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第六章固定床反應器的工藝設(shè)計第六章固定床反應器的工藝設(shè)計1第六章固定床反應器的工藝設(shè)計第六章固定床反應器的工藝設(shè)計2有時反應速率方程用分壓而不是用濃度表示:rvp=Aexp(-E/RT)PaαPbβ
式中,P是反應物或產(chǎn)物的分壓,barrv和rvp之間的關(guān)系是:rvp=rv(RT)α+β
式中R=0.08314m3bar/(kmolK)有時反應速率方程用分壓而不是用濃度表示:3設(shè)計方程
dV=Acdz進入的克分子數(shù)=出來的克分子數(shù)十積聚的克分子數(shù)十通過反應損耗的克分子數(shù)在穩(wěn)態(tài)操作時,反應器中沒有物料積聚,或沒有物料從反應器中放出,Fyo=Fyo(1-dx)+rvdV(6-6)整理得:Fyodx=rvdV(6-7)將(6-4)代入(6-7)得:Fyodx=rvAcdz(6-8)設(shè)計方程dV=Acdz進入的克分子數(shù)4壓降方程開始可計算出?P/z值,而后在每一步進行適當?shù)膲毫πU航捣匠涕_始可計算出?P/z值,而后在每一步進行適當?shù)膲毫?實例,恒溫反應器設(shè)計
H2C=CH2十H2→CH3一CH3(6-9)這是一個放熱反應,但它可在很小的恒溫反應器中進行。銅—氧化鎂為催化劑,把這些催化劑裝在一個內(nèi)徑為9.35mm、長為280mm帶水夾套的黃銅制的反應器管中。由于把37.85l/min的水循環(huán)通過夾套,因而可得到大于5.67kJ/(m2SK)的水膜傳熱系數(shù)和恒定的管壁溫度。在此反應器內(nèi),9—79℃范圍內(nèi)的各種恒定溫度下進行的許多試驗證明,對氫氣來說,式(6-9)表示的反應是一級的。通過給定下列條件可寫出反應速率方程:rv=kCH(6-10)該系統(tǒng)中,η=1實例,恒溫反應器設(shè)計H2C=CH2十H2→CH3一CH6設(shè)計方程:Fyodx=kCHdV
由于反應涉及到體積變化,對此,必須加以考慮。例如:aA+bB→pP+qQ(6-12)設(shè)A為數(shù)量有限的反應物。開始時,NTo=NAo+NBo(6-13)NAo=yoNToNBo=(1-yo)NTo=(1-yo)NAo/yo(6-14)在達到轉(zhuǎn)化率分數(shù)xA后:NT=NA+NB+NP+NQ
=NAo(1-xA)+NBo–(b/a)NAoxA+(p/a)NAoxA+(q/a)NAoxA
=NTo–NToyoxA·((a+b-p-q)/(a+b))·(a+b)/a(6-15)令d’=(a+b-p-q)/(a+b)(6-16)設(shè)計方程:7對于乙烯加氫:1克分子乙烯十1克分子氫氣→1克分子乙烷(6-18)a=1,b=1,p=1,q=0NT=(1-yoxA)NTo又因為,對于乙烯加氫:NT=(1-yoxA)NTo又因為,8對于乙烯加氫這個反應:
對于乙烯加氫這個反應:9設(shè)計方程變?yōu)椋簩⑸鲜椒e分得:V=(RTFyo/(kP))[xA+ln((yo-1+yoxA)/(yo-1))]現(xiàn)在用上式計算一個試驗室反應器。yo=0.49F(總進料)=2.0×10-8kmo1/sR(氣體常數(shù))=0.08314m3bar/(kmo1.K)R(氣體常數(shù))=8.314kJ/(kmol.K)T=67℃十273.2=340.2Kk=5.96×106exP(一55731/RT)kmol/(s.m3)希望:xA=1.0假定P=1.0bar,設(shè)計方程變?yōu)椋簩⑸鲜椒e分得:10利用Ergun方程計算壓降:T1=510℃,yNH3,1=0.3絕熱反應器的設(shè)備設(shè)計方面求解出第二段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA2,T2。5Fyo(1-x)(Fyo(5-x)+0.現(xiàn)在計算每一床層(除最后床層外)末端處的急冷量:在這種情況下,便應在反應器頂上引導裝料管移動。在Ergun方程中,G為質(zhì)量流率.其單位為kg/(sm2)在有中間冷卻或加熱的單個反應器殼體中多床層可以擱在支承板上(圖6-10和圖6-11),不然也可以采用有內(nèi)部分布器的連續(xù)床層。1克分子乙烯十1克分子氫氣→1克分子乙烷(6-18)1432,VR1=10.Fyodx=kCHdV(6)根據(jù):式(6-46)和絕熱溫升線(6-47)支承的柵板應當設(shè)計成能支承催化劑的裝載重量加上預期的壓降。如末達到所要求的轉(zhuǎn)化率x,溫度就已上升到限制溫度,此時,可采用幾個方法中的一個在溫度不超過t最大的情況下來提高x使其達到所要求的值。5(1-x)(Fyo(5-x)+0.如反應器內(nèi)徑為1cm,則反應器高度將為89.1cm。
6.2絕熱氣體反應器定義絕熱反應器是一種和周圍沒有熱交換的反應器。因此,如果放熱反應是在絕熱固定床反應器中進行,則氣流的溫度將沿著入口到出口的方向增加。另一方面,如果吸熱反應是在同樣的反應器中進行,則氣流的溫度將會沿著反應器的長度降低。利用Ergun方程計算壓降:如反應器內(nèi)徑為1cm,則反應器高11一維塞流模型
絕熱氣體反應器最簡單的模型是一維塞流模型,為了適應此模型,反應器必須符合下列條件:·反應器和周圍環(huán)境不應有熱交換(絕熱條件)?!ねㄟ^固定床催化劑床的流動應該是在床層內(nèi)任何一點反應物流的線速度都是相同的?!げ粦休S向擴散。不應有徑向擴散。
一維塞流模型絕熱氣體反應器最簡單的模型是一維塞流模型,為12一維模型絕熱固定床氣體反應器的設(shè)計
Fyodx=rvdV=rvAcdzFyodx(-?H)=∑miCpidT式中,(-?H)——整個反應系統(tǒng)的反應熱;mi—每一種反應物(包括反應物和產(chǎn)物)的克分子流量,kmo1/s;Cpi——每一種反應物的克分子熱容量,kmol/(kmo1.K)。
一維模型絕熱固定床氣體反應器的設(shè)計Fyodx=rvdV13設(shè)計用于放熱反應的固定床氣體反應器
對絕熱反應器的限制是由限定的出口溫度t最大決定的,達到此溫度標志著某些不理想的過程如副反應、選擇性不良和催化劑嚴重結(jié)垢開始出現(xiàn)。如末達到所要求的轉(zhuǎn)化率x,溫度就已上升到限制溫度,此時,可采用幾個方法中的一個在溫度不超過t最大的情況下來提高x使其達到所要求的值。方法1
(1)把催化劑體積分成兩個或兩個以上的床層,以便使每一床層都達到t最大;(2)用間接換熱器冷卻兩相鄰床層之間的氣體反應物使其回到第一床層入口溫度to
設(shè)計用于放熱反應的固定床氣體反應器對絕熱反應器的限制是由限14方法2如果所用間接換熱器反應溫度太高的話,則可采用第二個方法,把一種冷的反應物噴入兩相鄰床層之間的反應物流中,把反應物冷卻到To.由于補充了一種被消耗的反應物,這種直接冷卻或急冷方法又有使反應朝著所要求的方向進行的優(yōu)點。
