精选固定床反应器的设计计算.docx

1、精选固定床反应器的设计计算周波主编反应过程与技术高等教育出版社，2006年6月.四、固定床反应器的设计计算 固定床反应器的设计方法主要有两种：经验法和数学模型法。经验法的设计依据主要来自于实验室、中间试验装置或工厂实际生产装置的数据。对中间试验和实验室研 究阶段提供的主要工艺参数如温度、压力、转化率、选择性、催化剂空时收率、催化剂负荷和催化剂用量 等进行分析，找出其变化规律，从而可预测出工业化生产装置工艺参数和催化剂用量等。固定床反应器的主要计算任务包括催化剂用量、床层高度和直径、床层压降和传热面积等。 （一）催化剂用量的计算经验法比较简单，常取实验或实际生产中催化剂或床层的重要操作参数作为设

2、计依据直接计算得到。1.空间速度空间速度Sv指单位时间内通过单位体积催化剂的原料处理量，单位为 s-1。它是衡量固定床反应器生产能力的一个重要指标。咲原料气体处理最（标准状况Vr催化剂填充体积e(2-36)式中：2.停留时间停留时间r指在规定的反应条件下，气体反应物在反应器内停留的时间，单位为VR TqP标准状况下的温度（K）与压力（PR, 丁生产条件下的温度K）与压力（PR。乱空対收率空时收率乞 捲反应物通过催化两味层肘在单位时间内单位质量（或体积催化剂所获得 的冃的产詢附莹。它昱反映催化剂选择性和生产能力的一亍蜃竇指拯.式中 目的产物的质* f kg!他催化刑的质量上即vs 催比剂的体积,

3、川.4催化剂贡荷催化制负荷民捋在单拉曲何内单位质蜃（或体积）催此剂由十反应血消耗的媒轉质董单 位为k/（kg -話或kg/Cm3 -心 它是反映催化刑生产能力的重要指标.(,2-40)% =仕（或民=幣ms I Vs武中：务，原料啧遇流量.kg/S-床层线連度与空床速度2-41)C2-42)床层绞速度是指在规定条件下，气体通过催化剂床层自由载面积的流連，单位为RV0 而空床速度是在规定条件卜*气悴通过空床层截面积的施速单位为m/s.力n注盍，设计的反应器冥与提供數据的裳置具有相同的抛作条件.如催化刑.反应物*压力，温 度等但逋常不可能甕全満足只能怙算*。（二）反应器床层高度及直径的计算催化剂的

4、用量确定后，催化剂床层的有效体积也就确定。很明显，床层高度增高，床层截面积将变小，操作气速、流体阻力（动力）将增大；反之，床层高度降低必然引起截面积 （直径）增大，对传热不利或易产生 短路等现象。因此，床层高度与直径应通过操作流速、压降 （即动力消耗）、传热、床层均匀性等影响因素 作综合评价来确定。通常，床层高度或直径的计算是根据固定床反应器某一重要操作参数范围或经验选取，然后校验其他操作 参数是否合理，如床层压降不超过总压力的 15%。床层高度与直径的计算步骤如下。（1） 根据经骗选取气悴空床速度.（2） 选取床层截闻枳人补 床层的截廁积为Ar =空 （2 - 43）（i3）校购床层压降“P

5、“根据公式（2-20）和试（2-2J校疊床层压降冷若压降低于总压力 的则选取的空床建度珈有效，上述计算成立.(4)确定床层的结构尺寸催化剂床层高度为式中片貧催牝剂床层体积,床层管内径取外径为若管内装催化利，则列背数为对于壳管式反应器(壳程装催化荆几其截面积为A昇=尹尹整葫的实际管数为N.采用正三角形排列，总面积为式中 管心D -一反应器的内径，疋巖外端管心与反应器壁距离，叽(三催化剂床寿传帶面积的计尊催化剂床层所需的传体商枳町参頤列骨武換薛器的计算方苗确定，什算公式为A = S-式中Q 经热酚窗算确定的传热速率J/M吐匚逬出口购嵋温班差的对数平均值* K：K传热系数/ 尊租流动圧降公式逬行佔算

