列管式固定床反应器设计的限制条件
固定床列管式反应器的设计 决赛国学改
目录固定床列管式反应器1的设计：一、反应器选择及操作条件说明 (3)二工艺计算 (5)2.1 催化剂用量 (5) (6)2.2 反应器列管数 (6)2.3换热面积三设备尺寸计算 (7)3.1反应器筒体直径 (7)3.2反应器高度 (8)3.3筒体和封头厚度 (8)四接管零部件尺寸计算 (9)4.1进料管 (9)4．2 出料管 (10)4．3 熔盐进出口 (10)4.4安全阀 (10)4.5 温度计接管 (11)4.6孔 (11)五设计结果汇总 (12)1六参考文献： (13)固定床列管式反应器1的设计:一、反应器选择及操作条件说明 (14)二工艺计算 (16)2.1 催化剂用量 (16) (17)2.2 反应器列管数 (17)2.3换热面积三设备尺寸计算 (18)3.1反应器筒体直径 (18)3.2反应器高度 (19)3.3筒体和封头厚度 (19)四接管零部件尺寸计算 (20)4.1进料管 (20)4．2 出料 (21)4．3 熔盐进出口 (21)4.4安全阀 (22)4.5 温度计接管 (22)4.6孔 (22)五设计结果汇总 (23)六参考文献： (24)2固定床列管式反应器1的设计一、反应器选择及操作条件说明A反应器选择：本工艺反应为气固相反应，返混程度不高，为了很好的控制温度，使传热的面积更大，我们选择了列管式固定床形式。
它的优点有：①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性；②催化剂机械损耗小；③结构简单。
它的投资和操作费用介于绝热固定床和流化床之间，气相两步氧化法生产丙烯酸比较理想的反应设备。
B操作条件说明：1.反应方程式：CH2CHCH3+O2→CH2CHCHO该步骤中会有副反应发生，副反应产物为乙酸和丙酸等。
进料状态:丙烯是液态进料，经过丙烯蒸发器后变为气体进入预混合器，空气经过空气压缩机进入预混合器，水直接以液态水形式进入预混合器。
2.工艺条件确定：使用Mo-Bi系列催化剂。
列管式固定床反应器热稳定性和参数敏感性
式 ( 8) 给出了反应系统参数敏感性的数学特 征, 说明热点轨迹的拐点是反应系统的参数敏感 点, 经过该点的操作曲线称为临界操作曲线, 此时 的操作条件为临界条件, 对应的热点温度是反应 系统安全操作所允许的临界热点温度。 对于在固定床反应器中进行的 n 级反应, 采 用一维拟均相模型, 假设冷却介质温度恒定不变 并与床层进口原料温度相等, 得到反应系统的操 作曲线为:
第 23 卷 第 1 期 青 岛 化 工 学 院 学 报 V o l . 23 N o. 1 2002 年 3 月 Jou rna l of Q ingdao In st itu te of Chem ica l T echno logy M a r. 2002
列管式固定床反应器的典型工业应用是烃类 和其他有机物的选择性氧化, 这类反应一般都是 强放热反应[ 1 ]。 固定床反应器内进行强放热反应 时, 反应器轴向温度存在一个最大点, 即热点 [ 2, 3 ]。 由于一个或多个操作参数的微小变化, 会导致热 点温度发生巨大变化, 出现飞温。 飞温导致反应器 在不稳定状态下操作, 对转化率、 选择性以及催化 剂的活性和寿命等都有不良影响。 因此, 热稳定性 是固定床反应器设计与操作中最关键的问题之 一。 对反应系统参数敏感性的研究, 实质上就是从 理论上揭示出固定床反应器安全操作范围, 使之 由于温度升高引起的不良后果能在反应器设计中 和操作前就能避免[ 3 ] 从 40 年代起, 反应系统的热稳定性和参数敏
m 52 F d Η 2 d c 5Η Am m 2 2 m m 52 F d Η 52 F 5F d Η + 2 + 2 = 0 5Η cAm d cAm m5 5cAm 5Η m d cAm ( 7)
+ 2
固定床列管式反应器的设计 决赛国学改