方法215方法3第三個方法是一種老的德國分段急冷的技術(shù),雖然目前仍在使用,但其缺點是波動很大,且難于設(shè)計。
方法316CB=P(Fyo(5-x)+0.求解出第二段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA2,T2。dx/dz=AcAexp(-E/RGT)(P/RG*T(6.85l/min的水循環(huán)通過夾套,因而可得到大于5.進入加氫脫烷基裝置的混合氫氣物流的純度為90%,其余的為甲烷。近年來已經(jīng)引用大小均勻的廉價不適性陶瓷丸粒。側(cè)面卸科通常靠重力流動不能完全卸出,還必須用人工的辦法。式(6-57)、(6-58)、(6-59)聯(lián)立用Runge-Kutta法解微分方程可求出yi、Ta、Tb沿床層l的變化。進入的克分子數(shù)=出來的克分子數(shù)十積聚的克分子數(shù)十通過反應損耗的克分子數(shù)kmo1/s;5(1-x)(Fyo(5-x)+0.甲苯:Fyo(1-x)(5)檢查算出的最后一段的的出口轉(zhuǎn)化率與生產(chǎn)任務是否一致,若不一致,重新設(shè)定TO1重復(2)-(5)步,直至直至算出最后一段的的出口轉(zhuǎn)化率與生產(chǎn)任務一致沒有支承板,卸料也較簡單,因為有支承板,催化劑就必須從四面卸出或者用吊斗或真空卸料機吸出。?H—-49974kJ/kmo1轉(zhuǎn)化的甲苯;甲苯:Fyo(1-x)4℃,yNH3,1=0.苯:y2=Fyox/(6.若把這些CA和CB項代入式(6-32),則:方法4
第四個方法是在反應器進料中加入一種惰性氣或一種過量的反應物,其作用好象一個受熱器一樣,吸收大部分放出的熱量,這樣,對給定的轉(zhuǎn)化率而言,就減小了溫升。和其他方法相比,此法有一嚴重缺點,即為了容納惰性氣或過量的反應物,需要增大反應器的尺寸。第四個方法派生出來的一個方法是加入一種惰性液體,它在反應器的通常壓力下,其沸點接近反應溫度,反應放出的熱使惰性液體蒸發(fā),這樣,其所吸收的大量熱量就滿足了潛熱的需要。在某些情況下,和采用純氣相方?jīng)]相比,這種方法反應速率比較低。此方法的缺點是需要的反應器大而貴。CB=P(Fyo(5-x)+0.方法417如果沒有一個方法能妥善地解決放出的熱量問題,則必須考慮氣體反應在下列反應器中的一種內(nèi)進行:
流化床反應器;
帶有一種惰性液體的氣-液相反應器非恒溫非絕熱固定床氣體反應器如果沒有一個方法能妥善地解決放出的熱量問題,則必須考慮氣體反18絕熱固定床氣體反應器設(shè)計實例:
甲苯加氫脫烷基反應器的設(shè)計
反應速率方程為:rv=-dCA/dθ=kCACB0.5=Aexp(-E/RGT)CACB0.5
式中,CA——甲苯濃度,kmo1/m3;CB——氫濃度,kmo1/m3;k—甲苯加氫脫烷基的反應速率常數(shù);A—頻率因子;E—活化能148114kJ/kmo1;
?H—-49974kJ/kmo1轉(zhuǎn)化的甲苯;θ—停留時間,s。絕熱固定床氣體反應器設(shè)計實例:
甲苯加氫脫烷基反應器的設(shè)計19發(fā)表的活化能數(shù)值為35.4kcal/g.mol,但得不到發(fā)表的頻率固子A的數(shù)值,該數(shù)值取決于具體的催化劑,現(xiàn)假定A=5.73xl06,反應器入口的反應溫度假定為To=600℃十273.2=873.2K,反應器壓力可從35到70絕對大氣壓,假定約50絕對大氣壓或50bar。根據(jù)芳烴加氫的一般經(jīng)驗,氫與芳烴之比可假定為5.0.氫:Cp=20.786甲烷:Cp=0.04414T十27.87苯:Cp=0.1067T十103.18甲苯:Cp=0.03535T十124.85進入加氫脫烷基裝置的混合氫氣物流的純度為90%,其余的為甲烷。發(fā)表的活化能數(shù)值為35.4kcal20每一反應物或產(chǎn)物的克分子數(shù)是:甲苯:Fyo(1-x)苯:Fyox氫:Fyo(5-x)+0.9急冷量甲烷:Fyo(5/9+x)+0.1急冷量
總克分子數(shù):Fyo(1+5+5/9)+急冷量,或6.5555Fyo+急冷量每一組分的克分子分數(shù)為:甲苯:y1=Fyo(1-x)/(6.5555Fyo+急冷量)=y(tǒng)A苯:y2=Fyox/(6.5555Fy。十急冷量)氫:y3=(Fyo(5一x)+0.9急冷量)/(6.5555Fyo+急冷量)=yB甲烷:y4=(Fyo(5/9+x)+0.1急冷量)/(6.5555Fyo+急冷量)濃度項可寫成:C=N/V=Np/(NRG*T)=p/(RG*T)因為:p=Py所以:C=yP/(RG*T)每一反應物或產(chǎn)物的克分子數(shù)是:21CA=PFyo(1-x)/(RG*T(6.5555Fyo+急冷量))CB=P(Fyo(5-x)+0.9急冷量)/(RG*T(6.5555Fyo+急冷量))若把這些CA和CB項代入式(6-32),則:rv=-dCA/dθ=kCACB0.5=Aexp(-E/RGT)(P/(RG*T(6.5555Fyo+急冷量)))1.5Fyo(1-x)(Fyo(5-x)+0.9急冷量)0.5將上式與(6-8)合并:dx/dz=AcAexp(-E/RGT)(P/RG*T(6.5555Fyo+急冷量))1.5(1-x)(Fyo(5-x)+0.9急冷量)0.5
CA=PFyo(1-x)/(RG*T(6.5555Fy22現(xiàn)在計算每一床層(除最后床層外)末端處的急冷量:
急冷量=∑miCpi(T-To)/(Cpi急冷(T-298.2))Cpi急冷=0.9x20.786+0.1x66.413=25.349kJ/KmolK利用Ergun方程計算壓降:在Ergun方程中,G為質(zhì)量流率.其單位為kg/(sm2)
以空塔為基礎(chǔ)的空塔流速um的方程為:現(xiàn)在計算每一床層(除最后床層外)末端處的急冷量:急冷量=23若催化劑的形狀是直徑和高度相等的圓柱體,令rp=顆粒半徑,則,若給定2rp=3mm,則dp=0.003m。反應混合物的粘度μ可用以下的關(guān)系式從各個反應物的粘度μ1,μ2,μ3,μ4計算出來.此方程是:若催化劑的形狀是直徑和高度相等的圓柱體,令rp=顆粒半徑,則24氫:y3=(Fyo(5一x)+0.催化劑裝在單一環(huán)狀床內(nèi)。A氣體入口,B氣體出口,C冷激氣入口,D氣體旁路分布器,E溫度計套管,F(xiàn)催化劑卸出口。進入的克分子數(shù)=出來的克分子數(shù)十積聚的克分子數(shù)十通過反應損耗的克分子數(shù)許多催化劑吸氧性很強而且以驚人的速度耗盡容器中的氧。用來填充這個基本上無效的空間,惰性球也要比催化劑便宜得多。令d’=(a+b-p-q)/(a+b)(6-16)這需要由工人進入有毒的區(qū)域去放出物料和操縱卸料系統(tǒng)。