Пример расчета каталитического реактора

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

При выполнении практического задания необходимо придерживаться следующей последовательности:

- изучить теоретическую часть процесса катализа;

- ознакомиться с методикой и порядком расчета каталитического реактора;

- выбрать свой вариант задания;

- приобрести необходимые справочные материалы;

- выполнить расчет в соответствии со своим вариантом и разработать схему каталитического реактора;

- оформить практическое задание в соответствии с требованиями ЕСКД и нормативно-технической документацией.

Задание: определить необходимый объем катализатора, энергозатраты и максимальную объемную скорость, при которой проходит очистка технологических выбросов 1000 м³/ч от паров толуола на палладий-марганцевом катализаторе (пиролюзит с размером гранул 5 мм, промотированный азотно-кислым палладием) для обеспечения требуемой степени очистки газа. Очистка осуществляется при давлении 150 кПа. Начальная концентрация паров толуола С_н=10⁴ мг/м³,конечное содержание С_к=0,25*10³ мг/м³, ρ_к=1000 кг/м³, ρ_н=500 кг/м³.

1. Температуру в реакторе принимаем равной 220°С, что гарантирует процесс окисления в области внешней диффузии.

2. Количество паров толуола, которое должно прореагировать:

, (4.1)

где V – объем катализатора, м³.

(кг/ч)

3. Наружная поверхность зерен катализатора в единице объема определяется:

, (4.2)

где П – пористость катализатора;

d_з – диаметр зерна, м.

. (4.3)

(м²/м³).

4. Определим режим течения газа, где ν_220°С=7,39*10^-5:

, (4.4)

где W₀ – линейная скорость газового потока при нормальных условиях, отнесенная к полной фильтрующей поверхности. На практике W₀ обычно принимают равной 0,5 – 1 м/с.

d_Э= (4.5)

5. Определим диффузионный критерий Нуссельта:

при Re=0,01-2, Nu=0,515*Re^0,35*Sc^0,33

при Re=2-30, Nu=0,725*Re^0,47*Sc^0,33

при Re=30-8000, Nu=0,395*Re^0,64*Sc^0,33,

где Sc – критерий Шмидта (диффузионный критерий Прандтля);

Sc= , (4.6)

где D – коэффициент диффузии улавливаемого компонента в воздухе, м²/с;

D=D_{0 *} , (4.7)

где T – температура в реакционной зоне, °К;

Т₀ =273 °К;

Р – давление смеси, Па;

Р₀ =101300 Па;

D₀ – определяется по таблице или ориентировочно по уравнению:

D₀=0,00155* , (4.8)

где P – давление смеси, Па;

V_a, V_b – молярные объемы газов;

М_а, М_b – молекулярные массы газов;

Т – температура в реакционной зоне, °К.

В таблице 1 приведены значения температуры влияния различных веществ на катализаторы.

Таблица 1.

Окисляемое вещество	Температура начала реакции, °С	Окисляемое вещество	Температура начала реакции, °С
Альдегиды	173 – 234	СО	316 – 343
Амины	250 – 346	Пропан	293 – 332
Ацетилен	207 – 241	Растворитель	260 – 400
Бензин	201 – 298	Смолы	260 – 400
Бензол		Тринитротолуол	215 - 250
Ксилол	200 – 240	Толуол	200 – 250
Лаки	316 – 371	Фенол	216 – 497
Нитротолуол	265 - 297	Этанол	261 - 293

D=0,0709* ;

Sc= =5,43;

Nu=0,725*20,3^0,47*5,43^0,33=5,22

6. Определим коэффициент массопередачи:

(м/с) (4.9)

7. Определяем необходимый объем катализатора:

, (4.10)

где R – универсальная газовая постоянная, R=8,32 КДж/моль*К;

Р_н, Р_к – парциальные давления удаляемого компонента до и после катализатора, Па.

, (4.11)

где (л), (4.12)

.

(л), (4.13)

.

(м³)

8. Определим максимальную объемную скорость:

, (4.14)

где V_г – объем газа, м³/ч;

V_к – объем катализатора, м³.

(ч^-1)

Для обеспечения длительности работы катализатора рассчитанное значение объемной скорости целесообразно уменьшить в 1,5 – 2 раза, то есть .

9. Необходимая теоретическая толщина слоя катализатора для достижения заданной степени очистки η определяется:

, (4.15)

где N₀ – число единиц переноса:

W_р – скорость газа при рабочих условиях определяется по формуле:

(м/с) (4.16)

- эффективная удельная поверхность зерна, м²/м³.

Ф определяется по формуле:

(4.17)

(м²/м³)

(м).

10. Гидравлическое сопротивление слоя катализатора:

, (4.18)

где μ – коэффициент динамической вязкости, μ=3,5*10^-6 (м²/с).

9450=

=9660 (Па/м).

Наиболее распространенная схема очистки газов с рекуперацией тепла представлена на рисунке 3. Содержащий примеси толуола воздух через входной патрубок 1 подается в межтрубное пространство рекуперативного теплообменника 2. После предварительного нагрева в теплообменнике 2 воздух по межтрубному пространству поступает в камеру сгорания 3. Перед входом в каталитическую камеру 4 воздух смешивается с продуктами сгорания природного газа, приобретая при этом температуру, обеспечивающую оптимальную скорость реакции окисления толуола в присутствии катализатора. В результате окисления толуола образуются нетоксичные продукты реакции – углекислый газ и водяной пар:

С₇Н₈+9О₂=7СО₂+Н₂О

Пройдя катализатор, воздух направляется в трубчатые пучки теплообменника – рекуператора, отдает тепло поступающему в реактор газовоздушному потоку и через входной патрубок отводится в атмосферу.

Рисунок 3.

Дата добавления: 2015-06-04