目录固定床列管式反应器1的设计：一、反应器选择及操作条件说明 (3)二工艺计算 (5)2.1 催化剂用量 (5) (6)2.2 反应器列管数 (6)2.3换热面积三设备尺寸计算 (7)3.1反应器筒体直径 (7)3.2反应器高度 (8)3.3筒体和封头厚度 (8)四接管零部件尺寸计算 (9)4.1进料管 (9)4．2 出料管 (10)4．3 熔盐进出口 (10)4.4安全阀 (10)4.5 温度计接管 (11)4.6孔 (11)五设计结果汇总 (12)1六参考文献： (13)固定床列管式反应器1的设计:一、反应器选择及操作条件说明 (14)二工艺计算 (16)2.1 催化剂用量 (16) (17)2.2 反应器列管数 (17)2.3换热面积三设备尺寸计算 (18)3.1反应器筒体直径 (18)3.2反应器高度 (19)3.3筒体和封头厚度 (19)四接管零部件尺寸计算 (20)4.1进料管 (20)4．2 出料 (21)4．3 熔盐进出口 (21)4.4安全阀 (22)4.5 温度计接管 (22)4.6孔 (22)五设计结果汇总 (23)六参考文献： (24)2固定床列管式反应器1的设计一、反应器选择及操作条件说明A反应器选择：本工艺反应为气固相反应，返混程度不高，为了很好的控制温度，使传热的面积更大，我们选择了列管式固定床形式。
它的优点有：①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性；②催化剂机械损耗小；③结构简单。
它的投资和操作费用介于绝热固定床和流化床之间，气相两步氧化法生产丙烯酸比较理想的反应设备。
B操作条件说明：1.反应方程式：CH2CHCH3+O2→CH2CHCHO该步骤中会有副反应发生，副反应产物为乙酸和丙酸等。
进料状态:丙烯是液态进料，经过丙烯蒸发器后变为气体进入预混合器，空气经过空气压缩机进入预混合器，水直接以液态水形式进入预混合器。
2.工艺条件确定：使用Mo-Bi系列催化剂。
固定床反应器的设计—固定床反应器特点与结构
间接换热式催化剂床层绝热操作方程
A-B 反应 x↑
B-C 换热 x不变
C-D 反应 x↑
D-E 换热 x不变
E-F 反应 x↑
F-G 换热 x不变
绝热操作线方程式： 表达温度与转化率的 关系。
反应热效应、绝热温 升、热熔、密度一定 时，反应段斜率相同
1.绝热式固定床反应器
（3）多段式催化床层温度的分布：间接换热式催化剂床层温度分布 和冷激（直接换热）式催化剂床层温度分布
1.绝热式固定床反应器
（2）多段式：有多段催化剂床层，反应和冷却间隔进行。 适应场合：反应热效应较大，反应速率慢的反应。 中间间接换热式：床层间加换热器（），调节温度。如：水煤气转换、二氧化硫的
氧化反应
1.绝热式固定床反应器
（2）多段式：有多段催化剂床层，反应和冷却间隔进行。 适应场合：反应热效应较大，反应速率慢的反应。
中间间接换热式：床层间加换热器（换热盘管），调节温度。如：环己醇脱氢制环己酮 及丁二醇脱水制丁二烯 。
换热盘管
1.绝热式固定床反应器
（2）多段式：有多段催化剂床层，反应和冷却间隔进行。适应反应 热效应较大，反应速率慢的反应。
冷激式：用冷流体直接与上一段出口气体混合来实现降温。多适应于工业上高压力操
•以高温烟道气为载体， 将反应所需热量在反应 管外通过管壁传给催化 剂层
生产实例：乙苯催化脱 氢制备苯乙烯。
2、换热式固定床反应器
（1）外换热式：以各种载热体为换热介质的对外换热式反应器多为 列管式结构。 载热体选择：
低于240℃----加压热水 250—300 ℃ -----导热油 300 ℃ -----熔盐（KNO353%，NaNO27%、NaNO340%） 600—700℃左右----烟道气
固定床反应器的设计与分析
重点掌握
※固定床压力降的计算方法。 ※固定床催化反应器拟均相活塞流模型 的建立与应用，包括考虑内扩散的情况。 ※绝热式固定床催化反应器催化剂用量 的计算方法。
深入理解
▼固定床催化反应器的主要类型及其结 构特点。 ▼换热式固定床催化反应器的设计优化 问题、参数敏感性问题以及飞温和失控 的现象。
22:46
压力降的计算
