜线为段内操作线，斜率为1/λ。 水平线表示段间为间接冷却，只是温度降低，转化率不变。
36
• 调用最优化程序，就可以求得W最小值？
• 可以，但很困难。
输入：G cp T G质量流量, cp恒压热容
输出：G cp(T+dT)
反应热效应：(-RA)(1-εB)(-ΔH)Aidl
热交换：U(T-Tr)πdidl
di反应器直径
积累：0
U:气流与冷却介质之间的换热系数
Tr：环境温度
24
• 将各式代入，得
dT
RA 1 B H U
4 di
T
Tr
dl
ucp g
粒径 ds/mm 质量分率 w
3.40 0.60
4.60 0.25
6.90 0.15
• 催化剂为球体，空隙率εB=0.44。在反应 条 件 下 气 体 的 密 度 ρg=2.46kg.m-3 ， 粘 度 μg=2.3×10-5kg.m-1s-1 ， 气 体 的 质 量 流 速 G=6.2kg.m-2s-1。求床层的压降。
化学反应工程名词解释和简答题
1.反应动力学主要研究化学反应进行的机理和速率，以获得进行工业反应器的设计和操作所必需的动力学知识，如反应模式、速率方程及反应活化能等等。
包含宏观反应动力学和本征反应动力学。
2.化学反应工程化学反应工程是一门研究化学反应的工程问题的学科，即以化学反应为研究对象，又以工程问题为研究对象的学科体系。
3.小试，中试小试：从事探索、开发性的工作，化学小试解决了所定课题的反应、分离过程和所涉及物料的分析认定，拿出合格试样，且收率等经济技术指标达到预期要求。
中试：要解决的问题是：如何釆用工业手段、装备，完成小试的全流程，并基本达到小试的各项经济技术指标，规模扩大。
4.三传一反三传为动量传递（流体输送、过滤、沉降、固体流态化等，遵循流体动力学基本规律）、热量传递（加热、冷却、蒸发、冷凝等，遵循热量传递基本规律）和质量传递（蒸馏、吸收、萃取、干燥等，遵循质量传递基本规律），“一反”为化学反应过程（反应动力学）。
5催化剂在化学反应中能改变反应物的化学反应速率（提高或降低）而不改变化学平衡，且本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质叫催化剂。
6催化剂的特征（1）.催化剂只能加速热力学上可以进行的反应。
（2）.催化剂只能加速反应趋于平衡，不能改变反应的平衡位置（平衡常数）。
（3）催化剂对反应具有选择性，当反应可能有一不同方向时，催化剂仅加速其中一种。
（4）.催化剂具有寿命，由正常运转到更换所延续时间。
7活化组份活性组分是催化剂的主要成分，是真正起摧化作用的组分。
常用的催化剂活性组分是金属和金属氧化物。
8.载体催化剂活性组分的分散剂、粘合物或支撑体，是负载活性组分的骨架。
9助催化剂本身没有活性，但能改善催化剂效能。
助催化剂是加入催化剂中的少量物质，是催化剂的辅助成分，其本身没有活性或活性很小，但是他们加入到催化剂中后，可以改变催化剂的化学组成，化学结构，离子价态、酸碱性、晶格结构、表面结构，孔结构分散状态，机械强度等，从而提高催化剂的活性，选择性，稳定性和寿命。
催化反应工程华东理工大学 第一二次课.ppt
３．移热问题 ４．反应速率与活性温度
催化反应工程
流态化技术
１．气体分布２．颗粒的流动特性３．特征流速 ４．床层的膨胀与压降５．气泡行为６．乳相行为 ７流化床的热、质传递８．颗粒夹带与分离９．数学模型
催化反应工程
教材
1. 朱炳辰，翁惠新，朱子彬编著. 催化反应工程，北京：中国 石化出版社，2001
２．加氢裂化反应器
３．催化重整反应器
催化反应工程
催化反应工程
三．基本有机化工中的催化反应器
平行 连串 平行连串反应系统
温度
反应器进口气体组成，操作压力，操作温度， 产量
１．深度氧化的副反应，活化能大于主反应，反应热大于主反应的；
