反应过程与技术 固定床反应器的计算

§２－４固定床反应器的计算Calculation of fixed bed计算内容：①催化剂用量；②床层高度和直径；③传热面积；④床层压力降。

计算基础：反应动力学方程；物料衡算；热量衡算。

固定床反应器的经验计算法：利用实验室；中间试验装置；工厂现有装置最佳条件测得数据。

一．催化剂用量的计算 Calculation of catalyst use level1.空间速度：Space velocity[]1-=h V V S RONV ~ON V 原料气体积（标）流量~R V 催化剂填充体积意义：单位体积催化剂在单位时间内通过原料标准体积流量２.接触时间：Contact timeV V R ετ= ~0V 反应条件下，反应物体积流量~ε床层空隙率00,nRT V p nRT PV ON ==pT Tp S p T Tp V V p T TpV V VR ON ON 0000000εετ===∴代入a p p K T 300103.101273⨯==，3.空时收率：Space time yield(STY)SGW W W S =意义：反应物流经床层时，单位质量（或体积）催化剂在单位时间内所获得的目的产物量。

４.催化剂负荷 Catalyst load[]h Kg W W /~原料 [][]3~m Kg cat W S 或 单位质量催化剂在单位时间内通过反应所消耗的原料５.床层线速度与空床速度 Linear velocity and superficial velocity 线速度：εR A V u 0= 反应体积在反应下，通过催化剂床层自由截面积的速率。

空床速度：R A V u 00=在反应条件下，反应气体通过床层截面积时的气速。

使用条件：所设计的反应器与提供数据的装置具有相同的操作条件等）、、、、原料、、（P T u cat μ只能估算。

不可能完全相同∴二．反应器床层高度及直径的计算 Calculation of reactor体积一定：床层高度↑→H 床层截面积↓→A 气速↑↑→∆P ↑动力消耗流动阻力,u ；床层高度↓↑→A ↓→u H ，对传热不利，另：H 太小，气体易产生短路。

根据经验：①取气体各空床速度；②再计算床层工截面积；③校床层阻力降；④确定床层的结构尺寸。

S WG W W S =床层截面积：0u V A R = ~0V 气体体积流量()h m /3~0u 气体空床速度()h m / 催化剂床层高度：00V V u A V H RR R== ~R V 催化剂床层体积()3m绝热反应器（圆筒形状）：2/1244⎪⎭⎫⎝⎛=∴=ππt R A D D A ~t d 单管内径列管反应器，管数：Hd V d A n t R t R2244ππ== 圆整 壳管式反应器（壳程装催化剂）20244d n D A R ππ-=ｎ～反应管程数；0d ～反应管外径；Ｎ～实际管数 采用正三角形排列：总面积：e AR D Sin Nt A R 24602/102+⎪⎭⎫⎝⎛==π三．催化剂床层传热面积的计算mt K QA ∆= Ｑ～热量衡算确定；~m t ∆通用公式计算（并、逆流）Ｋ～取经验数据或计算四．床层压力降∆P 同前举例：《工厂装备》96P 例３－８，4101P 已知：略 求：略 解： ①()[][]s m u D V /1077.312.01025.22544352302--⨯=⨯⨯⨯-==ππ实②实V T T F =⨯⨯004.22 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=p T Tp V V 00标实 000nRT V p nRT pV == 4.220⨯=n V[]s Kmol T T V F /101.14132734.221077.34.226500--⨯=⨯⨯=⨯=∴实③[]Kmol Kg M /67.315.3654.02646.0=⨯+⨯=-()[]s m Kg A MF G R 2260/111.002.0467.36101.1=⨯⨯⨯==--π④()[]1325200317.01025002.044132731077.34---=⨯⨯⨯⨯=⨯==S H D T T V V V S R ONV ππ ⑤()[]S V H D V V R 937.01077.345.01025002.0445322=⨯⨯⨯⨯===--πεπετ实实 小结：1.固定床的传质；2.固定床的传热；3.固定床的计算。

