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/cm 3,颗粒密度为1.8g/cm 3

解:

1.2110.3333

1.80.2

0.6/0.3333

=−

=−==

=

=空床

真正b p

u u m s

ρερε

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1m 3/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/cm 3,颗粒密度为2.6g/cm 3.

解:

()23

55302

3

101.3101.3/,1, 1.185/1.8710 1.8710/,4101

0.03685/36000.785(0.098)

1.45

110.4423

2.60

1−−−==⋅===×⋅=×⋅=×=

=×=−=−=−2r 0L u 由(7.1)式p=f

v b p p p Pa kg m s Lr m kg m Pa s kg m s d m

u m s d ρμρερρεεΔΔ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) 1.75150 1.75(2)Re 101.3(410)(0.4423)/1 1.185(0.03685)−− ∴ = −− =

+=×+ =××2r 02

r 0L u p f p=f 即L u 由式将有关数值代入(1)和(2)式得:f

v a v a a v a

d d f d u ρεεψεψρεμεψρ

ψΔΔ233(10.4423)39.07(3)

1.8310(10.4423)8.778

150 1.75 1.75(4)(410)0.03685 1.185−−−= ×−=×

+=+ ×××a a

f ψψ(3),(4):8.778/ 1.7539.07,1.758.7780

0.4969

+= −−= =2

a 式联立将此式变为:

39.07解此方程得:a a a a ψψψψψ7.3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0.013cm 2/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)催化剂床层高度;

(2)床层压力降减小的百分率.

解：(1)求dp 为6mm 的床层高度L 2,已知数据:dp 1=3mm=0.3cm,dp 2=0.6cm,L 1=2m,kp=0.8s -1,De=0.013cm 2

/s

1220.92

0.7845

0.756

=====求得求得Af

x ηϕη1212

0.922 2.430.756∴=

=×=L L m

ηη

(2)求床层压力降减小的百分率:

()()22

102011

223

3

1211,−−= =p p L u L u p f p f d d ρερεεεΔΔ假定床层的空隙率不变,则有:

112

12221

= (1)p p f L d p p f L d ΔΔ层流流动时:

01

212

1501150Re /(2)−==×∴

= p p p f d u f d d f ε

μρ

(1),(2)式联立:

2

2

122

2112211

2120.6/2 3.2252.430.3/2⎛⎞

⎛⎞=

===⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠

⎝⎠p p p p p p L d d d p L p L d d L d ΔΔ床层压力降减少的百分率为:

121 3.2251

0.689968.99%3.225

−−===p p p ΔΔΔ7.4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35000m 3(标准状况下),组成为SO 2:7.5%;O 2:10.5%;N 2:82%.采用直径5mm 高10mm 的圆柱形催化剂共80m 3,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

()3

1−2r 0L u p=f

p d ρεεΔ根据题给条件有:

107330.1013

350002730.121321.75/3600−×

×=

=u A m s A

上式中A—床层截面积,m 2.

121

2

1/3

1/3

2

380/80660.785(0.005)0.01 6.0051020.785(0.005) 4.140.0050.01

660.785(0.005)0.017.215103.142−−−==××=

==××+××⎡⎤

⎛⎞××===×⎜⎟

⎢⎥

⎝⎠

⎣⎦

p p p

p v L A A m V d m a V d m

π在题(7.1)中已推导出

/=a p v

d d ψ,因此有:

3

3

6.005100.8323

7.21510

−−×==×a ψ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/m 3,μ=0.034厘泊=3.4×10-5Pa.s,因此有:

5310150(1)150 3.410(10.45)

1.75150 1.75 1.75Re 6.00510(21.75)0.48320.04444 1.75

−−−−××−=+=×+=+×× =+p f d u A A μερ11233

3800.4832(21.75)(10.45)(0.04444 1.75) 1.8386.005100.45

(0.04444 1.75)−−−−×−∴=+=×× ×+ A A p A A A Pa

Δ要求△P<4052Pa 则有4052>1.838×107A -3(0.0444A+1.75)试差求解床径:

床层直径D

(m)床层截面积A

(m 2)等式右边的值

(Pa)5.322.0546785.422.8942395.4523.3240395.50

23.75

3849

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:

80

3.43123.32

==L m 7.5多段冷激式氨合成塔的进塔原料气组如下:

组分NH 3N 2H 2Ar CH 4%

2.09

21.82

66.00

2.45

7.63

(1)计算氨分解基(或称无氨基)进塔原料气组成:

(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33.08