卸空可將催化劑卸到料斗或卡車上。5=Aexp(-E/RGT)(P/(RG*T(6.4℃,yNH3,2=0.合成氨反應的動力學方程為:交承板的材質(zhì)要能防腐蝕,根據(jù)用途也可以用炭鋼、合金鋼、鑄鋼或燒制陶瓷。NTo=NAo+NBo(6-13)圖6-14方程式(6-45)用圖示的形式表示石英石已經(jīng)被當作廉價的代用品,而且在反應不受其中雜質(zhì)影響的反應器中是完全合用的dx/dz=AcAexp(-E/RGT)(P/RG*T(6.惰性球也造成足夠的壓降以保證催化劑床層的出口處流體的良好分布。和其他方法相比,此法有一嚴重缺點,即為了容納惰性氣或過量的反應物,需要增大反應器的尺寸。聯(lián)立解微分方程可求出完成一定生產(chǎn)任務的反應器高度z。沒有支承板,卸料也較簡單,因為有支承板,催化劑就必須從四面卸出或者用吊斗或真空卸料機吸出。ij項可以是12、13、14、21、23、24、31、32、34.41、42、43,Mi和Mj是各組分的分子量。氫:y3=(Fyo(5一x)+0.ij項可以是12、25假定內(nèi)徑為2mdT/dz=(dx/dz)Fyo(-?H)/(∑miCpi)
dx/dz=AcAexp(-/RGT)(P/RG*T(6.5555Fyo+急冷量))1.5(1-x)(Fyo(5-x)+0.9急冷量)0.5聯(lián)立解微分方程可求出完成一定生產(chǎn)任務的反應器高度z。電算結(jié)果如表6-1所示:
假定內(nèi)徑為2mdT/dz=(dx/dz)Fyo(-?26第六章固定床反應器的工藝設(shè)計課件276.3絕熱反應器的設(shè)備設(shè)計方面
1.床層的支承絕熱反應器的單個催化劑床層可以由以下兩種方法中的任一方法來支承—柵板(圖6-8)或一層放在床層底部的惰性氧化鋁或陶瓷球(圖6-9)。圖6-8有連續(xù)槽孔和整體支撐梁的支撐柵格
6.3絕熱反應器的設(shè)備設(shè)計方面1.床層的支承圖6-8有28圖6-9典型惰性填料支撐的單一床層絕熱反應器為防止入口氣體吹動催化劑顆粒,在支撐層頂部的惰性填料顆粒,對高流速氣體來說至少應為1英寸。圖6-9典型惰性填料支撐的單一床層絕熱反應器29支承的柵板應當設(shè)計成能支承催化劑的裝載重量加上預期的壓降。開槽或鉆孔的板和標準的焊接格柵都可以用。在必要時,要選用適當?shù)闹С邪彘_孔率以使壓降減到最小。把比催化劑丸片大一兩號的約4—6英寸的氧化鋁或陶瓷球、丸片或顆粒放在支承的柵板上。如果支承板上的孔大于球徑,象金屬格柵那樣的話,那么在支承板上面再放一層阻止這種惰性物通過的篩網(wǎng)。交承板的材質(zhì)要能防腐蝕,根據(jù)用途也可以用炭鋼、合金鋼、鑄鋼或燒制陶瓷。孔板下面必須有適當支承包括大跨度用的中間支承。代替支承板,反應器的底部可以填充惰性球、圓柱體或小顆粒,直到床層催化劑開始的高度(圖6-9)。圓球或長度大于直徑的圓柱體引起的壓降較低,比形狀不整齊的顆粒(碎塊)為好。較大的球或圓柱體在床層中先填裝6英寸以內(nèi),然后再裝較小的球或圓柱體以限定催化劑床層位置。惰性球也造成足夠的壓降以保證催化劑床層的出口處流體的良好分布。出口管道可以伸送設(shè)備中去,并在管上開很多孔,包上篩網(wǎng)也可以用特制的集合管(圖6-9)。沒有必要在圖中所示的空集合管頂部以下的空間填裝催化劑.因為由于物流必須集束流向出口管而使此點之下的摧化劑不能充分利用。用來填充這個基本上無效的空間,惰性球也要比催化劑便宜得多。支承的柵板應當設(shè)計成能支承催化劑的裝載重量加上預期30大直徑床層裝有多個并列的出口或一個開有多排孔的內(nèi)部集合管。近年來已經(jīng)引用大小均勻的廉價不適性陶瓷丸粒。當這些陶瓷丸粒能夠取代昂貴的氧化鋁材料時,那么價格昂貴又帶來維修問題的支承板就不適宜采用了。沒有支承板,卸料也較簡單,因為有支承板,催化劑就必須從四面卸出或者用吊斗或真空卸料機吸出。側(cè)面卸科通??恐亓α鲃硬荒芡耆冻?,還必須用人工的辦法。在很高溫度下操作的反應器內(nèi)也許不能采用金屬制的出口集合管。在這種情況下可用多格的耐火磚圓頂當作床層的支承和出口集合管。比催化劑大幾倍的惰性圓球或丸粒也要放在催化劑床層的頂部。這一層有助于分布物料的流動,能防止床層污染,如突然涌進一股像水那樣的不希望有的東西,并有助于截住帶入的污垢,由于床層空隙率較低,這種污垢會嚴重堵塞催化劑床層。惰性圓球或丸粒會有助于防止催化劑突然溫度升高,它可吸收因操作失誤而發(fā)生的反應物或是再生流體的劇烈溫度變動。底部的球?qū)釉谏狭魇皆偕鷷r,尤其是在再生的早期也能夠起這樣的作用。有時,在催化劑和惰性球之間放進一個浮動的篩網(wǎng)。這可阻止達兩層之間的混合并作為擋住污垢的最后屏障。如果帶入的污垢估計較多的話,那么在惰性球頂部放上大面積的篩網(wǎng),效果會更好些。雖然氧化鋁或陶瓷惰性材料是用得最廣泛的,但有時在不宜用氧化鋁或陶瓷的反應系統(tǒng)中可用其它材料代替。石英石已經(jīng)被當作廉價的代用品,而且在反應不受其中雜質(zhì)影響的反應器中是完全合用的大直徑床層裝有多個并列的出口或一個開有多排孔的內(nèi)部312.多床層反應器
在有中間冷卻或加熱的單個反應器殼體中多床層可以擱在支承板上(圖6-10和圖6-11),不然也可以采用有內(nèi)部分布器的連續(xù)床層。在床層之間的空間可以設(shè)計安裝熱交換器管束或?qū)⒄魵馐占拖蛲獠繜峤粨Q器然后再分布到下一個床層,或在床層之間設(shè)計成直接接觸急冷(圖6-10和圖6-11),也可以在床層內(nèi)引入急冷,如圖6-12所示。圖示的三種反應器都有一個內(nèi)冷卻的外殼以減少反應器的厚度。2.多床層反應器在有中間冷卻或加熱的單個反應器殼體中多床層32
圖6-10冷激式多床層的氨轉(zhuǎn)化器(凱洛格型)a垂直多層轉(zhuǎn)化器;b臥式多層轉(zhuǎn)化器
33圖6-11外部接管最少的高壓氫化裂解反應器圖6-12無中間床層支撐的冷激式氨轉(zhuǎn)化器(ICI)。催化劑裝在單一環(huán)狀床內(nèi)。A氣體入口,B氣體出口,C冷激氣入口,D氣體旁路分布器,E溫度計套管,F(xiàn)催化劑卸出口。圖6-11外部接管最少的高壓氫化圖6-12無中間床層支343.裝料和卸料的設(shè)備和程序