降低温度有利，若温度高，副反应加剧，飞温，可能烧坏
催化剂，反应器
２．平衡常数与温度的关系 若在某一温度下，平衡常数小，可提高操作压力
参考书目
1. 朱开红，袁渭康编著. 化学反应工程分析，北京：高等教育 出版社，2002
2．G F Froment, K B Bischoff. Chemical Reactor Analysis and Design 2nd ed. New York: Wkley&Sons, 1990
催化反应工程
kt
1 CA
1 C A0
1 C A0
1
x
x
、C
A
C A0 1 C A0kt
x C A0kt 1 C A0kt
Batch
kt
n0
CA
kt
n 1
CA
kt
n2
CA
PFR
k p
CAf
k p
催化反应器设计
唐 月
（ 黑化集 团（ 股份 ） 有限公 司， 黑龙 江 齐齐哈 尔 １１４ ） ６ ０ １
摘 要： 催化反应 器的种类很 多， 根据不 同的分类方法可以分为 多种类型。催化反应器是设计更是一项非常复杂且专业性很 强的工作 ， 讨论了 催化反应器的类型、 应遵循的基本原 则， 并对一些反应 器类型的数 学模型和计算方法作 了初步介绍 。 关键词 ： 催化反应 器； 类型 ； 设计 ； 学模型 数 置开工预热用的电加热器 ， 这些不见要在反应 内 由于流下气量比 气泡中气量下得多， 因此可不计其 ｌ 催化反应器的基本类型及基本没计原则 单位体积反应器内催化剂的装 对转化率的 影响； ） （ 所有传递到乳化相中的反应 ５ １ 基本类型。 ． １ 工业 ｔ 使用的反应器的结构和 合理地组合起来， 操作方法千差万别 ， 对均相反应器一般按形状操 载系数要高， 气流分布要均匀 ， 气流通过反应器的 绸分能在此完全反应， 而离开床层的气体组 成可以 作方法和温度万 歹进仃分类 。从 ＊ｄ ｚ ＇－ － ￣－ 形状 Ｅ 分釜式和 压力降要小。（） 机械方面来讲 ， ４从 结构要可靠， 不 以 —级反应为例， 假定其以颗粒体积为基准 管式， 从操作方法上分间歇式、 连续式和半连续式 但要考虑反应器内有关不见处于高温状况下的机 还要考虑不同不见承受不同温度所产生 的反应速率常数为 ｋ 分别对气泡相、 泡晕相和乳 三类，根据反应器温度在空间或时间分布状态可 械强度。 有关反应器中流 化相分别作物料衡算 ， 可得到下列方程： 分为等温反应器和非等温反应器。 釜式反应器： 在 的温差应力 因素，还应妥善谢 一 釜式反应器中—般设置搅拌器 ，以 保证反应器内 体和固 体的均匀分布和分离的部件结构。 ＿ ｕ 出 岫 Ｋ ｃ知＿ ＾ 十 ｃ ）ｋ ｂ （） ５ 流体充分混合 ， 使反应器 内各 温度和浓度相同。 ２催化反应器数学模型及 计算方法 Ｋ ｃ） ｃ ｂ — 圩Ｃ ） （ Ｃ （） ６ 催化反直器的数学模型， 根据反应动力学可 反应热的移出（ 放热时） 或补充（ 吸热时） 一般有两 Ｋ （ Ｃ －ｔ￣ ｍＣ ）－ Ｃ －． ｋ （） ７ 种方法，在反应器外设置夹套或者在反应器内设 分为非均相与均相两类 ， 根据温度和浓度分布状 式中ｋ为包括所有反应方程的总反应速率常 置套管， 通过夹套或套管种的热载体或冷载体与 况由可分为一维模型与二维模型。 数。 反应流体的热交换，可将反应放出的热量移出或 ２ 气固催化反应器。 ｌ 式（） 据边界条 件： ０ ｃ ＝ 可得下 ７根 ｌ 时 Ｃ ， ＝ ２．固定床反应器。流体通过不动的固 ． １ １ 体物 反应所需的热量得到补充。釜式反应器不仅适用 Ｃ ｘ （ｋ ） （） ８ 于均相反应（ 通常为液相反应） 而且可用于气液反 料所形成的床层进行反应的装置称为固 定床反应 式 ： ： ｐ＿胁 ｂ 当 ｌ ｆ ｃ庐 ＾， 人 ｔ ： ＝ 时 ｃ ｕ代 Ｌ 式 应、 气液固反应 ， 液液反应等多相反应， 是一种广 器 ， 用于氨的合成、 二氧化硫氧化、 乙烯部分氧化 泛的工业反应器。 