流体在固定床中的流动，与空管中的流体流动相似， 只是流道不规则而已。故此可将空管中流体流动的压力 降计算公式修正后用于固定床。
固定床压力降计算公式：
Lu (1 ) P f 3 dS
2 0
22:46
(6.2-2)
式中：ρ——流体密度
f —— 摩擦系数 u0——空管流速
当Re>10时，（Pea）m=2.有
Da Da d p 1 d p 1 Pea uLr ud p Lr 2 Lr
0.005
所以，当床层高度Lr>100dp时，可以忽略 床层内轴向混合扩散，即将流体在床层内 的轴向流动似为平推流流动。在实际反应 器，能够满足该前提条件，而实验反应器 往往不能达到，希注意。
22:46
① 一维模型
在一维模型中，床层径向温度被认为是相同 的。床层热阻和壁膜热阻合并作为一个热阻来考 虑，用床层与器壁间的给热系数h0来表示，给热 速率式以床层平均温度tm与壁温tW之差来定义：
q ht A(tm t ht 值大致为 61.2～320kJ／(m2· h· K)。下面推荐两个计算ht的关 联式，
T0
TC Tf
Tf
T0
逆流
并流
图6.1-3 自热式反应器示意图
列管式固定床反应器设计的限制条件
本工作的目的是导出列管式固定床反应器热稳 定性 、热灵敏性及床层压降的限制条件 , 并通过便于 反应器设计的一些易测变量(如管径 、管长 、物料流 量等)将其表达为简单实用的判据 。
剂颗粒间只存在点接触 , 导热面积极小 , 故其传热主
要依靠气体经催化剂颗粒间空隙时的分流与汇合作
用 , 因此对 λe 的静态贡献可以忽略不计 。 如果只考
虑对 λe 的动态贡献 , 则传热 Peclet 准数可 用传质 Peclet 准数近 似[ 5] 。 在工业反应器的高流 速下 , 传 质 Peclet 准数约为 10[ 7, 8] 。 按照文献[ 5] 对 Peclet 准
便 。为便于实际应用 , 以冷却介质温度 T c 代替式
(1)中的壁温 T W , 则温度灵敏性判据应当满足 :
T1.37
Tθc <1
(13)
对气固相反应 , 由于气体热容很小 , 气体沿轴向 的载热作用相对于径向传热可以忽略 ;又因列管式
反应器长径比很大 , 轴向传热的热阻很大 , 轴向传热
相对于径向传热也可以忽略 。 因此 , 列管式反应器
在选择列管 管径 d 和长度 L 时 , 常常需要 对 一些数值进行权衡 。 由式(24)、式(25)可见 , 列管 管径越小 , 则床层有更好的热稳定性 , 但管径越小 , 设备费用越高 。对管长 L 的限制首先是压降的考 虑 。 此外 , 反应器内反应管束的物理支撑问题也对 L 有所限制 。在满足限制条件的范围内 , 列管选择 长一些 , 可以使允 许的管径大一些 , 从经济的 角度 考虑是有利的 。在列管式反应器操作过程中 , 有时 反应物料的流量可能发生变化 , 这种情况下要考虑 流量变化对上述限制 条件的影响 。 如果反应 不受 传质的控制 , 则反 应速率与流量无关 , 只取决 于进 料组成和反应温度 。 但流量的 改变不仅要影 响式 (24)、式(25)中的总 传热系数 U , 同时对 式(4)中 的 G 也有 影响 。 这 种情况下 , 温度灵 敏性会因 流 量的增大而减小 , 因此应该以反应器物料流量的下 限来计算判据 。
化工过程开发3固定床反应器的设计
化工过程开发3固定床反应器的设计固定床反应器是一种广泛应用于化工过程中的反应设备。
它主要用于催化反应，其中床层通常由固定的催化剂颗粒组成。
本文将探讨化工过程开发中固定床反应器的设计。
固定床反应器的设计主要涉及以下几个方面：床层形状和尺寸、催化剂选择、床层温度控制、床层压降控制以及反应器的运行和维护。
首先，床层形状和尺寸的选择非常重要。
床层的形状可以是圆柱形、长方形等，根据不同的反应系统和操作条件选择合适的形状。
床层的尺寸需要根据反应物料的物理性质、反应速率等因素综合考虑。
如果床层尺寸过小，会增加反应物料在床层中的流动阻力，导致催化剂效果降低；如果床层尺寸过大，会增加反应器的体积和成本。