氣力裝料用空氣將催化劑罐加壓,催化劑則通過能夠沿著反應器橫斷面以一定方式移動的大軟管借氣力輸送出去。遺憾的是,這種高效技術(shù)只局限于高度耐磨的催化劑(抗壓強度:35磅)和如球狀的自由流動顆粒。吊運可以把催化劑桶提升到反應器內(nèi),然后卸出將催化劑裝入反應器。裝料管把織物制的裝料管或可移動的管子聯(lián)在裝料斗上。管內(nèi)裝滿催化劑不使催化劑自由落下,這時有一個人站在反應器里面,牽引裝料管作圓周運動使催化劑平均分布。催化劑下落不應超過1或2英尺的高度。在這個程序里與其它必須有一個人在催化劑床層上工作的程序一樣,必須要有措施來分布這個人的重量,如在床層上放一塊跳板或穿上雪鞋。即使采取這種預防措施,一些易碎的催化劑還是要被壓碎成粉末。在這種情況下,便應在反應器頂上引導裝料管移動。當工人進到容器里面時,必須提供使用合適的面具和防護服以保護工人防塵、防有害煙霧,在許多情況下還要防止缺氧。許多催化劑吸氧性很強而且以驚人的速度耗盡容器中的氧。3.裝料和卸料的設(shè)備和程序氣力裝料用空氣將催化劑罐加壓35卸料卸空可將催化劑卸到料斗或卡車上。不流動的那部分則必須用人工來清除。同時進行卸空和清凈輕便的潔凈設(shè)備可用惰性氣體保護同時進行卸空、清凈、篩分和包裝以備再用。真空卸料當難以卸空或無法進行時,可用真空卸料法。雖然這樣的做法很快,還是避免周圍環(huán)境中的有害粉塵,但磨損率可能高些。有可能把床層中那部分已經(jīng)失活和部分堵塞的催化劑卸出。這需要由工人進入有毒的區(qū)域去放出物料和操縱卸料系統(tǒng)。
卸料卸空可將催化劑卸到料斗或卡車上。不流動的那部分則必須364.物料流動的分布在大直徑床層中,為防止流動截面突然收縮,必須裝設(shè)多個出口或出口集合管。當必須用非常淺的床層時,可規(guī)定采用徑向流動的反應器以改進流動的分布。
5.熱電偶的位置
熱電偶應裝在沿床層的軸線位置上以便能夠監(jiān)測反應溫度梯度和這些梯度隨時間改變的情況。在每一個部位,不是裝一個而至少要在圓的每一象限各裝一支熱電偶。4.物料流動的分布在大直徑床層中,為防止流動截面突然收縮,必376.開工設(shè)備絕熱反應器開工設(shè)備可包括提供熱氣體加熱床層的惰性氣體加熱器或蒸汽過熱器。當需要時,還應當提供再生空氣的特殊設(shè)備以及蒸汽或其它必需的特殊氣體。7.淺床層某些反應反應很快,需要催化劑的量非常少,無法進行傳熱。典型的反應如氨氧化生成氧化氮,甲烷與空氣反應制造氰花氫,催化劑為編制金屬絲網(wǎng)式。這些反應主要或完全受傳質(zhì)限制,絲網(wǎng)填料的設(shè)計是以中間實驗和工廠的經(jīng)驗為基礎(chǔ)。6.開工設(shè)備38圖6-13為均勻流量分布設(shè)計的淺床層的反應器圖6-13為均勻流量分布設(shè)計的淺床層的反應器396.4多段間接換熱式催化反應器優(yōu)化設(shè)計
確定了多段間接換熱式催化反應器的段數(shù)、進口氣體組成、最終轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)能力等。多段間接換熱式絕熱催化反應器的設(shè)計是一個確定各段始末溫度、轉(zhuǎn)化率的最佳分布問題,最終結(jié)果是使催化劑的的總用量最少。
1.催化床出口溫度不受催化劑耐熱溫度限制時的優(yōu)化設(shè)計6.4多段間接換熱式催化反應器優(yōu)化設(shè)計40目標函數(shù)VRT具有極小值的必要條件如下:
式中,xA,ii段的出口轉(zhuǎn)化率,即i+1段的入口轉(zhuǎn)化率。Tji段的入口溫度
整理后得:目標函數(shù)VRT具有極小值的必要條件如下:式中,xA,i41又因為:
上式(6-42)可變?yōu)椋?-24上一段出口處的反應速率與下一段入口處反應速率之絕對值相等又因為:上式(6-42)可變?yōu)椋?-24上一段出口處的反應42各段進口溫度Ti下,
又因為:
所以:即,各段進口溫度Ti下,又因為:所以:即,43用圖示的形式表示:
又可變?yōu)?,圖6-14方程式(6-45)用圖示的形式表示當xA軸上方的陰影由積與下方的陰影面積相等時,即為符合式(6-45)的xAi值。用圖示的形式表示:又可變?yōu)?,圖6-14方程式(6-45443℃,yNH3,2=0.b.最佳溫度曲線:根據(jù)r/T=0,可得XA=f(Topt)氫:Fyo(5-x)+0.絕熱反應器開工設(shè)備可包括提供熱氣體加熱床層的惰性氣體加熱器或蒸汽過熱器。若T1超過Tmax,則以Tmax為T1,并由式(6-47)算出XA1。冷卻層催化劑床層的熱量衡算:3.裝料和卸料的設(shè)備和程序吊運可以把催化劑桶提升到反應器內(nèi),然后卸出將催化劑裝入反應器。出口管道可以伸送設(shè)備中去,并在管上開很多孔,包上篩網(wǎng)也可以用特制的集合管(圖6-9)。第一段出口溫度T1計算值超過了催化劑耐熱溫度Tmax,T1=Tmax=510℃,并由式(6-47)算出XA1。圖6-15三套管并流式冷管催化床溫度分布及操作情況若把這些CA和CB項代入式(6-32),則:1克分子乙烯十1克分子氫氣→1克分子乙烷(6-18)(2)用間接換熱器冷卻兩相鄰床層之間的氣體反應物使其回到第一床層入口溫度to側(cè)面卸科通??恐亓α鲃硬荒芡耆冻?,還必須用人工的辦法。苯:Cp=0.求解出第二段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA2,T2。即,第一段出口速率等于第二段入口速率,可求出第二段入口溫度TO2。Cpi——每一種反應物的克分子熱容量,kmol/(kmo1.大直徑床層裝有多個并列的出口或一個開有多排孔的內(nèi)部集合管。設(shè)計思路:
(1)根據(jù)反應氣體混合物的初始組成,催化劑動力學參數(shù),作過程的平衡曲線與最佳溫度曲線。a.平衡曲線:根據(jù)r=0,可得XA,eq=f(Teq)b.最佳溫度曲線:根據(jù)r/T=0,可得XA=f(Topt)(2)假定第一段入口溫度為To1,T=To+Λ(XA-XAO)其中,Λ=NTOyAO(-△HR)/NTCP求解出第一段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA1,T1。3℃,yNH3,2=0.設(shè)計思路:(1)根據(jù)反應氣體45(3)根據(jù)式即,第一段出口速率等于第二段入口速率,可求出第二段入口溫度TO2。
(4)
重復(2)步求出第二段出口溫度與出口轉(zhuǎn)化率T2,XA2,及重復(3)步可求出第三段的入口溫度To3。(5)
檢查算出的最后一段的的出口轉(zhuǎn)化率與生產(chǎn)任務是否一致,若不一致,重新設(shè)定TO1重復(2)-(5)步,直至直至算出最后一段的的出口轉(zhuǎn)化率與生產(chǎn)任務一致(6)檢查計算結(jié)果與平衡線及最佳溫度線的關(guān)系。
(3)根據(jù)式即,第一段出口速率等于第二段入口速率,可求出第462.催化劑有起始活性溫度限制
設(shè)計思路:
(1)
據(jù)反應氣體混合物的初始組成,催化劑動力學參數(shù),作過程的平衡曲線與最佳溫度曲線。a.平衡曲線:根據(jù)r=0,可得XA,eq=f(Teq)b.最佳溫度曲線:根據(jù)r/T=0,可得XA=f(Topt)(2)設(shè)定第一段入口溫度為To1,To1值為催化劑活性溫度,是一固定值。(3)設(shè)第一段出口轉(zhuǎn)化率為XA1,(4)根據(jù)絕熱溫升線可計算第一段的出口溫度T1。T=To+Λ(XA-XAO)(6-47)其中,Λ=NTOyAO(-△HR)/NT2CP
