7.多相催化反應器的設計與分析

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1、7.多相催化反應器的設計與分析7.1若氣體通過固定床的線速度按空床計算為0.2m/s,則真正的線速度為多少?已知所填充的固體顆粒的堆密度為1.2g/cm3,顆粒密度為1.8g/cm3解:?7.2為了測定形狀不規(guī)則的合成氨用鐵催化劑的形狀系數(shù),將其填充在內(nèi)徑為98mm的容器中,填充高度為1m,然后邊續(xù)地以流量為1m3/h的空氣通過床層,相應測得床層的壓力降為101.3Pa,實驗操作溫度為298K,試計算該催化劑顆粒的形狀系數(shù).已知催化劑顆粒的等體積相當直徑為4mm,堆密度為1.45g/cm3,顆粒密度為2.6g/cm3.解:根據(jù)(6.4)式可推

2、導出ψa=dp/dv,式中dp為等比外表面積相當直徑,dv為等體積相當直徑.?7.3由直徑為3mm的多孔球形催化劑組成的等溫固定床,在其中進行一級不可逆反應,基于催化劑顆粒體積計算的反應速率常數(shù)為0.8s-1,有效擴散系數(shù)為0.013cm2/s,當床層高度為2m時,可達到所要求的轉化率.為了減小床層的壓力降,改用直徑為6mm的球形催化劑,其余條件均不變,,流體在床層中流動均為層流,試計算:(1)(1)????????????催化劑床層高度;(2)(2)??床層壓力降減小的百分率.解(1)求dp為6mm的床層高度L2,已知數(shù)據(jù):dp1=3mm=

3、0.3cm,dp2=0.6cm,L1=2m,kp=0.8s-1,De=0.013cm2/s(2)求床層壓力降減小的百分率:假定床層的空隙率不變,則有:層流流動時:(1),(2)式聯(lián)立:床層壓力降減少的百分率為:?7.4擬設計一多段間接換熱式二氧化硫催化氧化反應器,每小時處理原料氣35000m3(標準狀況下),組成為SO2:7.5%;O2:10.5%;N2:82%.采用直徑5mm高10mm的圓柱形催化劑共80m3,取平均操作壓力為0.1216Mpa,平均操作溫度為733K,混合氣體的粘度等于3.4×10-5Pa.s,密度按空氣計算.解:由(7.

4、1)式根據(jù)題給條件有:上式中A—床層截面積,m2.在題(7.1)中已推導出,因此有:查”無機化工反應工程”P108圖4-1得ε=0.45,混合氣的物性數(shù)據(jù)按空氣計算誤差不大,733K下,ρ=0.4832kg/m3,μ=0.034厘泊=3.4×10-5Pa.s,因此有:要求△P<4052Pa則有4052>1.838×107A-3(0.0444A+1.75)試差求解床徑:床層直徑D(m)床層截面積A(m2)等式右邊的值(Pa)5.322.0546785.422.8942395.4523.3240395.5023.753849所以床層直徑應大于或等

5、于5.45m,直徑為5.45m所對應床層高度為:?7.5多段冷激式氨合成塔的進塔原料氣組如下:組分NH3N2H2ArCH4%2.0921.8266.002.457.63(1)(1)??計算氨分解基(或稱無氨基)進塔原料氣組成:(2)(2)?若進第一段的原料氣溫度為407℃,求第一段的絕熱操作線方程,方程中的組成分別用氨的轉化率及氨含量來表示.反應氣體的平均熱容按33.08J/molK計算.反應熱△Hr=-5358J/molNH3(3)(3)??計算出口氨含量為10%時的床層出口溫度,按考慮反應過程總摩爾數(shù)變化與忽略反應過程總摩爾數(shù)變化兩種情況

6、分別計算,并比較計算結果.解:(1)計算氨分解基氣體組成:100mol原料氣中含NH32.09mol,相當于2.09/2molN2及(1.5×2.09)molH2,因此，無氨基氣體組成如下：NH3N2H2CH4Ar∑MolMol%MolMol%MolMol%MolMol%MolMol%MolMol%0022.86569.1467.727.637.637.4742.452.4102.1100(2)絕熱操作線方程：(A)(A)?考慮反應過程中氣體總摩爾數(shù)的變化.以y代表氨基氣體mol%,Ft表示混合氣體總摩爾流量,由可以看出,每生成1摩爾NH3,

7、混合氣體總摩爾數(shù)減少1,所以生成氨的摩爾數(shù)=,(下標A代表NH3,0代表進口處,yA0和yA均指有氨基的mol%)因此有:(a)(a)??以N2的轉化率表示組成時的絕熱操作線方程:上式中(-△Hr)以反應每kmol的N2計.以進口處N2的轉化率為0作基準計算,則有:代入有關數(shù)據(jù):化簡得:(2)又,生成的NH3mol數(shù)為:反應消耗N2的mol數(shù)為:∴N2的轉化率:代入數(shù)據(jù):化簡得:(3)(3)代入(2)式得:化簡后得到以表示組成的絕熱方程為:(a)(b)??以NH3含量表示組成的絕熱操作線方程:式中(-△Hr)以每生成1kmolNH3計,化簡得

8、到以yA表示組成的絕熱操作線方程如下:(A)(B)?忽略反應過程中氣體總摩爾數(shù)的變化(a)以N2轉化率表示組成時的絕熱操作線方程:式中-△Hr以每反應1kmolN2