其次，催化剂选择是固定床反应器设计中的关键因素之一、催化剂的选择应根据反应的特性和要求进行，例如选择具有高活性和选择性的催化剂，同时考虑催化剂的稳定性和寿命。
此外，催化剂的粒径和形状也需要根据床层形状和流体动力学要求来选择，以保证催化剂的颗粒间距合适，流体能够均匀地通过床层。
床层温度控制是固定床反应器设计中一个重要的方面。
反应器的温度对反应速率和产物选择性都有很大影响。
因此，需要对反应器进行良好的温度控制。
常见的温度控制方法包括在反应器中使用换热器或加热器来控制床层的温度，同时结合温度传感器和控制系统对温度进行实时监测和调节。
床层压降控制也是固定床反应器设计中的一个关键问题。
床层压降是指反应物料通过床层时所产生的阻力和压力损失。
过高的床层压降会影响反应器的运行效果和经济效益。
因此，需要通过合理的床层设计和压降控制手段来降低床层压降，例如选择合适的床层颗粒尺寸和形状、优化床层结构等。
最后，反应器的运行和维护也是固定床反应器设计中需要考虑的因素。
在反应器运行期间，需要定期检查床层的催化剂活性和物理状态，并根据需要进行催化剂的再生或更换。
此外，反应器还需要定期清洗和维护，以保证其正常运行和延长其使用寿命。
综上所述，固定床反应器的设计需要综合考虑床层形状和尺寸、催化剂选择、床层温度控制、床层压降控制以及反应器的运行和维护等方面。
2015年固定床反应器设计计算
0 FA0 FA0 xA0 (rA )
B为床层密度或堆积密度
W为催化剂质量
Enzhou Liu, Northwest University, Xi’an
Page 10
(rA )dW FA0dxA
设计方程
W dW W xAf dxA 0 FA0 FA0 xA0 (rA )
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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）
Enzhou Liu, Northwest University, Xi’an
Enzhou Liu, Northwest University, Xi’an
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3.固定床反应器传递过程—基本概念
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
Enzhou Liu, Northwest University, Xi’an
Page 2
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
列管反应器设计
列管反应器设计
列管反应器设计是化工工艺中的一项重要任务，它涉及到反应器的选型、结构、尺寸、材料以及热交换等多个方面。
这种反应器通常用于进行大量化学反应，特别是需要高效热交换的场合。
在设计列管反应器时，首先要考虑的是反应的特点。
不同的化学反应有不同的温度、压力、反应速率和热量释放等特性，这些都会影响反应器的设计。
例如，对于放热反应，需要考虑如何及时移走反应产生的热量，以防止反应器过热。
反应器的结构也至关重要。
列管反应器由许多并排的管子组成，反应物料在管内流动，而热交换介质（如蒸汽、冷却水等）则在管外或另一组管内流动，以实现热量的传递。
这种结构使得列管反应器能够同时进行多个反应，提高了生产效率。
材料的选择同样重要。
由于化学反应可能涉及腐蚀性物质或高温高压条件，因此反应器必须采用耐腐蚀、耐高温高压的材料制造，如不锈钢、钛合金等。
此外，反应器的尺寸也是设计中的一个关键因素。
尺寸过小可能导致反应不充分，尺寸过大则可能造成能源浪费。
因此，需要根据反应的特点和生产需求来确定合适的尺寸。
总的来说，列管反应器设计是一项复杂而细致的工作，需要综合考虑反应特性、结构、材料、尺寸等多个因素。
只有设计出合理、高效的反应器，才能保证化工生产的顺利进行。
反应器设计原理-第四章 固定床反应器-
(4-35)
颗粒表面与气流主体间传热问题的关键是决定给热系数。有 关给热系数可用传热j因子JH表达式计算。即
