固定床反应器的设计计算

1、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计依据直接计算得到。1 .空间速

2、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。(2-36):“川-原料气体处理量（标准状况），n?/s.小中VR催化剂填充体积，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sor一m式中.qv在规定反应条件下，反应物体积流量，mV队.工I,停留时间与空间速度的关系为式中：，%标准状况下的温度（K）与压力（Pa）jT.p生产条件下的温度（K）与压力（Pa）.工空时收率空时收率s,指反应物通过催化剂床层时，在单位时间内单位质量（或体积）催化剂所获得的目的产物的量。它是反映催化剂选择性和生产

3、能力的一个重要指标，S*=鬻（或S*=用（2-39）目的产物的质量，kg：催化剂的质景，kg1催化剂的体积,式中imG4,催化剂负荷催化剂负荷Sg指在单位时间内单位质量（或体积）催化剂由于反应而消耗的原料质量，单位为kg/（kg-3）或kg/（mJs）a它是反映催化剂生产能力的重要指标aSg=絮（或&=宏）（2-40）式中国原料质量流量，kg/Sq5.床层线速度与空床速度床层线速度是指在规定条件下，气体通过催化剂床层自由截面积的流速，单位为m/sa33+58.68XO47)(25O-25)1149834千卡/时3)反应放出热盘Q.Qr=3.16x103x24.691.63x103x3.6=59

4、3100千卡/时+Qr-Q”946196+593100-1149834=389462千卡/时(5)核算换热面积床层对壁总给热系数按式(311)计算。.0.7%=4-35(j-)exp(-4.6dp/dl)20158.881459X-(00245询方=224.72千卡/米，时C因转化率低，故整个反应器床层可近似地看成等温，为25(TC.传热推动力为4=36366公斤/米z时二0.005x363662.6x10-5x36000.03045*0.022=1943nT/,c0.005x3.5x(1943)。xexp4.6M:诙)339.24千卡/米2时C总传热系数KK1_1r-K-1击；？*d；a3d

5、0Af)dm王g(250-230)+(250-235)=175需要传热面积为A需=KAt-=zjm.=99.03米2实际传热面积为人实=d.Ln=3.14x0.022x57x】459=574.78米2A实An能满足传热要求6.球度压降计算皿一华6士）居赋=匕力相属湍流FMd.M./3G366=175.V（，*W3丽）H5ZX5JiTSrxooTxoai*u1360Q公斤7米2=1,36公斤/座米，徐建良等编著.现代化工计算.化学工业出版社,2009.08.能盘的衡算、上要设备的工艺计算，并从设计流程计算的收敛与否以及和现实操作的符合程度来检验读流程是否可行.一.过程的基本信息（一）市场信息二甲

6、醮工业生产的我起是同氟黛院的限制和禁止使用紧密相连的。20世纪7。年代初国际匕气雾剂制品得到迅速发展，气雾剂生产中，气雾抛射剂主要采用氟氯烷.近年来，发现班辄烧对地球大气臭低层有严重的破坏作用，遭到限制和禁止使用.鉴于二甲酶的饱和盘气压等物理性膜和二氟二氧甲烷相近，以及其优良的无毒害和环保性能，使之成为瓶氯烷的理想替代品。自2。世纪80年代以来二甲悔作为一种安全气雾剂得以迅猛地里展.目前，气雾剂制品已成为二甲醴最重要的应用市场=二甲醴不仅可以做制冷剂和气落荆，而且还作为液体燃料口低压下的二甲屣变为液体.与石油液化气有相似之处.二甲醛也可以做醉健燃料，与甲醇按一定比例混合后，可克服单液态燃料的缺

7、点，从而改善燃料性能，R有清洁.使用方便等优点.据市场周壹，二甲觥市场应用前景广阔.国内需求望远远超过供给量.现市场上甲醇价格为150020W元/吨，二甲fit价格为70g元/吨.以甲醇为原料，经催化脱水带到二甲醮*为甲醇的绛合利用和增值提供了一条理想的途径。本设计按照概念设计的思路,寻找从甲醉催化脱水生产二甲跳的最佳工艺流程和估算最佳设计条件.（二）反应信息反应方程式2CH3OH=（CH3）2O+H2O反应热Hr（25C）=-11770kJ/kmol反应条件：温度1=25037OP,反应压力为常压.选择性该反应为催化脱氢，催化剂为10.2%硅酸处理的无定件氧化铝。在400C以下时，该反应过程