2.催化劑有起始活性溫度限制
設(shè)計思路:(1)據(jù)反應氣47(5)由即,第一段出口速率等于第二段入口速率,可求出第二段入口溫度TO2。(6)根據(jù):式(6-46)和絕熱溫升線(6-47)
(5)由即,第一段出口速率等于第二段入口速率,可求出第二段入48(7)重復(5)、(6)步算出最后一段的XAn,檢查算出的最后一段的的出口轉(zhuǎn)化率與生產(chǎn)任務是否一致,若不一致,重新設(shè)定XA1重復(3)-(6)步,直至直至算出最后一段的的出口轉(zhuǎn)化率與生產(chǎn)任務一致。(8)檢查計算結(jié)果與平衡線及最佳溫度線的關(guān)系。
T=To+Λ(XA2-XA1)(6-47)其中,Λ=NTOyAO(-△HR)/NTCP求解出第二段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA2,T2。3.催化劑有最高耐熱溫度Tmax限制設(shè)計思路:(1)反應氣體混合物的初始組成,催化劑動力學參數(shù),作過程的平衡曲線與最佳溫度曲線。(7)重復(5)、(6)步算出最后一段的XAn,檢查算出的最49(2)假定第一段入口溫度為To1,根據(jù):式(6-46)和絕熱溫升線(6-47)
a.平衡曲線:根據(jù)r=0,可得XA,eq=f(Teq)b.最佳溫度曲線:根據(jù)r/T=0,可得XA=f(Topt)T=To+Λ(XA-XAO)(6-47)其中,Λ=NTOyAO(-△HR)/NTCP求解出第一段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA1,T1。若T1超過Tmax,則以Tmax為T1,并由式(6-47)算出XA1。亦可由(2)假定第一段入口溫度為To1,a.平衡曲線:根據(jù)r50與T=To+Λ(XA-XAO)(6-47)
計算出XA1。(3)根據(jù)式(6-43)即,第一段出口速率等于第二段入口速率,可求出第二段入口溫度TO2。(4)重復(2)步求出第二段出口溫度與出口轉(zhuǎn)化率T2,XA2,及重復(3)步可求出第三段的入口溫度To3。計算過程中,若Ti出口溫度超過Tmax應以Tmax為出口溫度Ti。并用式(6-47)或式(6-47)結(jié)合式(6-48)計算出口轉(zhuǎn)化率XAi。(5)檢查算出的最后一段的的出口轉(zhuǎn)化率與生產(chǎn)任務是否一致,若不一致,重新設(shè)定TO1重復(2)-(5)步,直至算出最后一段的的出口轉(zhuǎn)化率與生產(chǎn)任務一致。(6)檢查計算結(jié)果與平衡線及最佳溫度線的關(guān)系。與T=To+Λ(XA-XAO)514.例題
某日產(chǎn)干噸兩段間接換熱式徑向氨合成塔合成氨的速率:R=dyNH3/dτo=kT(1+yNH3)2[Kf2fH21.5fN2/fNH3–fNH3/fH21.5]解:(1)不受催化劑溫度限制的影響時,a.TO1=340℃,初始組成已經(jīng)確定,由下式,T=To+Λ(XA-XAO)(6-47)其中,Λ=NTOyAO(-△HR)/NTCP求解出第一段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA1,T1。T1=516.4℃,yNH3,1=0.1487,VR1=11.7367m3
4.例題某日產(chǎn)干噸兩段間接換熱式徑向氨合成塔T=To52b.由即,第一段出口速率等于第二段入口速率,可求出第二段入口溫度TO2=371.7℃。
c.再由T=To+Λ(XA2-XA1)(6-47)其中,Λ=NTOyAO(-△HR)/NTCP求解出第二段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA2,T2。T2=461.4℃,yNH3,2=0.2146,VR2=28.2155m3
b.由即,第一段出口速率等于第二段入口速率,可求出第二段53(2)受催化劑溫度限制的影響時,
a.第一段出口溫度T1計算值超過了催化劑耐熱溫度Tmax,T1=Tmax=510℃,并由式(6-47)算出XA1。亦可由與T=To+Λ(XA-XAO)計算出XA1。T1=510℃,yNH3,1=0.1432,VR1=10.2508m3b.由(2)受催化劑溫度限制的影響時,
a.第一段出口溫度T1計算54即,第一段出口速率等于第二段入口速率,可求出第二段入口溫度TO2=368℃。c.再由T=To+Λ(XA2-XA1)(6-47)其中,Λ=NTOyAO(-△HR)/NTCP求解出第二段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA2,T2。T2=465.3℃,yNH3,2=0.2144,VR2=30.6867m3
即,第一段出口速率等于第二段入口速率,可求出第二段入口溫度T556.5連續(xù)換熱式固定床催化反應器優(yōu)化設(shè)計連續(xù)換熱式催化床可分為催化劑裝在管間的內(nèi)冷自熱式、催化劑裝在列管內(nèi)的外冷列管式和外部供熱管式。本節(jié)主要以三套管并流式合成氨催化反應器為例討論連續(xù)換熱式固定床催化反應器優(yōu)化設(shè)計問題.圖6-15三套管并流式冷管催化床溫度分布及操作情況6.5連續(xù)換熱式固定床催化反應器優(yōu)化設(shè)計圖6-15三套管并561.內(nèi)冷自熱式氨合成反應器的數(shù)學模型1.1.絕熱段:(1)物料衡算氨合成為變摩爾數(shù)反應,
合成氨反應的動力學方程為:1.內(nèi)冷自熱式氨合成反應器的數(shù)學模型合成氨反應的57T1=510℃,yNH3,1=0.側(cè)面卸科通??恐亓α鲃硬荒芡耆冻?,還必須用人工的辦法。支承的柵板應當設(shè)計成能支承催化劑的裝載重量加上預期的壓降。苯:Cp=0.R(氣體常數(shù))=0.(3)根據(jù)式(6-43)較大的球或圓柱體在床層中先填裝6英寸以內(nèi),然后再裝較小的球或圓柱體以限定催化劑床層位置。V=(RTFyo/(kP))[xA+ln((yo-1+yoxA)/(yo-1))]沒有必要在圖中所示的空集合管頂部以下的空間填裝催化劑.因為由于物流必須集束流向出口管而使此點之下的摧化劑不能充分利用。絕熱固定床氣體反應器設(shè)計實例:
甲苯加氫脫烷基反應器的設(shè)計根據(jù):式(6-46)和絕熱溫升線(6-47)求解出第二段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA2,T2。因此,如果放熱反應是在絕熱固定床反應器中進行,則氣流的溫度將沿著入口到出口的方向增加。08314m3bar/(kmolK)用來填充這個基本上無效的空間,惰性球也要比催化劑便宜得多。有時反應速率方程用分壓而不是用濃度表示:其中,Λ=NTOyAO(-△HR)/NTCP多段間接換熱式絕熱催化反應器的設(shè)計是一個確定各段始末溫度、轉(zhuǎn)化率的最佳分布問題,最終結(jié)果是使催化劑的的總用量最少。T=To+Λ(XA-XAO)(6-47)第一段出口溫度T1計算值超過了催化劑耐熱溫度Tmax,T1=Tmax=510℃,并由式(6-47)算出XA1。將式(6-49)、(6-50)代入式(6-51)整理后得:其中,
