固定床反应器设计计算

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图解法步骤
1）由式（6-60）在 xA~T 图中作绝热操作线； 2）在绝热操作线上读出若干组（ xAi，Ti ）数据； 3）由（ xAi，Ti ）数据计算（-rAi）和1/（-rAi）； 4）作1/（-rA）~ xA曲线。该曲线下方介于0~ xAf之间的面积
大小即W/FA0。 5）床层高度 L W
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5.设计实例
建立数学模型 质量传递
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5.设计实例
热量传递
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第一个反应对反应器中 温度升高的贡献
第二个反应对反应器中 温度升高的贡献
向外界传热对反应器中 温度降低的贡献
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5.设计实例
反应热公式 平衡常数公式
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4次方
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范德霍夫方程
5.设计实例
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颗粒与流体间传热系数(hp) 固定床中的有效热传导(λe) 床层与器壁间的给热系数 h0(一维模型)和 hw (二维模型)
7.传质系数(P170)
颗粒与流体间的传质 流体的混合扩散（Ez和Er）
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4.拟均相一维模型
一、拟均相模型 忽略床层中催化剂颗粒与流体之间温度与浓度差别，将气
对外换热式反应器
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2.固定床反应器---分类（换热）
自热式反应器
传热和温度控制是难点，固定列管式固定床反应器性能较好 反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50; 填充段长与粒径之比大于100(气体)或200(液体)
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乙二醇分率
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一维拟均相模型法 由于反应器内存在换热，计算中要考虑热量传递的影响。 床层与管壁间的传热量
式中，总括传热系数h0可由Leva公式计算：
(TM TW)
(TM TW)
使用经验关联式时要注意条件和式中各参数的单位。
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床层与管外传热介质之间的总传热系数
相反应物与催化剂看成均匀连续的均相物系。 （1）一维拟均相模型
只考虑沿气体流动方向的温度和浓度变化。 根据流动形式分为平推流一维模型和轴向分散一维模型。 （2）二维拟均相模型 同时考虑轴向和径向的温度和浓度分布。
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4.1 等温反应器的计算(P173) 床层温度均匀一致，反应速率常数为常数，反应速度
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5.设计实例
物料衡算
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5.设计实例
动力学方程
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5.设计实例
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（3）将xA1、T1、l1作为初值，重复（2）的计算，直至xA≥xAf。
5.设计实例
草酸二甲酯加氢制备乙二醇列管式固定床反应器计算 （一维拟均相等温反应器） 方程式
总反应
4
2
主反应 付反应
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5.设计实例
反应机理
速 率 控 制 步 骤
的反应。
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1. 固定床反应器---概念
与流化床反应器及移动床反应器的区别在于
固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于
实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接
触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。
用于气固相或液固相非催化反应时，床层则
S B
1 rA
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4.3 列管式固定床反应器设计
结构与列管式换热器相似，反应气体从装填催化剂的 管内流过，管间通入换热介质进行换热。反应管并联连接， 只需计算其中一根管的长度和催化剂装填量。
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5.设计实例
管程中催化剂与壳程沸腾水总传热系数计算
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5.设计实例
床层与管外传热介质之间的总传热系数
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5.设计实例
动量传递
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(rA)dW FA0dA x
设计方程
WdWWxAf dxA 0 FA0 FA0 xA0 (rA)
床层高度
L W
S B
一般，固定床反应器换热比较困难，很难做到等温操作， 此法仅用于对反应器进行估算。
或等温反应器
u dCA dl
B(rA)
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固定床反应器及其设计计算
刘恩周, 讲师 西北大学化工学院 2015年4月24日
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主要内容
1. 概念 2. 分析（换热） 3. 传递过程 4. 拟均相一维模型 5. 设计实例
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1. 固定床反应器---概念
又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物
管内物料和热量衡算 如图，取管内微元长度对组分A进行衡算得：
整理得
该方程组就是列管式固定床反应器的一维拟均相数学模型， 对一定的生产任务，可计算出床层中轴向浓度和温度分布。
四阶龙格-库塔法求解步骤 （1）将微分方程组化成差分方程组
（2）给定边界条件， l0,xAxA 0,TT 0 ，步长 Δl，计算
填装固体反应物。涓流床反应器也可归属于固定
床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液
固相接触。
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2.固定床反应器---分类（换热）
绝热床反应器
多段绝热床反应器
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பைடு நூலகம்
L
L
dl
u
dC CA0
A
0
C0 rA
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4.2单层绝热式固定床反应器
定常态操作时，与流动方向垂直的截面上温度、浓度均
匀一致，且不随时间变化。体系的温度和浓度仅随流动方向
的空间位置变化。 取反应器内一微元段进行物料衡算和热量
衡算得：
( rA )dW ( rA )4d t2Bd lF A 0dAx
3.固定床反应器传递过程—基本概念
1.粒子直径(3种，da ds dv P162) 2.形状系数 s 3.床层空隙率 B 4.床层当量直径 de 5.床层压降 P
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3.固定床反应器传递过程—基本概念
6.传热系数(3种v P166)
用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒
状，粒径2～15mm左右,堆积成一定高度（或厚度）的床层。
床层静止不动，流体通过床层进行反应。
实验室：石英管、不锈钢管
催化剂颗粒放在等温区，其余填充石英砂，两端用玻璃棉
封口防止石英砂被吹出。
用D6或D8的不锈钢管做反应管较宽、催化剂较少时，用更
细的不锈钢管作支撑管，上垫不锈钢网，可作800度以下
（6-55）
F i c p d i F c P T d ( T H A ) r A ) ( d F A W 0 d A ( H x A )
（6-59）
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式（6-55）和（6-59）分别积分并整理得：
设计方程 操作方程
仅与浓度有关。按一维拟均相处理，设计方法与PFR相似。
对右图固定床反应器取一微元段进行物料衡算
(rA)dW FA0dA x
WdWWxAf dxA
0 FA0 FA0 xA0 (rA)
B为 床 层 密 度 或 堆 积 密 度
W 为 催 化 剂 质 量
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W xAf dxA
FA0 xA0 (rA)
T T 0y A 0 ( c P H A )(x A x A 0 )(x A x A 0 ) （6-60）
设计方程和操作方程联立求解，可求W。当动力学方程比 较复杂时，难以得到解析解。一般采用数值积分或图解法计算。
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5.设计实例
反应工艺条件
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5.设计实例
计算结果
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5.设计实例
计算结果 w1429N2m 37/h0.0153 22.4 9.6 72 km 4 /h 2 6 o .0 2 l7 60.7 5k2g /h80h00 484k 2/g a 16 4.82万 45/年 吨