6、，式中tAp 床层压降，Pa;打床高m；附 空床气速* m/ftipn 气体廡度kg/m1 ;此颗钝的体枳我面积平均宜径m;武床层空隙率】A . 摩擦琨数.町由下式计鼻:式中；儿 气悴釉度,PilBj第四节影响催化转化的因素影响催化净化气态污染物的因素很多，但主要有反应温度、床层气速、操作压力和废气的初始组成。一、温度催化反应是在催化剂的参与下进行的，反应的快慢与催化剂的活性有关。催化剂活性又与反应温度密切相关，因而对于伴有热效应的催化反应， 温度的调节和控制对净化设备的生产能力、 净化效果均有很大影响。对于可逆反应，由于受到平衡的限制，须同时考虑平衡反应率人和反应速率常数左对总反应速率的影响

7、。对于可逆放热反应，温度的升高，将造成的降低和 A的增加，因此反应速率的变化不是线性的，而是个弯弓曲线，曲线的最高点也是反应速率最大的点，它所对应的温度称为最佳反应温度。二、 空速由空速的定史叮知，任i足范個内，空速增加町以捉隔单位体积催化剂床层 的气体处理陡力川i反应率降低不大.囚此借化反城般在保诋婆球的反应允 许床层床降的条件卜采用较大空連口在选择空遽时还应保证，对上流式曲圭床 撩作，不能使床层冲起。三、 操作斥力加压 般能朋逢催化反应+减少设谷体枳世因傑化净化如理的腔【广丼披 的废气，故汕收价值不大* -般将拔气的抑放用力（略岛于常压）作为拗柞压力乜m.废气的初始组成从例7- I町知瓏吒

8、的初抽组皿岚接影响反应遠率催化拥用凰片和 耶福转化率工：。不何的催化妙化过程，理想的初始组成也不相同口例如：对硝裘元焘主编 南京化工学院等合编高等学校试用教材 基本有机化工过程及设备化学工业出版社，1981年04月第1版.例3-7乙烯1辍催北刑翼化制环事乙烷，主婆反应为C a II* + C j H t O C 1 bAH, =24上9千卡/克分子25-QCl + 0 200a + 21!aO （ 2 AHa 116千卡/克分于饕求年严环氧乙烷1M0吨*采用二段空T氧北槌农试跟擔中试经脸，取用下列敕据估鼻第一反血器尺寸*1.进入第一反应器的原料气组成为C.H. 0. CO. N. C.H.CI

9、.分于 3.S 6.0 7.7 2.8 Wft2.笫一反应器內进料温度为210-C,反应温度为250C,反应压力为10公斤/風米2,转 化率为20%选杼性为66%,空連为5000时73.第一反应器采用列管式固定床反应器，列管为027X2.5奄米，竇长6米，冊化剂充 填髙度57米。4育间笨用导生液强制外循环換恪。导生肢进口温度23CTC,出口温度235C,导生液 对管外墜给热系数Q2可取650千卡/米2时（：5催化刑为球形.直Ed为5毫米，床层空隙率e为0.48,6.年工作7200小时，反应后分离、精制过程回收率为90%,第一反应器所产环飆乙烷 占总产就的%97.在25O-C, 10大气压下，反

10、应混合物有关物性数鹅为导热系数Af = 0.030-1千卡/米时9粘度 /i=2.6xl0-5公斤/米抄密度 一717公斤/肝各组分在25250C范围內平均气体热容为C,H, 0, N, 0. H*O C,H4O千卡 /公斤C 0.47 0.23 0.2S 0.23 0.47 0.33解，L物料简算翌求作产1000吨环氧乙tL考虑过程损失后毎小时应生产环氧乙烷量为熔454.32公斤/时由第一反应SS反应生成环賓乙烷虽为154.32 X0.9二139公斤7时=3.16公斤分子/时鄭反应淳应加入乙烯筮为3.16T.G6X0.202乩94公斤分T7时按原料气组成，求得原料气中其余各组分屍为02 23

