7.多相催化反应器的设计与分析

7.多相催化反应器的设计与分析7.1若气体通过固定床的线速度按空床计算为0.2m/s,则真正的线速度为多少?已知所填充的固体颗粒的堆密度为1.2g/cm3,颗粒密度为1.8g/cm3解:1.2110.33331.80.20.6/0.3333空床真正bpuums7.2为了测定形状不规则的合成氨用铁催化剂的形状系数,将其填充在内径为98mm的容器中,填充高度为1m,然后边续地以流量为1m3/h的空气通过床层,相应测得床层的压力降为101.3Pa,实验操作温度为298K,试计算该催化剂颗粒的形状系数.已知催化剂颗粒的等体积相当直径为4mm,堆密度为1.45g/cm3,颗粒密度为2.6g/cm3.解:23553023101.3101.3/,1,1.185/1.87101.8710/,41010.03685/36000.785(0.098)1.45110.44232.6012r0Lu由(7.1)式p=fvbpppPakgmsLrmkgmPaskgmsdmumsd根据(6.4)式可推导出ψa=dp/dv,式中dp为等比外表面积相当直径,dv为等体积相当直径.330331(1)1150(1)(7.2)1.751501.75(2)Re101.3(410)(0.4423)/11.185(0.03685)2r02r0Lupfp=f即Lu由式将有关数值代入(1)和(2)式得:fvavaavaddfdu233(10.4423)39.07(3)1.8310(10.4423)8.7781501.751.75(4)(410)0.036851.185aaf(3),(4):8.778/1.7539.07,1.758.77800.49692a式联立将此式变为:39.07解此方程得:aaaa7.3由直径为3mm的多孔球形催化剂组成的等温固定床,在其中进行一级不可逆反应,基于催化剂颗粒体积计算的反应速率常数为0.8s-1,有效扩散系数为0.013cm2/s,当床层高度为2m时,可达到所要求的转化率.为了减小床层的压力降,改用直径为6mm的球形催化剂,其余条件均不变,,流体在床层中流动均为层流,试计算:(1)(1)催化剂床层高度;(2)(2)床层压力降减小的百分率.解(1)求dp为6mm的床层高度L2,已知数据:dp1=3mm=0.3cm,dp2=0.6cm,L1=2m,kp=0.8s-1,De=0.013cm2/s001112221002111221110.30.80.39223320.0130.92210.60.80.78453320.0130.756求得求得AfAfxAArAxrAAAppFdxLVRLVFdxRkRDekRDe12120.9222.430.756LLm(2)求床层压力降减小的百分率:2210201122331211,ppLuLupfpfdd假定床层的空隙率不变,则有:11212221ppfLdppfLd层流流动时:012121501150Re/(2)pppfdufddf(1),(2)式联立:2212221122112120.6/23.2252.430.3/2ppppppLdddpLpLddLd床层压力降减少的百分率为:1213.22510.689968.99%3.225ppp7.4拟设计一多段间接换热式二氧化硫催化氧化反应器,每小时处理原料气35000m3(标准状况下),组成为SO2:7.5%;O2:10.5%;N2:82%.采用直径5mm高10mm的圆柱形催化剂共80m3,取平均操作压力为0.1216Mpa,平均操作温度为733K,混合气体的粘度等于3.4×10-5Pa.s,密度按空气计算.解:由(7.1)式312r0Lup=fpd根据题给条件有:107330.1013350002730.121321.75/3600uAmsA上式中A—床层截面积,m2.12121/31/32380/80660.785(0.005)0.016.0051020.785(0.005)4.140.0050.01660.785(0.005)0.017.215103.142ppppvLAAmVdmaVdm在题(7.1)中已推导出/apvdd,因此有:336.005100.83237.21510a查”无机化工反应工程”P108图4-1得ε=0.45,混合气的物性数据按空气计算误差不大,733K下,ρ=0.4832kg/m3,μ=0.034厘泊=3.4×10-5Pa.s,因此有:5310150(1)1503.410(10.45)1.751501.751.75Re6.00510(21.75)0.48320.044441.75pfduAA112333800.4832(21.75)(10.45)(0.044441.75)1.8386.005100.45(0.044441.75)AApAAAPa要求△P4052Pa则有40521.838×107A-3(0.0444A+1.75)试差求解床径:床层直径D(m)床层截面积A(m2)等式右边的值(Pa)5.322.0546785.422.8942395.4523.3240395.5023.753849所以床层直径应大于或等于5.45m,直径为5.45m所对应床层高度为:803.43123.32Lm7.5多段冷激式氨合成塔的进塔原料气组如下:组分NH3N2H2ArCH4%2.0921.8266.002.457.63(1)(1)计算氨分解基(或称无氨基)进塔原料气组成:(2)(2)若进第一段的原料气温度为407℃,求第一段的绝热操作线方程,方程中的组成分别用氨的转化率及氨含量来表示.