2015年固定床反应器设计计算
精选固定床反应器的工艺设计
CA = PFyo(1-x)／(RG*T(6.5555Fyo+ 急冷量)) CB = P(Fyo(5-x)+0.9急冷量)／(RG*T (6.5555Fyo+急冷量))若把这些CA和CB项代入式(6-32)，则： rv = - dCA/dθ = kCACB0.5 = Aexp(-E/RGT) (P／(RG*T(6.5555Fyo+ 急冷量)))1.5 Fyo(1-x) (Fyo(5-x)+0.9急冷量)0.5将上式与（6-8）合并：dx/dz = AcAexp(-E/RGT)(P/RG*T(6.5555Fyo+急冷量))1.5(1-x) (Fyo(5-x)+0.9急冷量)0.5
压降方程
开始可计算出∆P／z值，而后在每一步进行适当的压力校正。
实例，恒温反应器设计
H2C＝CH2十H2 → CH3一CH3 （6-9）这是一个放热反应，但它可在很小的恒温反应器中进行。铜—氧化镁为催化剂，把这些催化剂装在一个内径为9.35mm、长为280mm带水夹套的黄铜制的反应器管中。由于把37.85 l／min的水循环通过夹套，因而可得到大于5.67kJ／(m2 S K)的水膜传热系数和恒定的管壁温度。在此反应器内，9—79℃范围内的各种恒定温度下进行的许多试验证明，对氢气来说，式(6-9)表示的反应是一级的。通过给定下列条件可写出反应速率方程：rv = kCH (6-10)该系统中， η = 1
有时反应速率方程用分压而不是用浓度表示:rvp = A exp (-E/RT)PaαPbβ 式中，P是反应物或产物的分压，bar rv和rvp之间的关系是:rvp = rv (RT)α+β 式中R = 0.08314 m3 bar/(kmol K)
固定床反应器的设计计算
固定床反应器的设计计算固定床反应器是一种广泛应用于化工工业中的反应器。
它由一个固定的反应床和气体或液体通过床体流动的装置组成。
固定床反应器通常用于进行催化反应，例如催化剂的制备、氢气的生成以及石油炼制过程中的裂化反应等。
在设计固定床反应器时，需要考虑反应床的尺寸、催化剂的选择、反应温度和压力等因素。
下面将介绍固定床反应器的设计计算流程。
首先，设计固定床反应器时需要确定反应物的种类和摩尔比。
通过摩尔比可以计算出反应物的总流量以及各个组分的摩尔流量。
接下来，需要考虑反应床的尺寸和形状。
反应床通常为一根或多根管子，可以是圆柱形、方形或其他形状。
根据反应床的形状和尺寸，可以计算出反应床的体积。
在确定了反应床的尺寸后，需要选择合适的催化剂。
催化剂的选择应考虑反应的速率和选择性。
常见的催化剂有金属催化剂、氧化物催化剂和酸碱催化剂等。
选择催化剂后，需要计算催化剂的质量和体积。
在反应过程中，需要控制反应温度和压力。
反应温度对于反应速率和选择性具有重要影响。
根据反应的热力学数据和催化剂的性质，可以计算出反应的热效应和放热量。
根据反应的放热量和反应床的热传导性能，可以计算出反应床的冷却要求。
在设计固定床反应器时，还需要考虑反应物和产物的流动情况。
根据流动特性可以计算出反应床的压降和流速。
压降对于反应过程有重要影响，它影响着反应物在床体中的停留时间和反应速率。
最后，需要考虑反应物的进料方式和产物的排放方式。
进料和排放方式应选择合适的装置，以保证反应物的均匀分布和产物的高效排放。
在设计固定床反应器时，需要综合考虑以上因素，并进行相应的计算。
通过计算可以确定反应床的尺寸和形状、催化剂的选择、反应温度和压力以及进料和排放方式。
这些计算可以保证固定床反应器的高效运行和最佳性能。
总结起来，设计固定床反应器需要考虑反应物的种类和摩尔比、反应床的尺寸和形状、催化剂的选择、反应温度和压力、反应床的冷却要求、反应物和产物的流动情况以及进料和排放方式等因素。
固定床反应器选型与计算
• 影响床层压力降的最大因素： 床层的空隙率 流体的流速 两者稍有增大，会使压力降产生较大变化。 • 降低床层压降的方法： 增大床层空隙率，如采用较大粒径的颗粒；
降低流体的流速，但要考虑这会使相间的传
质和传热变差，需综合考虑。
35
例1内径为50mm的管内装有4m高的催化剂层， 催化剂为球体，催化剂的粒径分布如表所示。
以上。管内装催化剂，传热介质流经管间进
行加热或冷却。
(d)
• 列管式固定床反应器具有良好的传热性能
，单位床层体积具有较大的传热面积，可用
于热效应中等或稍大的反应过程。反应器由 成千上万根“单管”组成。一根单管的反应 性能可以代表整个反应器的反应效果，因而 放大设计较有把握，在实际生产中应用比较 广泛。
1.绝热式固定床反应器
反应器外壳包裹绝热保温层，使催化剂床
层与外界没有热量交换。中空圆筒的底部 放置搁板，上面堆放固体催化剂。气体从
上而下通过催化剂床层。
结构简单，床层横截面温度均匀。单位体
积内催化剂量大，即生产能力大。但只适
用于热效应不大的反应。
8
原料气
绝热式
催化剂
固定床 反应器
产物
9
23
3.熔盐：温度范围300℃～400℃，由无机熔
盐KNO3、NaNO3、NaNO2按一定比例组成， 在一定温度时呈熔融液体，挥发性很小。但 高温下渗透性强，有较强的氧化性。 4.烟道气：适用于600～700℃的高温反应。
24
2 固定床的传递特性
• 气体在催化剂颗粒
之间的孔隙中流动，
较在管内流动更容
18
列管式 固定床 反应器
列管式反应器优点： • 传热较好，管内温度较易控制； • 返混小、选择性较高；
固定床反应器设计
孔隙率分布
4、流体在固定床中流动的特性
流体在固定床中的流动情况较之在空管中的流动要复杂得多。 固定床中流体是在颗粒间的空隙中流动，颗粒间空隙形成的孔道 是弯曲的、相互交错的，孔道数和孔道截面沿流向也在不断改变。
空隙率是孔道特性的一个主要反映。在床层径向，空隙率分布的 不均匀，造成流速分布的不均匀性。
催化剂微孔内的扩散过程对反应速率有很大的影响。反应物进入微孔后， 边扩散边反应。如扩散速率小于表面反应速率，沿扩散方向，反应物浓度 逐渐降低，以致反应速率也随之下降。采用催化剂有效系数对此进行定量 的说明。
实际催化反应速率 催化剂化剂内表面与外温度, 浓度相同时的反应速率
rP rS
结论：当 ≈1时，反应过程为动力学控制，当 ＜1时，反应过程为内
扩散控制。
内扩散不仅影响反应速率，而且影响复杂反应的选择性。如平行反应中， 对于反应速率快、级数高的反应，内扩散阻力的存在将降低其选择性。又 如连串反应以中间产物为目的产物时，深入到微孔中去的扩散将增加中间 产物进一步反应的机会而降低其选择性。