8、可以看作是单一、不可逆的,反应的选择性S可以近似认为等于1。反应为气相反应.二甲健产量率：130kmol/h.甲醇的转化率在80%以上.未反应的甲醉循环回收到反应器中的流量是65kmol/h.二甲腐产品纯度：99%（质疑分数）.原料：常温下工业级甲醇（假定含量1%）.（三）连续或间歇生产的选择选择一个连续的过程，操作费用和物流费用以年为基准，操作时数为8150h/a.二、流程输入输出结构和循环结构（-）原料预处理原料是工业级的甲醉内含少敬水（假定摩尔比甲髀水=991）,和微量其他杂质（对于主反应无影响3水是反应的产物忽略对原料进行净化处理如原料甲醉含水量过高，可考虑精墉以后进料.（二）副产物在

9、所选催化剂和反应条件F,主反应的选界性接近1.副产物很少，在整个设计过程中忽略副产物存在.（=）循环和放空由于反应转化率为80%,所以用循环物流将未反应的甲醇循环.反应产生的水，残留少量甲醇（V2%）.经简单处理可排放.三、反应器的工艺设计（一）动力学模型反应器的工艺设计主要是完成催化剂用量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.甲醇在y-A12（）3上脱水生成二甲豚的动力学模型如下：匈=哨皮/PdPh.oX（5.33）dm（1+600。0）21jPm，式中XM甲醇的转化率；k反应速率常数，h-1-atm-15,b甲静的吸附常数，p压力，atm；rw质量停曲时间，hiKp反应平

10、衡常数。下标：M甲醉；D-二甲醛.质量停留时间定义为：式中Wb一催化剂质量;(5-34)Wmo反应器进料中组分甲醉的质疑流量.在ChemCAD中有一个动力学反应器（kineticreactor）操作单元.可以自定义动力学模型,一种计算模式是根据反应器体枳计算反应出口转化率，另一种计算模式是根据出口转化率计算反应器体积，即完成反应器的工艺设计.ChemCAD动力学反应器对反应速率的定义为dN.cLti。=跖=*砺635）式中N*反应器进料组分i的摩尔流献,Vr反应器的体积.将反应速率的定义应用在甲醇在y-Al2O3上脱水的动力学模型上：M（1+，6MpM+如0。%0）2人=1.635X109ex

11、p（z&m_Wm0szdxirM=NModv；=rx7w6M=1.252X10*exp（一goT206X109exp（一）lnK=+307071nT-2.783X10-3T4-3.8XIO-7T2-6.561X等一2664为催化剂的堆砌密度，取值为800kg/m（二）甲醇脱水绝热固定床反应器的设计步骤步骤L新建文件名“二甲健固定床反应器设计工步骤建立工艺流程图如图5-52所示.图5-52二甲隈固定床反应器流程图步男3：单位选择，以SI单位制为主.压力单位采用atm.步骤4：组分选择甲醇、水和二甲醛（Methanol.Water,DimethylEther）.步骤5：相平衡模型（K值模型）选择N

12、RTL（或Wilson或UNIQUAC等溶液模暇）.弹出的NRTLParametersSet1窗口中显示了二元交互作用参数，但是数据不全，缺乏水和一甲懿的二元交互作用参数.采用tools菜单命令中的BIPRegression命令来回归所缺的参数。步骤6：点击ChcmCAD中菜单按钮“热力学及物化性质”,从其下拉菜单中选择“回归二元交互作用参数”命令，弹出“二元交互参数回归”窗口，选择“使用UN1FAC估算法的汽液平衡数据回归（VLE）”,并品选上“回归出所有缺失的二元交互参数”，如图5-53所示.步骤7：编辑进料信息.温度523.15K,压力latm,组分摩尔分数：甲醇0.99,水001总流量