再因為,Wo為校標準狀態(tài)下氨分解基氣體體積流率及床層截面積計算的虛擬線速度,m3/(m2·s)。對于絕熱層,應按絕熱層床層截面積來計算Wo,以Woh表示,再計入活性校正系數(shù)COR及表征催化劑使用時間對宏觀反應速率影響的壽命因子TF,最后可得絕熱層中氨摩爾分率隨床高l變化的表達式,式(6-52)變化為:T1=510℃,yNH3,1=0.將式(6-49)、(58(2)熱量衡算
(2)熱量衡算59Tbo(設(shè)定)、yio已知時,聯(lián)立式(6-54)與式(6-56)可計算組成yi、床層溫度Tb隨床層高度的變化。1.2冷卻段(1)物料衡算冷卻段的溫度分布與流體流向如圖6-17所示圖6-17冷卻段的溫度分布與流體流向(三套管合成氨反應器)Tbo(設(shè)定)、yio已知時,聯(lián)立式(6-54)與式(6-560(2)熱量衡算冷卻層催化劑床層的熱量衡算:
環(huán)隙熱損失設(shè)為1.5℃/m,上式變?yōu)椋喝坠芘c床層的熱量衡算:
式(6-57)、(6-58)、(6-59)聯(lián)立用Runge-Kutta法解微分方程可求出yi、Ta、Tb沿床層l的變化。(2)熱量衡算環(huán)隙熱損失設(shè)為1.5℃/m,上式變?yōu)椋喝?1在穩(wěn)態(tài)操作時,反應器中沒有物料積聚,或沒有物料從反應器中放出,NTo=NAo+NBo(6-13)在很高溫度下操作的反應器內(nèi)也許不能采用金屬制的出口集合管。1432,VR1=10.圖6-14方程式(6-45)用圖示的形式表示a.平衡曲線:根據(jù)r=0,可得XA,eq=f(Teq)支承的柵板應當設(shè)計成能支承催化劑的裝載重量加上預期的壓降。4℃,yNH3,1=0.進入的克分子數(shù)=出來的克分子數(shù)十積聚的克分子數(shù)十通過反應損耗的克分子數(shù)在這種情況下可用多格的耐火磚圓頂當作床層的支承和出口集合管。求解出第二段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA2,T2。近年來已經(jīng)引用大小均勻的廉價不適性陶瓷丸粒。5555Fyo+急冷量))利用Ergun方程計算壓降:(6)檢查計算結(jié)果與平衡線及最佳溫度線的關(guān)系。(2)設(shè)定第一段入口溫度為To1,To1值為催化劑活性溫度,是一固定值。Cpi——每一種反應物的克分子熱容量,kmol/(kmo1.dx/dz=AcAexp(-E/RGT)(P/RG*T(6.即,第一段出口速率等于第二段入口速率,可求出第二段入口溫度TO2=371.1.3內(nèi)冷自熱式三套管氨合成反應器設(shè)計過程
(1)絕熱段計算
設(shè)絕熱入口溫度Tbo為催化劑的的活性溫度;絕熱段入口組成物流量yio、NTO已知;絕熱段床層高度l1為已知值;床層直徑已知。
聯(lián)立方程(6-54)與(6-56)計算離開絕熱段的物料組成yi與溫度Tb。在穩(wěn)態(tài)操作時,反應器中沒有物料積聚,或沒有物料從反應器中放出62第六章固定床反應器的工藝設(shè)計第六章固定床反應器的工藝設(shè)計63第六章固定床反應器的工藝設(shè)計第六章固定床反應器的工藝設(shè)計64有時反應速率方程用分壓而不是用濃度表示:rvp=Aexp(-E/RT)PaαPbβ
式中,P是反應物或產(chǎn)物的分壓,barrv和rvp之間的關(guān)系是:rvp=rv(RT)α+β
式中R=0.08314m3bar/(kmolK)有時反應速率方程用分壓而不是用濃度表示:65設(shè)計方程
dV=Acdz進入的克分子數(shù)=出來的克分子數(shù)十積聚的克分子數(shù)十通過反應損耗的克分子數(shù)在穩(wěn)態(tài)操作時,反應器中沒有物料積聚,或沒有物料從反應器中放出,Fyo=Fyo(1-dx)+rvdV(6-6)整理得:Fyodx=rvdV(6-7)將(6-4)代入(6-7)得:Fyodx=rvAcdz(6-8)設(shè)計方程dV=Acdz進入的克分子數(shù)66壓降方程開始可計算出?P/z值,而后在每一步進行適當?shù)膲毫πU?。壓降方程開始可計算出?P/z值,而后在每一步進行適當?shù)膲毫?7實例,恒溫反應器設(shè)計
H2C=CH2十H2→CH3一CH3(6-9)這是一個放熱反應,但它可在很小的恒溫反應器中進行。銅—氧化鎂為催化劑,把這些催化劑裝在一個內(nèi)徑為9.35mm、長為280mm帶水夾套的黃銅制的反應器管中。由于把37.85l/min的水循環(huán)通過夾套,因而可得到大于5.67kJ/(m2SK)的水膜傳熱系數(shù)和恒定的管壁溫度。在此反應器內(nèi),9—79℃范圍內(nèi)的各種恒定溫度下進行的許多試驗證明,對氫氣來說,式(6-9)表示的反應是一級的。通過給定下列條件可寫出反應速率方程:rv=kCH(6-10)該系統(tǒng)中,η=1實例,恒溫反應器設(shè)計H2C=CH2十H2→CH3一CH68設(shè)計方程:Fyodx=kCHdV
由于反應涉及到體積變化,對此,必須加以考慮。例如:aA+bB→pP+qQ(6-12)設(shè)A為數(shù)量有限的反應物。開始時,NTo=NAo+NBo(6-13)NAo=yoNToNBo=(1-yo)NTo=(1-yo)NAo/yo(6-14)在達到轉(zhuǎn)化率分數(shù)xA后:NT=NA+NB+NP+NQ
=NAo(1-xA)+NBo–(b/a)NAoxA+(p/a)NAoxA+(q/a)NAoxA
=NTo–NToyoxA·((a+b-p-q)/(a+b))·(a+b)/a(6-15)令d’=(a+b-p-q)/(a+b)(6-16)設(shè)計方程:69對于乙烯加氫:1克分子乙烯十1克分子氫氣→1克分子乙烷(6-18)a=1,b=1,p=1,q=0NT=(1-yoxA)NTo又因為,對于乙烯加氫:NT=(1-yoxA)NTo又因為,70對于乙烯加氫這個反應:
對于乙烯加氫這個反應:71設(shè)計方程變?yōu)椋簩⑸鲜椒e分得:V=(RTFyo/(kP))[xA+ln((yo-1+yoxA)/(yo-1))]現(xiàn)在用上式計算一個試驗室反應器。yo=0.49F(總進料)=2.0×10-8kmo1/sR(氣體常數(shù))=0.08314m3bar/(kmo1.K)R(氣體常數(shù))=8.314kJ/(kmol.K)T=67℃十273.2=340.2Kk=5.96×106exP(一55731/RT)kmol/(s.m3)希望:xA=1.0假定P=1.0bar,設(shè)計方程變?yōu)椋簩⑸鲜椒e分得:72利用Ergun方程計算壓降:T1=510℃,yNH3,1=0.3絕熱反應器的設(shè)備設(shè)計方面求解出第二段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA2,T2。5Fyo(1-x)(Fyo(5-x)+0.現(xiàn)在計算每一床層(除最后床層外)末端處的急冷量:在這種情況下,便應在反應器頂上引導裝料管移動。在Ergun方程中,G為質(zhì)量流率.其單位為kg/(sm2)在有中間冷卻或加熱的單個反應器殼體中多床層可以擱在支承板上(圖6-10和圖6-11),不然也可以采用有內(nèi)部分布器的連續(xù)床層。1克分子乙烯十1克分子氫氣→1克分子乙烷(6-18)1432,VR1=10.Fyodx=kCHdV(6)根據(jù):式(6-46)和絕熱溫升線(6-47)支承的柵板應當設(shè)計成能支承催化劑的裝載重量加上預期的壓降。如末達到所要求的轉(zhuǎn)化率x,溫度就已上升到限制溫度,此時,可采用幾個方法中的一個在溫度不超過t最大的情況下來提高x使其達到所要求的值。5(1-x)(Fyo(5-x)+0.如反應器內(nèi)徑為1cm,則反應器高度將為89.1cm。
6.2絕熱氣體反應器定義絕熱反應器是一種和周圍沒有熱交換的反應器。因此,如果放熱反應是在絕熱固定床反應器中進行,則氣流的溫度將沿著入口到出口的方向增加。另一方面,如果吸熱反應是在同樣的反應器中進行,則氣流的溫度將會沿著反應器的長度降低。利用Ergun方程計算壓降:如反應器內(nèi)徑為1cm,則反應器高73一維塞流模型
絕熱氣體反應器最簡單的模型是一維塞流模型,為了適應此模型,反應器必須符合下列條件:·反應器和周圍環(huán)境不應有熱交換(絕熱條件)。·通過固定床催化劑床的流動應該是在床層內(nèi)任何一點反應物流的線速度都是相同的?!げ粦休S向擴散。不應有徑向擴散。
一維塞流模型絕熱氣體反應器最簡單的模型是一維塞流模型,為74一維模型絕熱固定床氣體反應器的設(shè)計
Fyodx=rvdV=rvAcdzFyodx(-?H)=∑miCpidT式中,(-?H)——整個反應系統(tǒng)的反應熱;mi—每一種反應物(包括反應物和產(chǎn)物)的克分子流量,kmo1/s;Cpi——每一種反應物的克分子熱容量,kmol/(kmo1.K)。
一維模型絕熱固定床氣體反應器的設(shè)計Fyodx=rvdV75設(shè)計用于放熱反應的固定床氣體反應器
對絕熱反應器的限制是由限定的出口溫度t最大決定的,達到此溫度標志著某些不理想的過程如副反應、選擇性不良和催化劑嚴重結(jié)垢開始出現(xiàn)。如末達到所要求的轉(zhuǎn)化率x,溫度就已上升到限制溫度,此時,可采用幾個方法中的一個在溫度不超過t最大的情況下來提高x使其達到所要求的值。方法1
(1)把催化劑體積分成兩個或兩個以上的床層,以便使每一床層都達到t最大;(2)用間接換熱器冷卻兩相鄰床層之間的氣體反應物使其回到第一床層入口溫度to
設(shè)計用于放熱反應的固定床氣體反應器對絕熱反應器的限制是由限76方法2如果所用間接換熱器反應溫度太高的話,則可采用第二個方法,把一種冷的反應物噴入兩相鄰床層之間的反應物流中,把反應物冷卻到To.由于補充了一種被消耗的反應物,這種直接冷卻或急冷方法又有使反應朝著所要求的方向進行的優(yōu)點。
方法277方法3第三個方法是一種老的德國分段急冷的技術(shù),雖然目前仍在使用,但其缺點是波動很大,且難于設(shè)計。
方法378CB=P(Fyo(5-x)+0.求解出第二段出口轉(zhuǎn)化率與出口溫度XA2,T2。dx/dz=AcAexp(-E/RGT)(P/RG*T(6.85l/min的水循環(huán)通過夾套,因而可得到大于5.進入加氫脫烷基裝置的混合氫氣物流的純度為90%,其余的為甲烷。近年來已經(jīng)引用大小均勻的廉價不適性陶瓷丸粒。側(cè)面卸科通常靠重力流動不能完全卸出,還必須用人工的辦法。式(6-57)、(6-58)、(6-59)聯(lián)立用Runge-Kutta法解微分方程可求出yi、Ta、Tb沿床層l的變化。進入的克分子數(shù)=出來的克分子數(shù)十積聚的克分子數(shù)十通過反應損耗的克分子數(shù)kmo1/s;5(1-x)(Fyo(5-x)+0.甲苯:Fyo(1-x)(5)檢查算出的最后一段的的出口轉(zhuǎn)化率與生產(chǎn)任務是否一致,若不一致,重新設(shè)定TO1重復(2)-(5)步,直至直至算出最后一段的的出口轉(zhuǎn)化率與生產(chǎn)任務一致沒有支承板,卸料也較簡單,因為有支承板,催化劑就必須從四面卸出或者用吊斗或真空卸料機吸出。?H—-49974kJ/kmo1轉(zhuǎn)化的甲苯;甲苯:Fyo(1-x)4℃,yNH3,1=0.苯:y2=Fyox/(6.若把這些CA和CB項代入式(6-32),則:方法4
第四個方法是在反應器進料中加入一種惰性氣或一種過量的反應物,其作用好象一個受熱器一樣,吸收大部分放出的熱量,這樣,對給定的轉(zhuǎn)化率而言,就減小了溫升。和其他方法相比,此法有一嚴重缺點,即為了容納惰性氣或過量的反應物,需要增大反應器的尺寸。第四個方法派生出來的一個方法是加入一種惰性液體,它在反應器的通常壓力下,其沸點接近反應溫度,反應放出的熱使惰性液體蒸發(fā),這樣,其所吸收的大量熱量就滿足了潛熱的需要。在某些情況下,和采用純氣相方?jīng)]相比,這種方法反應速率比較低。此方法的缺點是需要的反應器大而貴。CB=P(Fyo(5-x)+0.方法479如果沒有一個方法能妥善地解決放出的熱量問題,則必須考慮氣體反應在下列反應器中的一種內(nèi)進行:
流化床反應器;
帶有一種惰性液體的氣-液相反應器非恒溫非絕熱固定床氣體反應器如果沒有一個方法能妥善地解決放出的熱量問題,則必須考慮氣體反80絕熱固定床氣體反應器設(shè)計實例:
甲苯加氫脫烷基反應器的設(shè)計
反應速率方程為:rv=-dCA/dθ=kCACB0.5=Aexp(-E/RGT)CACB0.5
式中,CA——甲苯濃度,kmo1/m3;CB——氫濃度,kmo1/m3;k—甲苯加氫脫烷基的反應速率常數(shù);A—頻率因子;E—活化能148114kJ/kmo1;
?H—-49974kJ/kmo1轉(zhuǎn)化的甲苯;θ—停留時間,s。絕熱固定床氣體反應器設(shè)計實例:
甲苯加氫脫烷基反應器的設(shè)計81發(fā)表的活化能數(shù)值為35.4kcal/g.mol,但得不到發(fā)表的頻率固子A的數(shù)值,該數(shù)值取決于具體的催化劑,現(xiàn)假定A=5.73xl06,反應器入口的反應溫度假定為To=600℃十273.2=873.2K,反應器壓力可從35到70絕對大氣壓,假定約50絕對大氣壓或50bar。根據(jù)芳烴加氫的一般經(jīng)驗,氫與芳烴之比可假定為5.0.氫:Cp=20.786甲烷:Cp=0.04414T十27.87苯:Cp=0.1067T十103.18甲苯:Cp=0.03535T十124.85進入加氫脫烷基裝置的混合氫氣物流的純度為90%,其余的為甲烷。發(fā)表的活化能數(shù)值為35.4kcal82每一反應物或產(chǎn)物的克分子數(shù)是:甲苯:Fyo(1-x)苯:Fyox氫:Fyo(5-x)+0.9急冷量甲烷:Fyo(5/9+x)+0.1急冷量
