反应过程与技术固定床反应器的计算.doc
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§2-4固定床反应器的计算
Calculationoffixedbed
计算内容:
①催化剂用量;②床层高度和直径;③传热面积;④床层压力降。
计算基础:
反应动力学方程;物料衡算;热量衡算。
固定床反应器的经验计算法:
利用实验室;中间试验装置;工厂现有装置最佳条件测得数据。
一.催化剂用量的计算 Calculationofcatalystuselevel
1.空间速度:
Spacevelocity
原料气体积(标)流量
催化剂填充体积
意义:
单位体积催化剂在单位时间内通过原料标准体积流量
2.接触时间:
Contacttime
反应条件下,反应物体积流量
床层空隙率
3.空时收率:
Spacetimeyield(STY)
意义:
反应物流经床层时,单位质量(或体积)催化剂在单位时间内所获得的目的产物量。
4.催化剂负荷 Catalystload
单位质量催化剂在单位时间内通过反应所消耗的原料
5.床层线速度与空床速度 Linearvelocityandsuperficialvelocity
线速度:
反应体积在反应下,通过催化剂床层自由截面积的速率。
空床速度:
在反应条件下,反应气体通过床层截面积时的气速。
使用条件:
所设计的反应器与提供数据的装置具有相同的操作条件
二.反应器床层高度及直径的计算Calculationofreactor
体积一定:
床层高度床层截面积气速;
床层高度,对传热不利,另:
太小,气体易产生短路。
根据经验:
①取气体各空床速度;
②再计算床层工截面积;
③校床层阻力降;
④确定床层的结构尺寸。
床层截面积:
气体体积流量
气体空床速度
催化剂床层高度:
催化剂床层体积
绝热反应器(圆筒形状):
单管内径
列管反应器,管数:
圆整
壳管式反应器(壳程装催化剂)
n~反应管程数;~反应管外径;N~实际管数
采用正三角形排列:
总面积:
三.催化剂床层传热面积的计算
Q~热量衡算确定;通用公式计算(并、逆流)
K~取经验数据或计算
四.床层压力降 同前
举例:
《工厂装备》例3-8
已知:
略求:
略解:
①
②
③
④
⑤
小结:
1.固定床的传质;
2.固定床的传热;
3.固定床的计算。
作业:
《工厂装备》习题4
习题4.已知:
,进料量
39.6,
求:
床层对壁总给热系数
解:
设此反应为放热反应,需移出热量,床层被冷却,床层对壁总给热系数
,
第二章气~固相固定床催化反应器小结
一.基本概念Basicscheme
1.催化剂粒径:
2.形状系数:
意义
3.空隙率:
定义
4.固定床当量直径:
5.催化剂有效系数:
定义,测定方法
6.催化剂用量。
①空速②空时收率③cat负荷④接触时间
7.线速u,空床速度
8.宏观动力学,本征动力学
二.基本原理Basicprinciple
1.催化剂的特点:
①改变反应速度
②不改变化学平衡
③具有选择性。
必备条件:
活性好,选择性高,寿命长,具有一定机械强度。
类别:
金属(良导体);金属氧化物或硫化物(半导体);盐类或酸性催化剂(绝缘体)。
失活:
定义:
活性随操作时间延长而下降的过程;
分类:
物理失活;化学失活
失活原因:
局部过热使催化剂挥发结晶;原料气未净化,催化剂中毒;结炭,掩盖活性中心,定期通空气,水蒸气烧去。
以提高反应活性补偿。
2.催化剂表面的吸附
物理吸附;化学吸附
覆盖率:
吸附等温线,吸附等温方程的关系
3.气固相催化反应的全过程:
七步
4.气固相催化反应速率:
表面反应控制,反应类型→机理→动力学方程→特征。
5.多孔催化剂内的传质,内扩散类型:
分子扩散(费克扩散);
克努森扩散;
过渡扩散;每个类型的特征。
6.固定床催化反应器的类型:
绝热式(单段和多段);换热式(对外换热式和自身换热式)
7.流体在固定床中的流动特性:
气体分布问题;解决方法。
三.基本计算Basiccalculation
1.催化剂用量的计算;
2.床层高度和直径;
3.床层压力降的计算。
课堂举例:
某固定床反应器中,原料流量为200[kmol/h],采用空速为0.15[s-1],气体的线速为0.15[m/s],床层空隙率为0.42,操作压力1.013Mpa,操作温度180℃。
求:
(1)催化剂体积;
(2)床层直径;(3)床层高度。
解:
(1)VR==8.3[m]
(2)V0==0.207[m3/s]
D==2.045[m]
圆整D=2[m]
(3)H=VR/At==2.64[m]
1、催化剂的失活类型及失活原因
宏观动力学
不排除外界因素(扩散)的影响,进行动力学研究得出的规律,称宏观动力学。
2、微观动力学:
排除外界因素(扩散)的影响,进行动力学研究得出的规律,称微观动力学。
3、催化剂的形状系数
5、床层空隙率及计算公式
固定床中的床层空隙体积与整个床层体积之比。
ε=1-ρB/ρS
6、催化剂有效系数的测定方法
测实际反应速度rP1→逐次粉碎催化剂颗粒,使内表面暴露为外表面→逐次测出反应速度rP2、rP3、rP4……→至催化剂逐次压碎,反应速度不再改变为止rPN=rS→计算
1、催化剂可以加快反应速度,但不改变化学平衡,并对催化反应具有选择性。
2、选择催化剂,应使催化剂具有活性好、选择性高、寿命长,并具有一定的机械强度。
3、催化剂的失活分为物理失活和化学失活。
4、分子扩散阻力由气体分子间碰撞引起,克努森扩散阻力由气体分子与孔壁碰撞引起。
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