13、325kmol/h.步骤8,编辑动力学反应器的信息.双击动力学反应器的图标，弹出“动力学反应器（KREA）W畲口，在“概况说明”中作如图5-54的选择.在“更多说明”的活页窗口中作图5-55所示的选择,对动力学方程中的变盘进行单位制的设定.点击OK后，弹出“一KineticDala-”窗口，如图5-56所示，编辑反应信息.步骤9：点击，弹出“一KineticData-”窗口中的“OK”后，弹出Unit：1UserRateExpressions”窗口，在*Rxn1”活页窗口中的MWriteUserRateExpression：0文本图553二元参数回归窗口图554动力学反应器操作信息编辑的活页窗

14、口1劭力学万程中的单便制逸算摩不谈1kmote:(干不V1叭立方朱）v质量源1kg时间0hou.(J&v图554动力学反应器操作信息编辑的活页窗口2MBKADMn匚反应方程式的Ji序号1靖化茂MnmrBV图556反应式信息编羯修口IineticD，t框中填写反应动力学信息,使用VBA编程语言.如下所示：DimIvoAsDouble*TAsDoubleluo=BOO.0TTempDimkAsDouble*bmAsDouble*bwAmDouble*KPAsDoubleRAsDoubleR=8.314k=1635000000#Exp(-69239#/R/T)bm-1.252E+18*Exp(-21

15、6572#/R/T)bw=1206000000#Exp(-88217#/R/T)KP=Exp(-26.64+4019#/T+3.707*Log(T)-0.002783*T+0.00000038*2-65610n/TA2)DimMAsDoubleM是甲醉的分子量M=32.042RxnRateOOl-luo/M-kabmA0.5*P001A1.5*（1-POO3*POO2/KP/POO1A2）/（1+（bm*P001K0.5卜bwP002）A2步骤10：点击“Unit：1UserRateExpressions窗口中“确定”按钮，弹出Windows信息提示根，询问是否更新动力学方程表达式，点击“是”

16、.步骤1人点击运行按钮“Run”.得到反应器体积是2773m,步骤12：绝热固定床反应器的出口物料各组分摩尔分数：甲醉0.1986,水0.4057,二甲健0.3957,温度634.7K.四、分岗系统从反应器中出来的气体含有二甲醴、未反应的甲醉、水，都是以气态存在.进入分离塔之前，要将气体冷却成液体或者气液两相共存.三组分的混合体系，采用两个精慵塔.即一个二甲麟塔和一个甲髀塔来将三种物质分离.（-）塔序为了清晰地分割混合物，可先同收最轻的组分，也可以先回收最重的组分.当组分数增多时，替代方案数量急剧上升。因而在排定蒸谯塔的塔序时，人们得到了两组推理法则.排定塔序的通用推理法则：脱出腐蚀性组分,尽

17、快脱出反应性组分或单体,以储出物移出产品，以慵出物移出循环物流，如果它们是循环送回填料床反应器，尤其饕这样.排定塔序的推理法则：流无大的优先,最轻的优先，高收率的分离最后；分离困难的最后：等摩尔的分割优先，下一个分离应该是最便宜的.,一在根据上述推理法则，三组分中二甲醛的流成最大，而且也最轻，所以本设计中塔的分离顺序为：二甲篇+甲醇+水一二甲艇，甲醉+水,甲醉+水一甲醇，水（二）分离塔（二甲醛+甲醇+水f二甲Eh甲醉+水）二甲麻在常压下的沸点很低（一24匕）.常压精埔，塔顶冷凝器需要保持低温，要增加制冷设备，增加了设计难度和实际操作困难,不采用常压精蟒的方案，而采用加压精墙.如果塔顶冷凝器采用

18、常温下的自来水进行冷却，塔顶储出物的泡点温度应大于5or.二甲微泡点温度为50匕时.对应的泡点压力为ll.3atm（1）分离塔1的简捷设计步骤L新建文件名或打开上一题文件.步骤2：建立工艺流程图如图557所示.步骤36：参照上题步骤36,完成K值方程的选择和所缺参数的估算.步骤7,编辑进料信息.精傅塔采用泡点进料，即汽相分率等于0,压力ll.3atm,组分摩尔分数：甲醇0.1986.水0.4057.二甲除0.3957,总流量325kmol/h.步骤8：双击流程图中-ShortcutColumn图标，编辑精慵塔简捷设计的相关信息，如图558所示。简便耳演塔(SHOR)-2iitFUG井便用重选,