对于釜式反应器来说， 当采用间 制环氧乙烷、 水煤气变换等反应。 ｋ ｖ １ 歇操作方式时称为间歇反应器，当采用连续操作 建立固定床催化反应器的 模型时， 按照是否 方式时称为全混流反应器。 考虑流体与催化剂颗粒表面的浓度和温度 的差 大多数工业 催化反应器使用固体催化剂所使 别， 区分为非均相和拟均相两种模型。 由于拟均相 该模型放大还未出现 ， 经验放大还是唯一的 用的反应器称为气—固非均相催化反应器 ，简称 模型较简单而 目 ． 对大多数反应器均适用 ， 该类反 放 大 。 为气一固相催化反应器，气固相催化反应器按颗 ２ 气液反应器。 ｌ ２ 这类反应器主要用于气体组 粒功 的特性可区分为气—固相固定床催化反应 分在液相中边溶解边反应过程。气液反应分为气 器简称为固定床和气—固相流动床催化反应器 ， ｕ 体净化为 目 的的化学吸收过程 （ 如用碱液吸收二 简称流动床反应器。 如果反应物系有气、 液两相而 氧化碳） 和由气相和液相反应物参与的多相反应 使用固相催化剂或者固体催化剂悬浮在惰性液相 过程， 如卤化、 、 加氢 空气氧化、 磺化等精细化学 品 载体中而反应物系仍属气相称为气—液—固三相 合成中常用反应和生化过程中的好气性微生物发 床催化反应器。按催化床换热方式可分为绝热式 酵过程等。 和连续换热式。绝热式特征是反应在绝热情况下 对于气液反电来说， 在气液界面内的液膜中 进行如果所要求的转化率不高或反应过程热效应 气液组分的扩散和反应同时进行。扩散和反应速 不大可用单段绝热式， 如果反应的热效应相当大 ， ｌ０ ＝ 时 率的相对大小会影响反应组分的 浓度分布，所表 Ｃ 以致于出口出催化剂超温或反应物系的出口组成 现出的宏观反应速率方程的形式也不同。 受平衡组成的影响很大 ， 可采用多段绝热式。 对于 气液反应器的 模型。 气液反应器主要有两类， 放热反应段间可通过见解换热器 ， 升温或与热流 即塔式反应器和机械搅拌釜式反应器。塔式反应 体混合升温。 器又可分为填料塔、 板式塔 、 鼓泡塔及喷雾塔等四 １ ２基本设计原则。 催化反直 器设计 应遵循的 种主要类型。 基本原则 ：１ （） 设计不是—个 单纯的催化剂用量及 这里只介绍填料塔式反应器的模型 ， 假定气 优化计算 ， 而是根据工程实际隋况， 运用系统工程 液两相的流动均为活塞流，反应过程中气液两相 的观点， 根据社会效益和经济效益， 选用合适的催 的摩尔流量不变。 通过单位空塔截面积的气体和 化剂和反应温度，并根据反应过程及催化剂的特 液体的流量用 Ｇ 和 Ｌ表示。则： Ｍ Ａ的吸收量 征， 确定最佳工艺操作参数 ， 如压力 ， 反应气体的 （ 广 ）Ｂ的反应量＿ ＭＣ 广 ） Ｐ Ｐ ， Ｌ（ ｎ Ｃ 。 初始组成 ， 最终转化率和空间速度， 期望达到的收 其中， 为总压 ，ｔ Ｐ ｃ 为液相的总摩尔浓度 ，Ｂ Ｃ 率和选择率， 使用过程中的工艺参数 ， 催化剂的活 为组分的液相主体的浓度。 下标 ２ 表示塔顶。 对于 性及生产任务的某些变化。（） ２应根据反应和催化 瞬间反应全塔有 ： 剂的特征和工艺操作参数、 设备制造 、 设备检修和 Ⅶ ｇ （， ＾＝ 州 （ Ｒ － Ｐ Ｐ２ ｃ １ － ）＿ ） （） １ ｏ 催化剂的装卸等方面的要求 ， 综合起来考虑催化 反应器的选型和结构 ，采用固定床 、 流化床或是 对微元落， 斤 物料衡算有 ： 气— 固三相床，对于固定床还要近一步考虑结 液一 ｄＡ－ ｐ ＝ ｄ Ｂ ｃ （１ １） 构选用单段绝热式 ， 多段绝热式 ， 多段冷激式 ， 还 微元中的消失速度可表示为 ： 是连续换热式 ；对于连续换热式还要考虑采用哪
化学反应工程知识点甄选.