反应气体的平均热容按33.08J/molK计算.反应热△Hr=-5358J/molNH3(3)(3)计算出口氨含量为10%时的床层出口温度,按考虑反应过程总摩尔数变化与忽略反应过程总摩尔数变化两种情况分别计算,并比较计算结果.解:(1)计算氨分解基气体组成:100mol原料气中含NH32.09mol,相当于2.09/2molN2及(1.5×2.09)molH2,因此，无氨基气体组成如下：NH3N2H2CH4Ar∑MolMol%MolMol%MolMol%MolMol%MolMol%MolMol%0022.86569.1467.727.637.637.4742.452.4102.1100(2)绝热操作线方程：(A)(A)考虑反应过程中气体总摩尔数的变化.以y代表氨基气体mol%,Ft表示混合气体总摩尔流量,由2231322NHNH可以看出,每生成1摩尔NH3,混合气体总摩尔数减少1,所以生成氨的摩尔数=00tAtAFyFy,(下标A代表NH3,0代表进口处,yA0和yA均指有氨基的mol%)因此有:000001:(1)1化简得ttAtAtAttAFFyFyFyFFy(a)(a)以N2的转化率表示组成时的绝热操作线方程:220,0NNrTPTFxHFCT上式中(-△Hr)以反应每kmol的N2计.22220,000,00001111ANNrtpTANrTANtpAyFxHFCTyFHyTxFCy以进口处N2的转化率为0作基准计算,则有:22,000211253581/NrANpAryHyTTxCyHkJkmolN代入有关数据:20.2182535812168033.0810.0209ANyTx化简得:2680692.4(1)ANTyx(2)又,生成的NH3mol数为:00000011AAtAtAtAtAyyFyFyFyFy反应消耗N2的mol数为:000001121AAtAtAyyFyFy∴N2的转化率:2000011210.2182AtAAANtyFyyyxF代入数据:2110.02090.0209210.2182AANyyx化简得:220.047882.291NANxyx(3)(3)代入(2)式得:2220.04788680692.412.291NNNxTxx化简后得到以2Nx表示组成的绝热方程为:2216206802.291NNxTx(b)(b)以NH3含量表示组成的绝热操作线方程:00tAtArtpFyFyHFCT式中(-△Hr)以每生成1kmolNH3计,0000000031111111153581/0.0209(1)10.020953581代入数据:T=680+33.08AtAtArtpArrAAAAAAApAApArAAyFyFyHFCTyHHyyyyTyyyCyyCyHkJkmolNHyy化简得到以yA表示组成的绝热操作线方程如下:6801620[0.02047(1)]AATyy(B)(B)忽略反应过程中气体总摩尔数的变化(a)以N2转化率表示组成时的绝热操作线方程:22,0()NrNtpFHxFCT式中-△Hr以每反应1kmolN2计.2222,02222,0,0000.218225358168033.08即化简之T=680+707.1NNrNrNNtptprNNpNFHFHTxxFCFCyHTTxxCx(b)以NH3含量表示组成的绝热操作线方程:0tAArtpFyyHFCT式中-△Hr以每反应1kmolN2计:0rAApHTyyC353581/rHkJmolNH05358168068016200.020933.08AAATyyTy(3)计算出口氨含量为10%的床层出口温度,考虑反应总摩尔数变化时:6801620[0.02047(1)]6801620[0.10.02047(10.1)]805.5AATyyK忽略反应总摩尔变化时:6801620(0.0209)6801620(0.10.0209)808.1ATyK808.1-805.5=2.6K,温度相差并不大,这是由于合成氨反应体系总转化率不高的缘故,若转化率高则两种方法计算出来的床层出口温度将会有较大的差别.7.6在绝热催化反应器中进行二氧化硫氧化反应,入口温度为420℃,入口气体中SO2浓度为7%(mol);出口温度为590℃,出口气体中SO2含量为2.1%(mol),在催化剂床层内A,B,C三点进行测定.(1)(1)测得A点的温度为620℃,你认为正确吗?为什么?(2)(2)测得B点的