作业：《工厂装备》101P 习题4265P 习题4.已知：m L mm n 7.55.227900=⨯=，根，φ，进料量 39.6[]35/17.7,108.9,523,m Kg P P K T h Kmol f a =⨯==ρ， ()球形mm d mK W s P P f a f 3,/0354.0,106.25==⨯=-λμ求：床层对壁总给热系数解：设此反应为放热反应，需移出热量，床层被冷却，床层对壁总给热系数RT pM f =ρ，[]Kmol Kg p RT M f /8.31108.9523314.871705=⨯⨯⨯==ρ ()h Kg W /12598.316.39=⨯=()[]h m Kg d G 2622/1031.3900022.0785.0125941259⨯=⨯⨯==π 1183600106.21031.3003.056=⨯⨯⨯⨯==-f P e G d R μtf t P f P t d d d G d λμα⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫⎝⎛=6.4exp 5.37.0()022.00354.0022.0003.06.4ex p 1185.37.0⎪⎭⎫ ⎝⎛-=[]sK m Kj 23/1048.8⨯=第二章 气~固相固定床催化反应器小结一．基本概念Basic scheme1.催化剂粒径：()会计算-d d d d S a V ,,,2.形状系数：PS A A =ϕ 意义3.空隙率：SBρρε-=1 定义4.固定床当量直径：S ee d S RH d ⎪⎭⎫⎝⎛-===εεε132445.催化剂有效系数：定义S Pr r =η，测定方法6.催化剂用量。

①空速V S ②空时收率W S ③cat 负荷G S ④接触时间C τ7.线速u ，空床速度O u8.宏观动力学，本征动力学二．基本原理 Basic principle1.催化剂的特点：①改变反应速度②不改变化学平衡③具有选择性。

必备条件：活性好，选择性高，寿命长，具有一定机械强度。

类 别：金属（良导体）；金属氧化物或硫化物（半导体）；盐类或酸性催化剂（绝缘体）。

失 活：定义：活性随操作时间延长而下降的过程；分类： 物理失活；化学失活失活原因： 局部过热使催化剂挥发结晶；原料气未净化，催化剂中毒；结炭，掩盖活性中心，定期通空气，水蒸气烧去。

以提高反应活性补偿。

2.催化剂表面的吸附物理吸附；化学吸附覆盖率：%100⨯=固体表面覆盖面积θ θθ-=1V 裸露率： 吸附等温线，吸附等温方程a p V ~的关系AA A A m P K p K V V +=1 3.气固相催化反应的全过程：七步4.气固相催化反应速率：表面反应控制，反应类型→机理→动力学方程→特征。

5.多孔催化剂内的传质，内扩散类型：分子扩散（费克扩散）；克努森扩散；过渡扩散；每个类型的特征。

6.固定床催化反应器的类型：绝热式（单段和多段）；换热式（对外换热式和自身换热式）7.流体在固定床中的流动特性：气体分布问题；解决方法。

三．基本计算 Basic calculation1.催化剂用量的计算；2.床层高度和直径；3.床层压力降的计算。

课堂举例：某固定床反应器中，原料流量为200[kmol/h]，采用空速为0.15[s -1]，气体的线速为0.15[m/s]，床层空隙率为0.42，操作压力1.013Mp a ，操作温度180℃。

求：（1）催化剂体积；（2）床层直径；（3）床层高度。

解：（1）V R =360015.04.222000⨯⨯=V N S V = 8.3 [m] （2）V 0=360010013.1)273180(314.81020063⨯⨯+⨯⨯⨯=p nRT ＝ 0.207 [m 3/s] D=42.015.0785.0207.044000⨯⨯=⋅⋅=εππu V u V = 2.045 [m] 圆整 D= 2 [m]（3）H=V R /A t =222785.03.84⨯=⋅D V Rπ= 2.64 [m] 1、催化剂的失活类型及失活原因宏观动力学不排除外界因素（扩散）的影响，进行动力学研究得出的规律，称宏观动力学。

2、 微观动力学：排除外界因素（扩散）的影响，进行动力学研究得出的规律，称微观动力学。

3、 催化剂的形状系数5、床层空隙率及计算公式固定床中的床层空隙体积与整个床层体积之比。

ε＝1-ρB /ρS6、催化剂有效系数的测定方法测实际反应速度r P1→逐次粉碎催化剂颗粒，使内表面暴露为外表面→逐次测出反应速度r P2、r P3、r P4……→至催化剂逐次压碎，反应速度不再改变为止 r PN =r S →计算SP r r =η 1、催化剂可以加快反应速度，但不改变化学平衡，并对催化反应具有选择性。

2、选择催化剂，应使催化剂具有活性好、选择性高、寿命长，并具有一定的机械强度。

3、催化剂的失活分为物理失活和化学失活。

4、分子扩散阻力由气体分子间碰撞引起，克努森扩散阻力由气体分子与孔壁碰撞引起。