7.2 Розрахунки каталітичних процесів і реакторів.

Задача №1

Визначити константи швидкостей реакцій:

1. СН₃ОН + 0,5О₂ → СН₂О + Н₂О

2. СН₂О + 0,5О₂ → СО + Н₂О

по наступним вихідним даним: витрати газу V_г=10^-2 м³/год; об’єм каталізатору V_кат=5·10^-6 м³; початкова концентрація СН₃ОН в метанольно-повітряній суміші С(СН₃ОН), об’ємна частка – 6,5%; загальна ступінь перетворення СН₃ОН: Х₁=0,98; ступінь перетворення СН₃ОН в СН₂О: Х₂=0,90. Реактор вважати без градієнтним, тобто прийняти, що ступінь перетворення і швидкість реакції постійні по всьому об’єму. Кисень повітря взятий в надлишку.

Розв’язання.

Необоротні реакції окислення метанолу і формальдегіду можна приймати псевдо мономолекулярними, тому що кисень повітря взятий в надлишку, тому

; ;

; .

Фіктивний час контакту газу з каталізатором:

Визначаємо константи швидкостей К₁ і К₂:

Задача № 2

Визначити діаметр реактора, об’єм каталізатору, висоту шару каталізатору (в потоці) при синтезі формаліну із метанолу в реакторі киплячого шару по вихідним даним: продуктивність по формаліну П=1900 кг/год, ступінь перетворення метанолу в формальдегід Х=0,90, початкова концентрація метанолу С(СН₃ОН) в об’ємних частках – 6,5%; концентрація формальдегіду в об’ємних частках 37%, фіктивний час контакту газу з каталізатором τ_ф=5·10^-4 год; лінійна швидкість газу W=0,6 м/с.

Розв’язання.

Витрати метанолу при утворенні формальдегіду: кг/год:

об’єм метанолу, нм³/год

Витрати вихідної газової суміші, нм³/год

визначаємо діаметр реактора, м:

Площа перетину реактора, м²:

об’єм каталізатору, м³:

Висота шару каталізатору, м:

Задача № 3

Визначити об’єм каталізатора V_кат в колоні синтезу аміаку і фіктивний час контакту газу з каталізатором τ_ф по наступним даним: продуктивність колони по аміаку П=96 т/добу; тиск Р=8·10⁷ Па, температура Т=773 К; коефіцієнт стиснення азото-водневої суміші f=3,5; об’ємна швидкість газу V_об=60000 год^-1; ступінь перетворення Х=20%; витрати азото-водневої суміші V_N2+H2=3000 нм³ на 1 кг NH₃.

Розв’язання.

Годинна продуктивність колони. т/год:

.

Об’єм циркулюючого газу, ни³/год:

Робочий об’єм азото-водневої суміші, м³/год

об’єм каталізатора м³/год:

Фіктивний час контакту газу з каталізатором, с:

.

Задача № 4

Визначити гідравлічний опір фільтруючого шару каталізатору висотою Н=1,7 м в реакторі діаметром D=2,5 м. Витрати газу V_г=8500 м³/год, густина газу ρ_г=0,45 кг/м³, в’язкість газу μ_г=0,294·10^-4 м^-1. питома зовнішня поверхня зерен каталізатору S=415 м^-1, порізність ε=0,43.

Розв’язання.

Площа перетину реактора, м²:

Фіктивна швидкість газу, м/с:

Визначаємо критерій Рейнольда:

Коефіцієнт опору при Re>50:

Гідравлічний опір шару каталізатору, Па:

Задача № 5

Визначити найбільший розмір сферичних часток каталізатору в реакторі КШ. Вихідні дані: діаметр реактора D=0,61 м; фіктивна швидкість газуW_ф =0,117·10³ м/с; густина частин каталізатору ρ_т=50000 кг/м³, в’язкість газу μ_г=0,256·10^-3Па·с; густина газу на вході в реактор ρ_г.вх=14,45 кг/м³, густина газу на виході із реактора ρ_г.вих=16,52 кг/м³.

Розв’язання.

Розрахунок ведемо шляхом рішення наступних рівнянь:

.