化学反应工程知识点#化学反应工程知识点—郭锴主编1、化学反应工程学不仅研究化学反应速率与反应条件之间的关系，即化学反应动力学，而且着重研究传递过程对宏观化学反应速率的影响，研究不同类型反应器的特点及其与化学反应结果之间的关系。
2、任何化工生产，从原料到产品都可以概括为原料的预处理、化学反应过程和产物的后处理这三个部分，而化学反应过程是整个化工生产的核心。
3.化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。
数学模型法是对复杂的、难以用数学全面描述的客观实体，人为地做某些假定，设想出一个简化模型，并通过对简化模型的数学求解，达到利用简单数学方程描述复杂物理过程的目的。
模型必须具有等效性，而且要与被描述的实体的那一方面的特性相似；模型必须进行合理简化，简化模型既要反映客观实体，又有便于数学求解和使用。
4.反应器按型式来分类可以分为管式反应器、槽式反应器（釜式反应器）和塔式反应器。
5反应器按传热条件分类，分为等温反应器、绝热反应器和非等温非绝热反应器。
第一章 均相单一反应动力学和理想反应器1、目前普遍使用关键组分A 的转化率来描述一个化学反应进行的程度，其定义为：00A A A A A A n n n x -==组分的起始量组分量转化了的 2、化学反应速率定义（严格定义）为单位反应体系内反应程度随时间的变化率。
其数学表达式为dtd V r ξ1=。
3、对于反应D C B A 432+=+，反应物A 的消耗速率表达式为dtdn V r A A 1-=-；反应产物C 的生成速率表达式为：dt dn V r C C 1= 4.反应动力学方程：定量描述反应速率与影响反应速率之间的关系式称为反应动力学方程。
大量的实验表明，均相反应的速率是反应物系的组成、温度和压力的函数。
5.阿累尼乌斯关系式为RT E C C e k k -=0，其中活化能反应了反应速率对温度变化的敏感程度。
6、半衰期：是指转化率从0变为50%所需时间为该反应的半衰期。
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N1出 NC N2进 1
N1出x1出 N2进 x2进 2
N1出T1出 NCTC N T 2进 2进 3
催化反应工程
将NC N2进 N1出代入3式, 得
N1出 T1出 TC N2进 T2进 TC 4
0,i 0,i1
xi,出
xi,出
催化反应工程
3 多段直接换热式反应器各段始末温 度及转化率的 优化设计
VR f xi,进 , xi,出,Ti,进 ,Ti,出,i
共有5n-1个变量
Ti,出 Ti,进 i xi,出 xi,进 n个，
注意：原料气冷激，∧i相同 非原料气冷激，∧i不相同
i1
i1
i1
VR VS 0
0 ,
催化反应工程
VS 0标准状态下初始态体积流量，m3(stp)/h
τ 0标准接触时间，h
VR f xi进 , xi,出,Ti,进 ,Ti,出 4n个变量
T i，出-T i，进=Λ(X i,出-X i，进) X i+1，进=X i，出 X1，进 ，XN，出 已知
催化反应工程
§3 多段换热式催化反应器
1 多段绝热式催化反应器的特征 2 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 3 多段直接换热式反应器各段始末温度及转
化率的 优化设计
多段间接换热式
催化反应工程
① 平衡线，Tm线不变 ③ 各段绝热线斜率不变 ⑤ 付线调节温度
② 冷却过程中，x不变 ④ 无返混，VR最小
T' i,出
Tmax Ti,进
i
xi,出 xi,进
n个
独立变量数n-1，
取各段出口转化率xi，出为独立变量
VR 0 xi ,出
VR VR,i VR,i1 VR,i Ti,进 0 xi,出 xi,出 xi,出 Ti,进 xi,出
催化反应工程
§4 多段球形催化床甲醇合成 反应器非均相数学模型及 优化设计