11、9汉= 公斤分子/时3 5CO3 23.94 52.57公斤分子/讨k223.94 K半具=566.35公斤分子/时反应消耗乙烯GI23.94 X0.2 XO.66 = 3 16 公斤分于/时消耗氧气秋3.L6 XQ.5 s 1.58公斤分子/时生成环柬乙烷空316公斤分子/時反应(2)23.94 x0.2x0.34 = 1.63 公斤分子/吋消耗氣气肚1.63只3 = 4.89公斤分子/时生成-氣化破駅163K2 = 3Z6公斤分子/时生成水足1.63x2 = 3.2G公斤分子/时表I物料術算农fi分it11Ai公斤分f7Bfl34. ?1108.24CO, 152.8?2317.41B5.

12、O24609iN.566.35iswr.w566.3$15S57.80GH.0SdCU9.04HtOS.2 = 946196千卡/时(2 )反应后气体带走热Q2Q2 = (S56.2 X0.47 + 1106.24 X0.2J+ 2460.92 x 0.23 + 15857.8 x 0t 25 4 139.04 XO.334-58.68 X0.47)(250 25=1149834 千卡/肘3)反应放出热ftQrQr 3.1GxjO3x 24.69 UG3 xl03x3. = 593100 千卡 / 时4 )传给导生液的热StQcQc = + Q一 Q 2 =946196*593100- 114

13、9831 = 339462千卡 / 跨5核算桃热面积 味层对壁总溶热系敎按式3灯)计算。S =令3彳卫: ) exp( - 46d/dt) 0158.8&1459 x 4(024= 36366公斤/米肘0.005x 363661 2.6 K10-5 x 3600 1943339.24千卡/*-时C总传热菜数K心品旷僚需5侖厂2曲72千卡侏时9因转化率（,故整个反应磊床层可近似地看成W为25LC.传热推动力为需要传热面枳为= 99.03米 2实际传纵面积为A賽=兀击 丄fi = 3】4 x 0022 x57 X1459 = 574,78米A实AH能满足传热婴求d,G*19174?) = 3716

14、 属桃梯3越横 p7.17x3)心心7.17 X= e7Si_ _ =13600斤AX* N * 3d公庁/腿米耳徐建良等编著现代化工计算化学工业出版社，2009.08.憾1的協算、主饕设塞的工艺计算，并从谨讣流程计算的收敛与杏以炭和现实攥柞的符合程 度来检验戯醜程是否町行.1.过程的基本信息-）市场信愿二甲雄工业生产的兴起垦同氟孰烷的限制和黠止便用紧密栩连的.加世配北年代初国 际上弋莠刑制品得到厂迅速发展，气雾削生产申，气雾抛肘剂11熒采用載氯近年來*盟 现氣氯烷对地球大r臭無空有严亀的破坏柞用*遛到限制和辭止使用*鉴于二即騙的您和蒸 弋压等物理性质和二號二飙甲烷和近以及具优曳的无厳害利耳保

15、性能，便之嚴为烈氛绘的 理想替代甜*自20 wa S0年代以来二甲靛作为一种农全吒那剂得以迅猛地sB目冊， 州:募剂制品11J*二甲MSSM应用市场口二甲矗不Raruiflt制冷拥和气雾制.而且坯作 为液休燃料。低压下的二甲瞇变为液悴.与石油液化P有柑似之处*二甲瞇也町収做醇醴燃 料、与卬聲按一定比佛混舍后呵克眼草襪态燃料的缺点.从而改善娴料性能.具有清 洁、使用方便等优点。据市场阔査，二甲SS市场应用前疑广Mt禺内需求蚩远远趙过供Stft,现市场上甲醉价 1500-2000元/馳.一甲穆价格为MOO元f吨*比甲薛为舉料，鏡偎化脱水得到二甲 醸，皆用肿的粽合利用和增值提供了一条理想的逢电 木设

