反应过程与技术 固定床反应器的计算

1、2-4固定床反应器的计算Calculation of fixed bed计算内容：催化剂用量；床层高度和直径；传热面积；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 Calculation of catalyst use level 1.空间速度： Space velocitys二;V 原料气体积（标）流量V VONR VJVR 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： Contact timeV 8 T二严V0反应条件下，反应物体积

2、流量0 Y、8床层空隙率PV 二 nRT, p V 二 nRT0 ON0:.V = V:.V = V-p 代入 T 二0 ON T p08V_TpONOV T pR0TpVTp0T 二 273K, p = 101.3 x 103 p0 0 a3.空时收率： Space time yield(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Catalyst loadWS = W G WSW原料咯/ hWW cat kg 或 Cm 3S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Linear velocity an

3、d superficial velocityV线速度：u =0反应体积在反应下，通过催化剂床层自由截面积的速率。A RV空床速度：u二十在反应条件下，反应气体通过床层截面积时的气速。0AR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（cat、r、原料、u、T、P等）不可能完全相同只能估算。二反应器床层高度及直径的计算 Calculation of reactor体积一定：广床层高度hTt床层截面积 A 气速Vu T,流动阻力AP Tt动力消耗T ；床层高度H Jt aTt u J，对传热不利，另：H太小，气体易产生短路。根据经验：取气体各空床速度；再计算床层工截面积；校床层阻力

4、降；确定床层的结构尺寸。床层截面积： ARV=o-uoVo气本体积流量3/h）气体空床速度床层截面积： ARV=o-uoVo气本体积流量3/h）气体空床速度（m / h ）催化剂床层高度：H = Vr ARV 催化剂床层体积 （m3）R绝热反应器（圆筒形状）：( 4A )丿1/2d 单管内径tA列管反应器，管数：n = 兀7d 24 tVR兀 d 2 H4 t圆整壳管式反应器（壳程装催化剂）n反应管程数；d反应管外径；N实际管数A = Nt 2 Sin6OoR采用正三角形排列：总面积：d =(4 AR )1/2+ 2e三催化剂床层传热面积的计算A = /Q热量衡算确定；At 通用公式计算（并、

5、逆流）KAtmmK取经验数据或计算四.床层压力降AP 同前 举例：工厂装备P96 例3-8P104已知：略求：略解: V = V = D 2u 实 4 o=匕5 - 2.5 x 2)x10-3】 F x 22.4 x T = VoT 实V0 二 n X 追 F x 22.4 x T = VoT 实V0 二 n X 追4FoV T3.77 x 10 -5= 实 X o =22.4 T 22.4273x 413pV - nRTp V = nRT0 0 0=1.1 x 10 -6 Smol / s M = 0.46 x 26 + 0.54 x 36.5 = 31.67 tsg / Kmol 1FMG

6、 = - AR=小10-6 x 3667 = 0.111Sg / m2s1 -x（0.02）24 SV =VONVR送=叩 x 10-5 x f = 0.317S4 D2H 7 血“ x 250 x 10-3Ve T =-R- V 实兀D2 He4V_实-（0.0丛 x 250 x10-3 x 0.451=4= 0.937S13.77x10-5小结：1.固定床的传质；固定床的传热；固定床的计算。作业：工厂装备 P 习题 4101P 习题 4.已知：n = 900根，0 27 x 2.5mm, L = 5.7m，进料量26539 6 KmolZ,T = 523K, P = 9.8 x 105 P

7、 , p = 7.17 Lg / m31/ ha f卩=2.6 x 10-5 P s,九=0.0354W / mK, d = 3mmG求形）fa fP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9.8 x 105p 巴,M - fT - 7170 x 空 x 523 31.8% / Kmol】9.8 x 105W 二 39.6 x 31.8 二 1259(Kg / h)71259 ) 3.31 x 106 Lg /m2 J0.785 x(0.022戈 x 9000.003 x 3.31x106 1182.6 x 10-5 x 3600a 3.5(d

8、G 0.003 x 3.31x106 1182.6 x 10-5 x 3600a 3.5(d G 0.7r d)Pexp4.6-ptaf丿Idt丿二 3.5(118)3-7dtRedG=p,0.003 ) 0.0354exp - 4.6( 0.022 丿 0.022二 8.48 x 103 K /m2sK第二章 气固相固定床催化反应器小结基本概念 Basic scheme1.催化剂粒径:d , d , d , d （会计算）VaS2形状系数：9 AsA 意义/ P3.空隙率： 1 -巴冬pS定义4.固定床当量直径： 2 (d 4 RH 4 一S 3 (e1-丿r5催化剂有效系数：定义耳，测定方

9、法rS催化剂用量。空速S空时收率Scat负荷S接触时间tV W G C线速u,空床速度uO宏观动力学,本征动力学二基本原理 Basic principle1催化剂的特点:改变反应速度V不改变化学平衡具有选择性。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。催化剂表面的吸附物理吸附；化学吸附固体表积X固体

10、表积X100%裸露率：0二1 -6V吸附等温线，吸附等温方程V p的关系aKpV 二 V 4m 1 + K PAA气固相催化反应的全过程：七步气固相催化反应速率：表面反应控制，反应类型一机理一动力学方程一特征。5多孔催化剂内的传质，内扩散类型:分子扩散（费克扩散）；Y克努森扩散；I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 Basic calculation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200kmol/h,

11、采用空速为O.15s-1, 气体的线速为0.15m/s,床层空隙率为0.42，操作压力1.013Mpa，操作温度 180C。求：（1）催化剂体积；（2）床层直径；（3）床层高度。解：（1）V200 解：（1）V = 0 n = 8 3 mR S0.15 x 3600V2)nRT 200 2)nRT 200 x 103 x 8.314 x (180 + 273)V =0 p1.013 x 106 x 36000.207 m3/sI VD= I VD= AI兀u4 0V91兀 -u - i 4:0.2070.785 x 0.15 x 0.42 = 245 m圆整 D= 2 m3)3)H=VR/At=J = 2.64 mR t “0.785 x 22-D 21、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。&=l-p /pBS6、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一逐次 测出反应速度