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 level

1.空间速度：Space velocity

[]1-=h V V S R

ON

V ~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 time

V V R ε

τ= ~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 ==

p

T Tp S p T Tp V V p T Tp

V V V

R ON ON 00

0000

0ε

ετ===∴代入

a p p K T 300103.101273⨯==，

3.空时收率：Space time yield(STY)

S

G

W 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：ε

R 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。

根据经验：①取气体各空床速度；

②再计算床层工截面积；

③校床层阻力降；

④确定床层的结构尺寸。

S W

G W W S =

床层截面积：0

u V A R = ~0V 气体体积流量()h m /3

~0u 气体空床速度()h m / 催化剂床层高度：0

0V V u A V H R

R R

== ~R V 催化剂床层体积()3m

绝热反应器（圆筒形状）：2

/1244⎪⎭⎫

⎝⎛=∴=ππt R A D D A ~t d 单管内径

列管反应器，管数：H

d V d A n t R t R

2

244π

π== 圆整 壳管式反应器（壳程装催化剂）2

0244d n D A R π

π

-=

ｎ～反应管程数；0d ～反应管外径；Ｎ～实际管数 采用正三角形排列：总面积：e AR D Sin Nt A R 24602

/10

2+⎪⎭⎫

⎝⎛==π

三．催化剂床层传热面积的计算

m

t K Q

A ∆= Ｑ～热量衡算确定；~m t ∆通用公式计算（并、逆流）

Ｋ～取经验数据或计算

四．床层压力降∆P 同前

举例：《工厂装备》96P 例３－８

，4101P 已知：略 求：略 解： ①()[][]s m u D V /1077.312.01025.22544352

302--⨯=⨯⨯⨯-==ππ

实

②实V T T F =⨯⨯004.22 ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=p T Tp V V 00标实 000nRT V p nRT pV == 4.220⨯=n V

[]s Kmol T T V F /101.1413

2734.221077.34.226500--⨯=⨯⨯=⨯=∴实

③[]Kmol Kg M /67.315.3654.02646.0=⨯+⨯=-

()[]

s m Kg A M

F G R 2260/111.002.04

67.36101.1=⨯⨯⨯==--

π

④()[]

1325200317.01025002.044132731077.34---=⨯⨯⨯⨯=⨯==S H D T T V V V S R ON

V ππ ⑤()[]S V H D V V R 937.010

77.345.01025002.044

5322=⨯⨯⨯⨯===--πεπετ实实 小结：1.固定床的传质；

2.固定床的传热；

3.固定床的计算。

作业：《工厂装备》101P 习题4

265P 习题4.已知：m L mm n 7.55.227900=⨯=，根，φ，进料量 39.6[]

35/17.7,108.9,523,m Kg P P K T h Kmol f a =⨯==ρ， ()球形mm d mK W s P P f a f 3,/0354.0,106.25==⨯=-λμ

求：床层对壁总给热系数

解：设此反应为放热反应，需移出热量，床层被冷却，床层对壁总给热系数