16、计按照概念设计的思路，孑找从 甲醉佛化脱水生产二甲朋的盘桂匚艺流程和怙算虽住设计条件R（二）反应信息反应方程式2CH5OHt (CH3)2O + H2O反应热Hr (25X： ) = -11770kJ/kmol3反应条件：温度i-250-3701,反应压力为常压.4选择性.该反应为催化脱氢，催化剂为102%硅酸处理的无定性氧化铝.在400P 以下时，该反应过程可以看作是单一.不町逆的，反应的选择性S町以近似认为等于1.5反应为气郴反应.6二甲曉产 130kmol/h .7屮障的转化聿在80%以上.未反应的甲聊循环回收到反应器中的%6Skmol/h8二甲醋产品饨應，99% （质忻分数）.9廉料：

17、常温下工业纸甲醇（假定含秋】）（三）连续或间歇生产的选择选择一个连城的过程，操作费用和物流费用以年为基准.擁作时数为8150h/a.二、流程输入输出结构和循环结构（一）原料预处理原料足工业级的甲晖内含少歌水假定摩尔比甲悴*水=99 1）,和微竝其他杂质（对于主反应无形响），水是反应的产物，忽略对原料进行净化处理.如原料甲醇含水墩过 高.可考虑箱谓以后进料.（二副产物在所选催化剂和反应条件主反应的选择性接近1碣产物很少，在整个设计过程中 忽略團产物仔在.（三循环和放空由于反应转化率为80%,所以用循环物流将未反直的甲脾循环.反应产生的水，残蘭 少童甲柠 2%）,经简单飪理可排放.3.反应器的工艺

18、设计(-)动力学模型反应器的工艺设计主要足完成催化剂用呈或反应器反应体积的设计.设计的主要依据是 反应动力学模型.甲醇7-Al2O3上脱水生成二甲蜃的动力学模取如下,(5 33)dxM _ m5PmSdj 1+ VMpM +H?OpH,O)2 甲醉的转化率；反应速率常数，h 1atm ,-5jb一甲椁的吸附常数.p一一压力 * atmjTW质址停留时间，hl KP 一反应平*#下标，MD甲怡二甲陽质世停留时间定义为;(5-34)式中催化剂质区；Wmo反应器进料中组分甲醉的质念流崑.在ChemCAD中有-个动力学反应器(kinetic reactor)操作单元.可以自定义动力学 模型，一种计算模

19、式是根据反应器体积计算反应出口转化率，另种计算模式是根据出口荐 化率计算反应器体积，即完成反应签的工艺设计。ChemCAD动力学反应器对反应遠率的定文为,(5-35)= K心式中Ne一反应器进料组分匚的摩尔M.&IVH反应器的体积.将反应理率的定义应用在甲醉K r-Al2o3上脱水的动力学模舉上：W 传临地一 (】PdP%)M l = .635X10exp(-5?)6M=1.252X10I8exp(-)如01206】0%科(一疇)lnK= + 3. 0707InT-2. 783X 10 T4-3. 8X 10r T2 6. 561 X兽一26 64內m为催化剂的堆砌密度取值为800kR/m3

20、o（二）甲醇脱水绝热因定床反应器的设计步强步骤X新建文件名“二甲瞇固定床反应器设ilS步豪跌 建立丁艺流程图如图552所示.步骤久单位选择.以SI单位制为主.压力 M位采用atm.步鼻“组分选丼甲醇、水和二中龊（Methanol. Water, Dimethyl Ether）.步费5：相平衡摸朋（K值模型）选择 NRTL （或Wiln或UNIQUAC等溶液棋理） 弹出的 NRT1. Parameters Set 1 窗 口中显示了二 元交互作用参数，但是数据不全.缺乏水和一甲 联的二元交互作用參数.釆用tools菓单命令中的BIP Regression命令来回归所缺的参数.步骤6点击ChemC