JH
h
2
Pr 3
cPG
这里推荐几个关联式：
Nu
hd P
1
0.5
Re 1
0.5
0.2
Re 1
2 3
Pr
1 3
JH
2.876
dPG /
0.3023
(d P G / ) 0.35
(4-18)
fm
1
4d p
6(1 )d t
150
Re
m
1
1.75 4d p
6(1 )d t
(4-20)
当dt/dp相当大时，6(14dp)dt 可以忽略，式(4-20)与式(4-14)一致。
4.2.4 影响固定床压力降的因素 影响固定床压力降的因素可以分为两个方面：一方面是属于流体的，
第二节 固定床反应器的流体力学
4.2.1 固定床的物理特性 1．催化剂颗粒的直径和形状系数 (1) 体积相当(当量)直径 d p 体积相当直径是以与颗粒(非球形颗粒)体积相当的球体的直径表
示的颗粒直径，由
Vp
6
d
3 p
可导出
dp
( 6V p )1/ 3
(4-1)
(2) 外表面积相当直径 d a
外表面积相当直径是以与颗粒的外表面积相等的球体的直径表示的 颗粒直径，在固定床传热及传质研究中常用这种直径。
4.2.5 床层压降对反应的影响 床层压降的变化，就是床层总压的变化，也即反应物料分压的变化。
显然，分压的变化对反应结果的影响是由反应动力学特征所确定的。
第三节 固定床床层内流体混合现象
固定床反应器的工艺设计
固定床反应器的工艺设计1. 引言固定床反应器是一种常见的化工设备，广泛应用于化学工业中的各种反应过程中。
它由一个固定的催化剂床和一个通过床上空隙流动的气体或液体组成。
通过适当的设计和调节，固定床反应器可以实现高效的反应转化率和产出。
本文将介绍固定床反应器的工艺设计，包括反应器的结构、催化剂选择、反应条件等方面的内容。
2. 反应器的结构固定床反应器一般由反应器本体、催化剂床层、进出料口、反应气体或液体的流动通道等组成。
其中，反应器本体一般采用合适的材料制成，以承受反应过程中的温度和压力。
催化剂床层通常由多层的填料或颗粒催化剂组成，以提供反应活性面积和流动通道。
为了实现高效的反应，固定床反应器通常还配备有预热器、冷却器、再生器等附属设备，以控制反应温度、催化剂活性和产物的分离等。
3. 催化剂的选择催化剂是固定床反应器中实现化学反应的关键组件。
在选择催化剂时，需要考虑反应的性质、反应温度和压力、催化剂的稳定性和活性等因素。
常见的催化剂包括金属催化剂、氧化物催化剂、酸碱催化剂等。
选择合适的催化剂可以提高反应的转化率和选择性，降低反应温度和压力，减少副反应和催化剂失活等问题。
4. 反应条件的确定反应条件的确定是固定床反应器工艺设计的重要环节。
反应条件包括温度、压力、反应物浓度、催化剂负荷量等因素。
在确定反应温度时，需要考虑反应的热力学平衡和动力学要求。
过高的温度可能导致副反应的发生和催化剂失活，而过低的温度则可能使反应速率过慢。
压力的选择取决于反应物的状态和反应的热力学平衡。
在固定床反应器中，通常会通过控制进料流量和床层压降来维持适当的压力。
反应物浓度对反应速率和选择性有直接影响。
合理选择反应物浓度可以提高反应转化率和产物选择性。
催化剂负荷量的确定需要考虑催化剂的活性和催化剂床层的透气性。
过高的催化剂负荷量可能导致流动阻力加大，而过低的负荷量则可能使反应活性降低。
5. 反应器的优化和改进固定床反应器的工艺设计是一个复杂的过程，通常需要通过试验和模拟来进行优化和改进。
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
每年生产16万吨甲醛——固定床反应器设计
摘要摘要：本文以摩尔比为甲醇：氧气：水：氮气=1：0.756:0.276:2.844进入列管式固定床反应器，于350℃、0.5MPa下经铁钼催化剂催化氧化生产50级工业甲醛16Mt。
经过工艺计算和反应器的设计，本文采用双塔并联，单个反应器的直径为2300mm，反应管长35.43m，列管4045根，填充催化剂116234kg。
