化学反应工程（第四版）第五章固定床气固相催化反应工程.pptVIP

解 三个反应中只有二个是独立的，选择邻苯二甲酸酐的收率YB、一氧化碳和二氧化碳的总收率YC和床层反应温度Tb作状态变量，则一维平推流的数学模型如下 (例5-7-1) (例5-7-2) (例5-7-3) 式中为邻二甲苯入口摩尔分数。邻苯二甲酸酐的生成速率 。氧的进口摩尔分数为(yO2)0，此例中由于反应量很小，氧的摩尔分数可视作常量，则 ， ， ，因此 (例5-7-4) (例5-7-5) 初始条件：l=0时，YB=0，YC=0，Tc=Tb0。用Runge-Kutta法解不同进口温度T0时上述常微分方程组，可得反应管高度为3m以内的催化床轴向温度分布和邻苯二甲酸酐收率YB(实线)和CO、CO2收率YC(虚线)的轴向分布，见图(例5-7-1)及图(例5-7-2)。 图（例5-7-1）催化床轴向温度分布 图（例5-7-2） 催化床轴向收率分布 当Tb0＝626、628或630K时，模拟计算表明：床层有明显的先升高后降低的轴向温度分布，其热点温度及轴向位置分别为Tb0＝626K时，热点Tmax＝656.8K，位于L＝0.80处；Tb0＝630K时，热点Tmax ＝691.8K，位于L＝1.0处，当Tb0＝630.5K时，出现床层内温度猛升的现象，于L＝1.0处，温度已上升到736K，于L＝1.05m处，温度超过1000K，以致催化剂遭到破坏，进气温度0.5K之差，竟造成如此严重的后果。这种现象称为“飞温”。 由此可见，带强放热副反应的系统在管式反应器内操作，由于温度升高引起的副反应反应速率加大，而副反应的反应热大为超过主反应时，破坏了反应。对于这类反应，床层温度的控制，特别是热点温度，十分重要。 [例5-8] 邻二甲苯催化氧化管式反应器的操作参数敏感性及飞温。 解 在钒催化剂上邻二甲苯催化氧化的本征反应速率见例5-7，例5-7并且讨论了反应器进口温度Tb0的参数敏感性。下面分别讨论进料浓度、熔盐温度及空速的参数敏感性。 (一)进料浓度 进料浓度是影响化学反应速率的重要因素，它对反应器前部的反应速率影响很大，在一定的条件下表现出参数的敏感性。另外，进料浓度g0还直接影响反应器的生产能力，但由于参数敏感性的限制，进料浓度不得不被限制在一定的范围内，从而影响生产能力。如图(例5-8-1)可见，在其他条件(SV＝1500h-1，Tb0＝360℃)不变时，热点温度随进料浓度的增大而增高，且热点位置稍微后移，当进料浓度g0达到42g/m3(STP)时，进料浓度再增大到42.5g/m3(STP)即发生飞温。由此可见，进料浓度对邻二甲苯氧化反应过程是一个敏感参数。 反应收率Y与进料浓度之间的关系如图(例5-8-2)所示。为避免发生飞温现象和保持较高的邻苯二甲酸酐收率，应严格控制邻二甲苯的进料浓度。 (二)熔盐温度 由图(例5-8-3)可知，邻二甲苯氧化反应器的热点温度随熔盐温度的增大而迅速提高，当熔盐温度进入临界区域后(如360℃)，只要有1℃的波动就引起了飞温。这就要求在固定床反应器的设计与操作中，应确保足够大的熔盐循环量，以尽量减少壳程内轴向和径向的熔盐温差，特别要防止出现熔盐流动死区，否则将可能出现飞温和失控现象，影响反应转化率和操作安全。 熔盐温度与收率之间的关系如图(例5-8-4)所示。由此可见，在反应器的操作过程中，既要有一定的熔盐温度，以保证高转化率；又不能使熔盐温度过高，过高的熔盐温度会使收率下降，甚至出现飞温。而这两个温度之间的差距并不很大，也就是说操作的弹性不大。因此在工业实际生产过程中，必须严格控制熔盐温度。 图（例5-8-3）