21、AD中菜单按钮“热力学及物化性质”.从其下拉菜单中选择“回 1U二元交互作用数”命令.聊岀“二元交互参数回FT蛍选择“使用UNIFAC估算 法的汽液平衡数据冋归（VLE）n.并复选上“回归出所有缺失的二元交互参数”.如图5-53 所示.步那7：编辑进料信息.温度523. 15K,压力I atm.组分摩尔分数：甲15? 0. 99,水 0.01* AXfi 325kmol/h.步鼻&编辑动力学反应器的倍息.双击动力学反应器的图标，弹出“动力学反应器 （KREA）窗口.在“慨况说明”中作如图554的选择.在“更多说明”的活贞窗口中作图5 55所示的选择，对动力学方裡中的变址逬行单位 制的设定.点击

22、OK后，弹出“ Kinetic DaU-w窗口，如图5-56所示，编辑反应信息。步曝久 点击，押出*-Kinetic Dau-W囱II屮的*OKW府，弹岀“Unit： 1User Rate ExpressionsM 窗口，在 MRxn 】”活页窗口 中的 “Write User Rate Expression =文車ft) 5-54动力学反应計接作信息编输的活页饶 11分阪 9分版.y- v活(UK4kj -0. 002783 * T+0.00000018 TA 2-65610 /TA 2)Dim M As DoubleZ甲牌的分子試M = 32. C42RinRaxeOOl-luo/M- k

23、* bmAO. 5* POOP 1.5* （bP003* POO2/KP/P00r 2） J （14 Cbm POOITO.S 卜 bw* PO02）A 2步 It 10：点击 Unit j 1 User Rate Expressions* 窗 口中“ ft 定按钮禅出 Window” 值 息炎示能，询问足否更新动力学方程农达式，点击“是”。11,点击运行按钮-Runff.得到反应器体积是27. 73m3步9US绝热固定床反应器的出口物料各组分猱尔分数：甲醇0. 1986,水0. 4057二 甲楼 0.3957,温度 634. 7K.四.分离系统从反应器中出来的气体含有二甲謎、未反应的甲醇、水

24、.郝是以气态存在.进入分离塔 之前要将气体冷却成液体或者气液两相共存.三俎分的混合体系，采用两个精協塔，即 个二甲醛塔和一个甲醉堆来将三种物质分盅.（一）塔序为了清晰地分割混合物，可先冋收曲轻的组分.也可以先回收最重的组分.当组分数增 多时萍代方案数fit急剧上升.因而在排定廉悯塔的塔序时，人们得到了两组推理法则.排定塔序的通用推理法则，1脱出腐蚀性组分；2尽快脫出反应性组分或单体3以備出物移出产品；4以馆出物移出循环物流.如黑它们是循环送回填料床反应器，尤其婴这样.排定搭序的推理法则：1流量大的优先；2虽轻的优先I3高收率的分离最后；4分离困难的最石；5尊摩尔的分割优先J6下一个分离应该是最便宜的. * - -在根抵匕述推理法则，三俎分中二甲議的流届境大.而且也昼轻.所以本设汁中塔的分 离顺序为，二甲風+ 1卩醉十水一二甲醴，甲醇+水.甲醇+水一甲醇.水（二）分离塔（二甲醋+甲醇+水f二甲醛甲醉+水）二甲酬在常压F的沸点很低（一24弋）常压精饰塔顶冷凝器需畫保持低温，要划加 制冷设备，增加了设计难度和实际慄作困难，不采用常压将帽的方案，而采用加斥精诸如果塔项冷驗器采用常温下的自来水进行冷却.塔顶憔出物的泡点温度应大于50匸， 二甲嵐泡点温度为50七时.对应的泡点压力为11. 3atm（1）分离塔1的简捷设计步骤X新建文件名或打开上一题文件.步骤2：建立工艺