关键词：甲醛；甲醇；铁钼催化法；固定床反应器AbstractAbstract: In this paper, materials that the molar ratio of methanol: oxygen: water: nitrogen = 1:0.756:0.276:2.844 fed to the tubular fixed bed reactor at 350 ℃ and 0.5MPa and produce 16Mt industrial formaldehyde of 50% with iron-molybdenum catalyst. After process calculate and design of the reactor, we use twin paralleled towers, the diameter of everyone reactor is 2300 millimeter, the reaction tube length is 35.43meter, 4045 tube, and catalyst is 116234kg.Key words: Formaldehyde; Methanol; Iron-molybdenum catalytic method; Fixed-bed reactor前言甲醛是重要的有机化工基础原料，是甲醇最重要的衍生物产品之一，甲醛的用途十分广泛，主要用于生产脲醛、酚醛、聚甲醛和三聚氰胺等，也用于生产医药产品、农药和染料以及消毒剂、杀菌剂、防腐剂等。
固定床反应器的设计与分析
固定床反应器的设计与分析固定床反应器是一种常见的化学反应装置，广泛应用于石油化工、化肥生产、煤制气等领域。
它以固体催化剂填充在反应器中，流动相经过催化床层进行反应。
固定床反应器的设计与分析是确保反应器安全高效运行的重要环节，下面将从反应器的选择、设计参数的确定以及反应器模型等方面进行详细介绍。
一、反应器的选择固定床反应器的选择首先要考虑反应物性质、反应条件和反应种类等因素，例如反应物的温度、压力、流速、浓度等。
此外，还需要考虑反应产物的性质和选择合适的催化剂。
根据反应物与催化剂的物理化学性质，选择最佳反应器类型。
二、设计参数的确定1.催化剂选择：根据反应种类和反应条件选择合适的催化剂。
催化剂应具有高活性、稳定性和选择性。
2. 催化床层厚度：催化床层厚度的选择应考虑反应物的传质和反应过程。
一般厚度在10-100mm之间。
3.反应器尺寸：根据所需的反应物流量和催化剂的体积大小，确定反应器的尺寸。
主要考虑的因素有反应物的通量和速度以及催化剂的床体积。
4.反应温度和压力：根据反应的热力学特征和催化剂的活性选择最适宜的反应温度和压力。
三、反应器模型固定床反应器的设计与分析通常需要建立数学模型来描述反应过程。
根据质量守恒、动量守恒和能量守恒原理，可以建立物质和能量的平衡方程。
其中，物质平衡方程描述气相和液相中物质的传递过程，动量平衡方程描述流体在反应器中的流动过程，能量平衡方程描述传热过程。
根据质量平衡方程可以得到反应速率方程，研究反应物在催化剂上的吸附和解离等过程。
同时，还可以通过基于浓度、温度和压力的热力学模型，计算反应的平衡常数和热力学参数。
四、反应器的分析1.反应速率：反应速率是反应器设计与分析的重要指标，可以通过实验或数值模拟方法确定。
反应速率受温度、压力、催化剂浓度和反应物浓度等多种因素的影响，需要通过实验或模拟来获得。
2.传质效果：传质过程是固定床反应器中反应物与催化剂之间物质传递的重要过程，影响反应的速率和选择性。
列管式固定床反应器壳程结构的设计
维普资讯
石 油 化 工 设 备 技 术
２００２年
分 配板 孔进 入壳程 ．环槽 内的流体 流量 逐渐 减小 ， 这 一过 程 为典型 的“变 质量 流”。若 环槽 截 面积不 变 ．伴 随流 量逐渐 减小 ，槽 内流体 静压 能 上升 。当 流 体从 ｈ 流 到 ＾ 处 ，若 静 压 能 增 量 大 于 该 段 流 动 压力 降损 失 ，则 从 ｈ：处 进＾ 的流体 的推 动 力 大 于 ｈ 处 的 推 动 力 ，所 以 ｈ！的 开 孔 面 积 应 小 于 ｈ 的 开 孔 面 积 。依 此 类 推 ．分 配 板 上 开 Ｌ面 积 应 递 减 ， 使 流 量 均 匀 分 配 。
