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1、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2 0 1 5年 4月 2 4日1Enzhou Liu,Northwest University,Xian主要内容1.1.概念概念2.2.分析（换热）分析（换热）3.3.传递过程传递过程4.4.拟均相一维模型拟均相一维模型5.5.设计实例设计实例Enzhou Liu,Northwest University,Xian21.固定床反应器-概念Enzhou Liu,Northwest University,Xian 又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物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215mm左右,堆积成一定高
2、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度以下的反应。31.固定床反应器-概念Enzhou Liu,Northwest University,Xian 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，床层则填装固体反应物。涓流床反应器也可归属于固定床反应
3、器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。42.固定床反应器-分类（换热）Enzhou Liu,Northwest University,Xian绝热床反应器对外换热式反应器多段绝热床反应器52.固定床反应器-分类（换热）Enzhou Liu,Northwest University,Xian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)63.固定床反应器传递过程基本概念Enzhou Liu,Northwest University,Xian1.粒子直径(3种，da ds d
4、v P162)2.形状系数 s3.床层空隙率 B4.床层当量直径 de5.床层压降 P73.固定床反应器传递过程基本概念Enzhou Liu,Northwest University,Xian6.传热系数(3种v P166)颗粒与流体间传热系数(hp)固定床中的有效热传导(e)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）84.拟均相一维模型Enzhou Liu,Northwest University,Xian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，将气相反应物与催化剂看成均匀连续的均
5、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。9Enzhou Liu,Northwest University,Xian4.1 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10Enzhou Liu,Northwest University,Xian设计方程床层高度 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
6、等温反应器或等温反应器11Enzhou Liu,Northwest University,Xian4.2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：（6-55）（6-59）12Enzhou Liu,Northwest University,Xian式（6-55）和（6-59）分别积分并整理得：（6-60）设计方程操作方程 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。13Enzhou Liu,No
7、rthwest University,Xian图解法步骤1）由式（6-60）在 xAT 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14Enzhou Liu,Northwest University,Xian4.3 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。15Enzhou Liu,Northwes
8、t University,Xian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：使用经验关联式时要注意条件和式中各参数的单位。16床层与管外传热介质之间的总传热系数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，步长 ，计算（3）将xA1、T1、l1作为初值，重复（2）的计算，直至xAxAf。5.设计实例Enzh
9、ou Liu,Northwest University,Xian草酸二甲草酸二甲酯加加氢制制备乙二醇列管式固定床反乙二醇列管式固定床反应器器计算算（一（一维拟均相等温反均相等温反应器）器）方程式方程式主反主反应付反付反应总反反应42215.设计实例Enzhou Liu,Northwest University,Xian反反应机理机理速速率率控控制制步步骤225.设计实例Enzhou Liu,Northwest University,Xian反反应热公式公式平衡常数公式平衡常数公式4次方次方23范德霍夫方程范德霍夫方程5.设计实例Enzhou Liu,Northwest University,X
10、ian255.设计实例Enzhou Liu,Northwest University,Xian物料衡算物料衡算265.设计实例Enzhou Liu,Northwest University,Xian动力学方程力学方程275.设计实例Enzhou Liu,Northwest University,Xian285.设计实例Enzhou Liu,Northwest University,Xian质量量传递建立数学模型建立数学模型295.设计实例Enzhou Liu,Northwest University,Xian热量量传递第一个反第一个反应对反反应器中器中温度升高的温度升高的贡献献第二个反第二个反
11、应对反反应器中器中温度升高的温度升高的贡献献向外界向外界传热对反反应器中器中温度降低的温度降低的贡献献305.设计实例Enzhou Liu,Northwest University,Xian管程中催化管程中催化剂与壳程沸与壳程沸腾水水总传热系数系数计算算315.设计实例Enzhou Liu,Northwest University,Xian床层与管外传热介质之间的总传热系数325.设计实例Enzhou Liu,Northwest University,Xian动量量传递335.设计实例Enzhou Liu,Northwest University,Xian反反应工工艺条件条件345.设计实例Enzhou Liu,Northwest University,Xian计算算结果果355.设计实例Enzhou Liu,Northwest University,Xian计算算结果果乙二醇分率乙二醇分率36谢谢!38