19、那位OTotd113BUI巨力tM压力MKllt(R)回谑比/小BUI比(R&wO151MXhAlcohdf值点的个第R/RmrWTWR/RwngltM4不同丽Ml帆3DfnenvlElhetv融关分分图558简捷精慵塔的设计条件步骤9：点击ChemCAD的运行按钮“Run”,精慵塔的简捷设计结果如下：塔板数19.2,最小回流比0.175,实际回流比取最小同流比的1.5倍，为0.26；进料板的位置为第12(11.4)块.(2)分离塔】的严格模拟步骤1:打开上一题的文件.步骤2：建立精慵严格模拟的工艺流程图559.步骤3：编辑精储塔的进料信息同匕一题步骤7.步骤4：双击严格精慵塔(SCDS)图标

20、，弹出“一精强塔的SCDS同时校1E算法一”窗口，依据简捷设计的结果对精储塔操作信息进行编辑.设实际塔板效率为06,实际塔板数取19.2/0.6=32,进料板的位置为12/0.6=20。如图5-60所示(窗口中“塔板总数”为30,这是由于精墙塔的筒捷设计与精馋的SCDS模拟计算中，对塔板数的认定不一样在精墙塔的简捷设计中将塔顶的冷凝器和塔釜的再沸器分别当作一块塔板,而在SCDS精墙模拟中，塔板数不包括冷凝器和再沸器).图5-60SCDS精慵塔的“精慵微况”活页窗口步骤5,在“操作条件说明”(Specifications)窗口页中对严格精蟒的出料各确定一个变量值,如图5如所示.图561SCDS精

21、储塔的“操作条件说明活页由口步骤6：在Convergence窗口页中填写塔板系数(Stageefficiency)为0.6.如图5-62所示.款效率:每一境塔板姓率第一快语械最后一块塔桢图5-62Corwergenc窗口页中板效率输入文本框步骤7：运行“SCDS”单元操作.塔板上各个组分摩尔分数随塔板数的变化图如5-63所示.摩尔分数甲髀水二甲备图563塔板上液相各组分摩尔分数随塔板数的变化图1（3）分离塔1的尺寸设计分离塔1采用填料塔设计步骤L点击ChemCAD“Sizing”菜单命令.从其下拉莱单中选择distiHation=trays命令，弹出“塔板尺寸”窗口，如图5-64,塔板类型选择

22、筛板，点击“OK”按钮.图5-64塔板类型选择盲口步骤2,在弹出的“帅板”窗口中填入设计压力，选好轻关键组分和重关键组分,如图5-65所示。步骤3：点击窗口中“OK”按钮，ChemCAD给出塔的尺寸结果。（4）分离塔2的设计分离塔2的设计同分离塔1的设计,先进行简捷设计，采用常压塔，结果是塔板数17.1；最小I可流比0.98,实际回流比取最小回流比的15倍,为L48.进料板的位置为第11（10.6）块.ME；V9.VS料沏，8r4飞闻邱130meih4Ffw1atfi力，+闲&力1恒QS69322)|oomMnCM图565填料塔设计参数窗口再用严格精储（SCDS）模拟，验证简捷设计的结果.采用

23、缔板塔，板效率设为0.5。塔板上各个组分摩尔分数随塔板数的变化如图5-66所示.甲水二甲酸图5-66塔板上液相各组分摩尔分数随塔板数的变化图2分离塔采用筛板塔设计，通过ChcmCAD“Sizing”菜单命令，从其下拉菜单中选择trays命令计算塔径，结果是0.914m.五、全流程模拟全流程模拟.完成全流程的工艺设计和物料、能证衡算，并为进一步全流程的优化提供依据.在完成反应和精慵分离的基础上，物料之间压力不同，考虑用压缩机、泵或减压阀操作，物料之间温度不同，考虑用换热卷操作.这样，初步建立的流程图如图5-67所示.说明：物料1,常温常压下进料,流量是260kmol/h。物料12：常压塔塔顶产物

