固定床反应器设计计算

固定床反应器设计计算第1页/共39页Page2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EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an第2页/共39页Page3固定床反应器概念EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an

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度以下的反应。第3页/共39页Page4固定床反应器概念EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an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器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。第4页/共39页Page52.固定床反应器分类（换热）EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an绝热床反应器对外换热式反应器多段绝热床反应器第5页/共39页Page62.固定床反应器分类（换热）EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an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)第6页/共39页Page73.固定床反应器传递过程—基本概念EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an1.粒子直径(3种，dadsdvP162)2.形状系数s3.床层空隙率B4.床层当量直径

de5.床层压降P第7页/共39页Page83.固定床反应器传递过程—基本概念EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an6.传热系数(3种vP166)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）第8页/共39页Page94.拟均相一维模型EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an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。第9页/共39页Page10EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an4.1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第10页/共39页Page11EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an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。或等温反应器第11页/共39页Page12EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an4.2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）第12页/共39页Page13EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an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。第13页/共39页Page14EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an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）床层高度第14页/共39页Page15EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an4.3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。第15页/共39页Page16EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an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。第16页/共39页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：第17页/共39页整理得

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。第18页/共39页四阶龙格-库塔法求解步骤（1）将微分方程组化成差分方程组第19页/共39页（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xA≥xAf。第20页/共39页Page215.设计实例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an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）方程式主反应付反应总反应42第21页/共39页Page225.设计实例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an反应机理速率控制步骤第22页/共39页Page235.设计实例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an反应热公式平衡常数公式4次方第23页/共39页范德霍夫方程第24页/共39页Page255.设计实例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an第25页/共39页Page265.设计实例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an物料衡算第26页/共39页Page275.设计实例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an动力学方程第27页/共39页Page285.设计实例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an第28页/共39页Page295.设计实例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an质量传递建立数学模型第29页/共39页Page305.设计实例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an热量传递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第30页/共39页Page315.设计实例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an管程中催化剂与壳程沸腾水总传热系数计算第31页/共39页Page325.设计实例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an床层与管外传热介质之间的总传热系数第32页/共39页Page335.设计实例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an动量传递第33页/共39页Page345.设计实例EnzhouLiu,NorthwestUniversity,Xi’an反应工艺条件第34页/共39