1 物料衡算 2 催化床非均相数学模型 3 甲醇合成反应动力学 4 气－固相间传质系数和给热系数 5 催化剂内扩散效率因子 6 优化设计 7 计算框图 8 计算结果
催化反应工程
催化反应工程
1 物料衡算
CO 2H 2 CH 3OH
xi
,出
,T
j
,进
j
i
0
催化反应工程
即 0,i 0,i1 0
xi,出 xi,出
0,i0
Ti,进
第一类条件式 第二类条件式
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
催化反应工程
2. 出口温度受耐热温度限制
x i,进，x n,出已知 冷激过程中物料衡算
催化反应工程
2 n-1
非原料气冷激
Ni,出xi,出 N x i1,进 i1,进
冷激过程热量衡算
n-1
Ni,出CpTi,出 Ni,cCpTc Ni1,进C Tp i1,进
独立变量数2n-1, 当第一段进口温度给定，则独立变量数维2n-2
多段原料气冷激式
催化反应工程
① 平衡线，Tm线不变 ③ 各段绝热线斜率不变 ⑤ 冷激线调节温度
② 冷却过程中，x变化 ④ 有返混，VR大
多段非原料气冷激式
催化反应工程
① 逐段Te， Tm线上移 ③ 各段绝热线斜率上移 ⑤ 阀门调节温度
② 冷却过程中，x不变 ④ 一般放在最后两段之间
催化反应工程
n个方程 n-1个方程 2个
独立变量数2n-1
催化反应工程
选x1,出，，xn1,出，T1,进，，Tn,进
为独立变量
VR f xi,出,Ti,进
反应器体积最小的必要条件
VR xi,进
Ti,进 ,x j,出
ji
0
VR Ti,进
使VR=Min，或Prod=Max
催化反应工程
2)建立数学模型 3)给定初值---得VR(或Prod)---修正
---直至VR=Min，或Prod=Max 4)如何修正，最优化方法，如powell法
催化反应工程
5)若在改变初值的过程中发现下述现象， 改变搜索方向
T i,进<催化剂起始活性温度 T i,出>催化剂耐热温度 注意：直接搜索法求得的结果，判别
CO
yCO,in
NT,inyCO,in
NTyCO
CO2
yCO2,in
NT,inyCO2,in
CO2 3H 2 CH 3OH H 2O
独立反应数2，关键组分数2，yCO，yCO2
组分
进催化床
yi,in
NTi,in
催化床中摩尔流量 NT,i
H2
yH2,in
NT,inyH2,in NT,inyH2,in-2(NT,inyCO,in-NTyCO)-3(NT,inyCO2,in-NTyCO2)
联立式(2)、(4)求解，可得
x1出 x2进 x1出 T1出 TC T1出 TC T2进 TC x2进 T2进 TC
催化反应工程
2 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
1.解析法求解
n段，已知V0, x1进，xn出
求VR=最小时的各段x，T
n
n
n
VR VR,i VS0,i 0i VS0 0i
Ti,进 xi,出
i
催化反应工程
VR xi,出
VR,i xi,出
VR,i1 xi,出
i
VR,i Ti,进
0
即 0,i
xi,出
0,i
xi,出
0,i1
xi,出
i
0,i
Ti,进
0
3. 直接搜索法
催化反应工程
最优化问题：1)反应器催化床体积最小 2)产量最大 3)能耗最小 4)经济效益最大
解析法存在的问题： 1)VR=min，已推导；但产量=max?经济效 益=max? 2)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？ 4)不能判断多维极值的“尖”与“平”
直接搜索法
催化反应工程
1）分析独立变量数，确定独立变量
设计型：VR=f(x i,出，T i,进)=Min 操作型：Prod=f(x i,出，T i,进)=Max 必然存在一组(x i,出，T i,进)