注意事项：
固定床反应器内常用的是直径为3~5mm的大颗粒催化剂，一般难 以消除内扩散的影响。实际生产中采用的催化剂，其有效系数为 0.01～1。因而工业生产上必须充分估计内扩散的影响，采取措施 尽可能减少其影响。在反应器的设计计算中，则应采用考虑了内扩 散影响因素在内的宏观动力学方程式。
外扩散过程
流体与催化剂外表面间的传质。
NA kcASe cGA cSA
在工业生产过程中，固定床反应器一般都在较高流速下 操作。因此，主流体与催化剂外表面之间的压差很小， 一般可以忽略不计，因此外扩散的影响也可以忽略。
结论：外扩散的影响也可以忽略。
固定床反应器的设计计算
固定床反应器的设计计算
首先，确定反应器尺寸是固定床反应器设计的首要任务。
反应器的大
小取决于所需的反应物流量、反应速率以及反应物在催化剂上的接触效果等。
一般来说，如果催化剂的活性较高，可以选择较小的反应器尺寸，以
便增加接触效果和提高反应速率。
其次，确定催化剂床层数也是设计中的一个关键步骤。
催化剂床层数
的选择与反应物的转化率和选择性有关。
催化剂床层数较大时，反应物的
转化率和选择性可能会提高，但也会增加反应器的装填材料和能量损失。
因此，需要根据具体情况进行综合考虑，确定合适的床层数。
然后，确定反应条件是固定床反应器设计的重要因素之一、反应条件
包括反应温度、反应压力和反应物的进料浓度等。
这些参数的选择应根据
反应物的特性、反应速率常数以及副反应的发生情况等因素进行综合判断。
另外，反应温度还会对反应热平衡和反应速率等方面产生影响，需要通过
热力学计算和实验验证来确定。
最后，热力学参数也是固定床反应器设计中必须考虑的因素。
热力学
参数包括反应热和化学平衡等。
反应热的计算可以通过热力学数据以及反
应物的物化性质进行估算。
而化学平衡的考虑可以通过化学平衡常数和反
应物浓度的估计来确定。
综上所述，固定床反应器的设计计算涉及的内容较为复杂，需要综合
考虑反应器尺寸、催化剂床层数、反应条件和热力学参数等因素。
设计计
算的目标是确定合适的反应器尺寸和操作条件，以实现高效的反应产率和
选择性。
同时，还需要关注反应器的稳定性和运行寿命，对反应器进行适
当的改进和优化。
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。
固定床反应器设计计算
（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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12
式（6-55）和（6-59）分别积分并整理得：
设计方程 操作方程
10
(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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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
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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8
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
固定床反应器设计计算讲课文档
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5.设计实例
反应热公式
平衡常数公式
4次方
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现在二十三页，总共三十七页。
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范德霍夫方程
现在二十四页，总共三十七页。
5.设计实例
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（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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现在十三页，总共三十七页。
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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；
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
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u
dCA dl
B (rA )
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L
L
dl
u
dC CA0
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现在九页，总共三十七页。
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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
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W
0
x Af dx dW W A FA0 FA0 x A 0 (rA )
B为床层密度或堆积密度
W 为催化剂质量
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(rA )dW FA0dxA
设计方程
W
0
x Af dx dW W A FA0 FA0 x A 0 (rA )
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
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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
Fc
i pi
dT F cP dT (H A )(rA )dW FA0 dxA (H 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
x Af dx W A x A 0 (r ) FA0 A
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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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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 的空间位臵变化。 取反应器内一微元段进行物料衡算和热量 衡算得：
(rA )dW (rA )
4
d t2 B dl FA0 dx A
（6-55）
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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
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，
l 0, xA xA0 , T T0
y A0 (H A ) T T0 ( x A x A0 ) ( x A x A0 ) cP
（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
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
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5.设计实例
计算结果
142927 Nm 3 / h w 0.0153 22.4
97.6242 kmol / h 62.07
6052 .7kg / h 8000 h
48421625 kg / a 4.84万吨/ 年
乙二醇分率
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，步长 Δl ，计算
（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 主反应
付反应
总反应
4
2
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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
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 FA0dxA
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
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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3.固定床反应器传递过程—基本概念
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(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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床层高度
W L 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
dCA u B (rA ) dl
L dl
0
L
u
C A0
C0
dC A rA
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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 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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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 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
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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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。
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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 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。
W L 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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动量传递
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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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Pa1.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