總克分子數(shù):Fyo(1+5+5/9)+急冷量,或6.5555Fyo+急冷量每一組分的克分子分數(shù)為:甲苯:y1=Fyo(1-x)/(6.5555Fyo+急冷量)=y(tǒng)A苯:y2=Fyox/(6.5555Fy。十急冷量)氫:y3=(Fyo(5一x)+0.9急冷量)/(6.5555Fyo+急冷量)=yB甲烷:y4=(Fyo(5/9+x)+0.1急冷量)/(6.5555Fyo+急冷量)濃度項可寫成:C=N/V=Np/(NRG*T)=p/(RG*T)因為:p=Py所以:C=yP/(RG*T)每一反應物或產(chǎn)物的克分子數(shù)是:83CA=PFyo(1-x)/(RG*T(6.5555Fyo+急冷量))CB=P(Fyo(5-x)+0.9急冷量)/(RG*T(6.5555Fyo+急冷量))若把這些CA和CB項代入式(6-32),則:rv=-dCA/dθ=kCACB0.5=Aexp(-E/RGT)(P/(RG*T(6.5555Fyo+急冷量)))1.5Fyo(1-x)(Fyo(5-x)+0.9急冷量)0.5將上式與(6-8)合并:dx/dz=AcAexp(-E/RGT)(P/RG*T(6.5555Fyo+急冷量))1.5(1-x)(Fyo(5-x)+0.9急冷量)0.5
CA=PFyo(1-x)/(RG*T(6.5555Fy84現(xiàn)在計算每一床層(除最后床層外)末端處的急冷量:
急冷量=∑miCpi(T-To)/(Cpi急冷(T-298.2))Cpi急冷=0.9x20.786+0.1x66.413=25.349kJ/KmolK利用Ergun方程計算壓降:在Ergun方程中,G為質(zhì)量流率.其單位為kg/(sm2)
以空塔為基礎(chǔ)的空塔流速um的方程為:現(xiàn)在計算每一床層(除最后床層外)末端處的急冷量:急冷量=85若催化劑的形狀是直徑和高度相等的圓柱體,令rp=顆粒半徑,則,若給定2rp=3mm,則dp=0.003m。反應混合物的粘度μ可用以下的關(guān)系式從各個反應物的粘度μ1,μ2,μ3,μ4計算出來.此方程是:若催化劑的形狀是直徑和高度相等的圓柱體,令rp=顆粒半徑,則86氫:y3=(Fyo(5一x)+0.催化劑裝在單一環(huán)狀床內(nèi)。A氣體入口,B氣體出口,C冷激氣入口,D氣體旁路分布器,E溫度計套管,F(xiàn)催化劑卸出口。進入的克分子數(shù)=出來的克分子數(shù)十積聚的克分子數(shù)十通過反應損耗的克分子數(shù)許多催化劑吸氧性很強而且以驚人的速度耗盡容器中的氧。用來填充這個基本上無效的空間,惰性球也要比催化劑便宜得多。令d’=(a+b-p-q)/(a+b)(6-16)這需要由工人進入有毒的區(qū)域去放出物料和操縱卸料系統(tǒng)。卸空可將催化劑卸到料斗或卡車上。5=Aexp(-E/RGT)(P/(RG*T(6.4℃,yNH3,2=0.合成氨反應的動力學方程為:交承板的材質(zhì)要能防腐蝕,根據(jù)用途也可以用炭鋼、合金鋼、鑄鋼或燒制陶瓷。NTo=NAo+NBo(6-13)圖6-14方程式(6-45)用圖示的形式表示石英石已經(jīng)被當作廉價的代用品,而且在反應不受其中雜質(zhì)影響的反應器中是完全合用的dx/dz=AcAexp(-E/RGT)(P/RG*T(6.惰性球也造成足夠的壓降以保證催化劑床層的出口處流體的良好分布。和其他方法相比,此法有一嚴重缺點,即為了容納惰性氣或過量的反應物,需要增大反應器的尺寸。聯(lián)立解微分方程可求出完成一定生產(chǎn)任務的反應器高度z。沒有支承板,卸料也較簡單,因為有支承板,催化劑就必須從四面卸出或者用吊斗或真空卸料機吸出。ij項可以是12、13、14、21、23、24、31、32、34.41、42、43,Mi和Mj是各組分的分子量。氫:y3=(Fyo(5一x)+0.ij項可以是12、87假定內(nèi)徑為2mdT/dz=(dx/dz)Fyo(-?H)/(∑miCpi)
dx/dz=AcAexp(-/RGT)(P/RG*T(6.5555Fyo+急冷量))1.5(1-x)(Fyo(5-x)+0.9急冷量)0.5聯(lián)立解微分方程可求出完成一定生產(chǎn)任務的反應器高度z。電算結(jié)果如表6-1所示:
假定內(nèi)徑為2mdT/dz=(dx/dz)Fyo(-?88第六章固定床反應器的工藝設(shè)計課件896.3絕熱反應器的設(shè)備設(shè)計方面
1.床層的支承絕熱反應器的單個催化劑床層可以由以下兩種方法中的任一方法來支承—柵板(圖6-8)或一層放在床層底部的惰性氧化鋁或陶瓷球(圖6-9)。圖6-8有連續(xù)槽孔和整體支撐梁的支撐柵格
6.3絕熱反應器的設(shè)備設(shè)計方面1.床層的支承圖6-8有90圖6-9典型惰性填料支撐的單一床層絕熱反應器為防止入口氣體吹動催化劑顆粒,在支撐層頂部的惰性填料顆粒,對高流速氣體來說至少應為1英寸。圖6-9典型惰性填料支撐的單一床層絕熱反應器91支承的柵板應當設(shè)計成能支承催化劑的裝載重量加上預期的壓降。開槽或鉆孔的板和標準的焊接格柵都可以用。在必要時,要選用適當?shù)闹С邪彘_孔率以使壓降減到最小。把比催化劑丸片大一兩號的約4—6英寸的氧化鋁或陶瓷球、丸片或顆粒放在支承的柵板上。如果支承板上的孔大于球徑,象金屬格柵那樣的話,那么在支承板上面再放一層阻止這種惰性物通過的篩網(wǎng)。交承板的材質(zhì)要能防腐蝕,根據(jù)用途也可以用炭鋼、合金鋼、鑄鋼或燒制陶瓷。孔板下面必須有適當支承包括大跨度用的中間支承。代替支承板,反應器的底部可以填充惰性球、圓柱體或小顆粒,直到床層催化劑開始的高度(圖6-9)。圓球或長度大于直徑的圓柱體引起的壓降較低,比形狀不整齊的顆粒(碎塊)為好。較大的球或圓柱體在床層中先填裝6英寸以內(nèi),然后再裝較小的球或圓柱體以限定催化劑床層位置。惰性球也造成足夠的壓降以保證催化劑床層的出口處流體的良好分布。出口管道可以伸送設(shè)備中去,并在管上開很多孔,包上篩網(wǎng)也可以用特制的集合管(圖6-9)。沒有必要在圖中所示的空集合管頂部以下的空間填裝催化劑.因為由于物流必須集束流向出口管而使此點之下的摧化劑不能充分利用。用來填充這個基本上無效的空間,惰性球也要比催化劑便宜得多。支承的柵板應當設(shè)計成能支承催化劑的裝載重量加上預期92大直徑床層裝有多個并
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