24、，主要是循环回收的甲筹，是流程中的循环回路，物料信息必须设定.可以哲时设定流酸是65kmol/h温度、压力、组成的信息可以参照常压塔模拟的结果，也可以用常温常压代替，组成按原料甲醇给定，这样就给定了这股物料信息的初值，通过全流程的计算收敛，会用准确值将换这股物料的初值。设备1为混合器(Mixer),可以不作任何操作条件的设定,设备2为泵(Pump).操作条件是输出压力为12atm；设备3为换热器.操作条件是出口的物料4温度为250c.设备4：在全流程中采用平衡反应器而不使用动力学反应器，这样可以简化流程的计算。实际的反应器非常复杂，应该单独研究，全流程模拟是为了得到全流程的质量和能量平衡.这个

25、时候反应器在一定条件F的转化率是给定的.设备5和设备7,这两个换热器为的是满足精储塔的泡点进料条件.设备9：减压阀，目的是将压力减至常压，工业当中可以采用多种方式实现，流程模拟中可以不拘泥于这些设备形式，只要能达到减压的目的即可.以便完成全流程的模拟.设备6和8,分别为高压和常压精懈塔，工艺条件和操作条件在之前的设计中已经完成.全流程模拟的部分结果，如表5-18所示.六、能量集成流程当中用到了许多换热器，物料既被加热乂被降温，通过能垃集成，充分利用物料之间相互加热与降温，以达到使用最少公用工程的目的.能量集成主要使用夹点技术.感兴趣的读者可以查阅相关资料，例如李仕梅等的论文“二甲醒生产过程换热

26、网络的计算机优化工-物苒序号场肝12345两牌名师甲静_2S32,8的433.440*250344,13g压加atm1L1E12-j126,Z9X105.29X10T汽相分率0L7fiX10；7.76X1Q?260h容组分流址t如h】8州上4503325.0273315.027310370.604610373.604510305.351B；0305,9513325.0273325.QZ738247.6116ID17U,604610370.604fl10305.951d科中号原S78910u12_科席林二甲般回收甲醉制度/七52-39141654317SH.9g9左99.934162$759压力

27、/*E.1212U12111结也分一九75X1/-2.58X10T-5.0flX10Tf23箕1叫T.23X1016gMic1-L53X汽柑分率000000以我325.027J11加719B194.307519小307S196.3075131.302565,0049总覆W64UG5929.GB97JU4L51494ML5149444L51492365.07U2075+4438甲尊_2061.2.帖H加5m.2059,J2S5相51128KL49而2057.629水Z37小史0.00042376.45412376.仃412376.4S412364.571511.B84二甲震精也965027.0W

28、5.9321S.93Z2.mi05T32工46.839SB-72IB3fl.7248Z376.1545.9Z74甲哥水三甲飕陈家庆主编.环保设备原理与设计.中国石化出版社，2005年9月.四*固定床反应器的设计计算绝热固定床反应器主要由壳体、催化剂层、催化剂承载装置、气体进出口膏及分布板等组成，固定床反应器的设计计算主要包括催化剂床层体积、床层截面积和高度、床层压降等，主要计算方法有数学模型计算法和经验计算法两种口经验计算法也称定额计算法，是果用实验室，中间成验装置、工厂现有装置中测得的一些最佳条件，如空间速度、接触时间等作为设计依据（或定题）来进行计算的方法口空间速度小货表示一定操作条件下，单位时间内单位体积催化剂所能处理的反应混合气体（即不含反应物）的体积（标准状态），简称空速;接触时间r是反应物通过催化剂床层的时间，等于空速力安的倒数01.催化剂床层体积%的计算已知空间速度为p和需要处理的废气曷Qo时，所需催化剂体积/由下式计算，/=9=rQo（m3）（7-4-1）sr式中Qo要处理的废气流量，m3/h;vsp空间速度，单位为h-i或