固定床反应器设计计算[医术材料]

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 1医疗医药 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, Xian 2医疗医药 1. 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

2、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。 3医疗医药 1. 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

3、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。 4医疗医药 2.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 5医疗医药 2.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) 6医疗医药 3.固定床反

4、应器传递过程基本概念 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 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 7医疗医药 3.固定床反应器传递过程基本概念 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 6.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） 8医疗医药 4

5、.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。 9医疗医药 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 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 仅与浓度有关。按一维拟均相处理，设计方法与P

6、FR相似。 对右图固定床反应器取一微元段进行物料衡算 AAA dxFdWr 0 )( Af A x x A A W AA r dx F W F dW 0)( 0 00 B W 为 床 层 密 度 或 堆 积 密 度 为 催 化 剂 质 量 10医疗医药 Enzhou Liu, Northwest University, Xian AAA dxFdWr 0 )( Af A x x A A W AA r dx F W F dW 0)( 0 00 设计方程 床层高度 B S W L 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。 或等温反应器或等温反应器 () A

7、BA dC ur dl 0 0 0 A LC A C A dCu Ldl r 11医疗医药 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 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： AABtAA dxFdldrdWr 0 2 4 )()( )()( 0AAAAAPpii HdxFdWrHdTcFdTcF （6-55） （6-59） 12医疗医药 Enzhou Liu, Northwest University

8、, Xian 式（6-55）和（6-59）分别积分并整理得： )()( )( 00 0 0AAAA P AA xxxx c Hy TT （6-60） Af A x x A A A r dx F W 0)( 0 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。 13医疗医药 Enzhou Liu, Northwest 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

9、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 B S W L A r 1 14医疗医药 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 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。 15医疗医药 Enzhou Liu, Northwest 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

10、 式中，总括传热系数h0可由Leva公式计算： )(T WM T )(T WM T 使用经验关联式时要注意条件和式中各参数的单位。 16医疗医药 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： 17医疗医药 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。 18医疗医药 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 19医疗医药 （2）给定边界条件， 00 , , 0TTxxl AA ，步长 ，计算l （3）将xA1、T1、l1作为初值，重复（2）的计算，直至xAx

11、Af。 20医疗医药 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 草酸二甲酯加氢制备乙二醇列管式固定床反应器草酸二甲酯加氢制备乙二醇列管式固定床反应器计算计算 （一维拟均相等温反应器）一维拟均相等温反应器） 方程式方程式主反应主反应 付反应付反应 总反应总反应 42 21医疗医药 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 反应机理反应机理 速速 率率 控控 制制 步步 骤骤 22医疗医药 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 反应热公式反应热公

12、式 平衡常数公式平衡常数公式 4次方次方 23医疗医药 范德霍夫方程范德霍夫方程 24医疗医药 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 25医疗医药 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 物料衡算物料衡算 26医疗医药 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 动力学方程动力学方程 27医疗医药 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 28医疗医药 5.设计实例 Enzhou Liu, N

13、orthwest University, Xian 质量传递质量传递 建立数学模型建立数学模型 29医疗医药 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 热量传递热量传递 第一个反应对反应器中第一个反应对反应器中 温度升高的贡献温度升高的贡献 第二个反应对反应器中第二个反应对反应器中 温度升高的贡献温度升高的贡献 向外界传热对反应器中向外界传热对反应器中 温度降低的贡献温度降低的贡献 30医疗医药 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 管程中催化剂与壳程沸腾水总传热系数计算管程中催化剂与壳程沸腾水总传热系数计算 31医疗医药 5.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 32医疗医药 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 动量传递动量传递 33医疗医药 5.设计实例 Enzhou Liu, Northwest University, Xian 反应工艺条件反应工艺条件 34医疗医药 5.设计实例 Enzhou Liu, Northw