从 流体 力学 上 分 析 ，造成 上述 流 体流 动形 式 的环槽 通道 总称 为集合 管 。又可将 人 口的通 道称 为分流 管 ，出 口通 道 为集 流 管 。换 热 介质 由人 口 进 入 环 槽 即 分 为 两 路 ．其 中 一 路 由 ｈ．，ｈ … … ｈ
收 稿 日期 ：２００１ ｌｉ—ｉ６ 作者 筒 彳ｒ：赵 增 慧 （１９５２一 ）．女 ，北 京 人 ，ｌ９８４年 毕 业 于 北 京 石油 化 工 学 院化 工 设 备 与 机 械 专 业 ，获 学 士 学 位 ，讲 师 ， 现 从事 固定 床 反 应 器 工 艺 及 设 备 设 计 研 究 和计 算 机 辅 助 设 计 工作 ，已发 表 论 文 ５篇 。
Hale Waihona Puke 其 所 在 位 置 与 环 槽 总 人 口 的 距 离 而 递 减 （出 口 处 为 递 增 ），人 （出 ）口 两 分 流 通 道 的 开 孔 对 称 分 布 。 这种 结构 的 目的是想 使换 热介质 均 匀地 流人 （出） 壳 程 。
图 １ 某苯 酐 反 应 器 壳 体人 口结 构示 意 图
列管式反应器的自动控制方案
列管式反应器的自动控制方案列管式反应器进行强放热反应时反应器的轴向存在一个温度最高点，称为“热点”。
热点温度的出现，使整个催化剂床层中只有一小部分催化剂是在所要求的温度下进行反应，影响催化剂效率的充分发挥。
更为严重的是反应器设计或操作不当，当初始条件达到或超过某一限度时，反应系统瞬间产生的热量超过了反应系统本身所能承受的限度或负荷，造成热点温度急剧升高，产生“飞温”，导致反应系统失去控制，对反应的转化率、选择性以及催化剂的活性和寿命等都有不良影响，甚至会破坏反应器和导致事故的产生。
列管式固定床反应器实现热稳定操作必须满足两个条件［1－3］:其一是有足够的传热能力，保证将反应放出的热量移走，做到使放热速率与移热速率相等;其二是放热速率随温度的变化率必须小于移热速率随温度的变化率。
否则会发生局部的热稳定性问题，产生“超温”或“熄火”。
降低热点温度，控制热点出现的位置与高度，减少轴向温差，使大部分催化剂在适宜的温度范围内进行反应，避免飞温，工业生产中所采取的措施主要有三个方面:调节催化剂活性、优化反应器设计和优化操作参数［4］。
1调节催化剂活性放热速率主要由催化剂活性决定。
催化剂活性过高，反应速率过快，放热速率过大，反应就会超温。
因此为了降低反应速率和放热速率，控制热点温度，需要调节催化剂的活性。
1.1催化剂活性抑制剂添加催化剂活性抑制剂的目的是通过添加抑制剂，毒化部分催化剂，调节催化剂活性，降低反应速率，从而控制反应温度。
因为有时过高的活性反而有害，它会影响反应器移热而导致“飞温”，加剧副反应进行、导致选择性下降，甚至引起催化剂积炭失活。
催化剂活性抑制剂的添加方法主要有两种，一个是在催化剂配方中添加抑制剂;另一个是在原料中添加抑制剂。
1.2催化剂活性稀释剂反应器的原料入口处附近反应物浓度高，反应速度快，放出的热量来不及移走，致使物料温度升高，而温度升高促使反应以更快的速度进行，释放出更多的热量，导致温度进一步升高，形成恶性循环。
列管式固定床反应器设计的限制条件
列管式固定床反应器设计的限制条件
陈尚伟
【期刊名称】《石油化工》
【年(卷),期】2004(033)002
【摘要】在对列管式固定床反应器内传热过程合理分析的基础上,提出了热稳定性、温度灵敏性及床层压降对列管式固定床反应器设计和选择适宜操作参数的限制条件.这些条件也可以作为避免列管式固定床反应器不稳定性和温度灵敏性的实用设计判据.由于这些判据是以常见的反应器设计参数(管径、管长及催化剂性质等)表达出来,因此可直接用于对列管式固定床反应器的结构尺寸作出合理的初步估计.
【总页数】4页(P141-144)
【作者】陈尚伟
【作者单位】西南科技大学,材料科学与工程学院,四川,绵阳,621000
【正文语种】中文
【中图分类】TQ051.14
【相关文献】
1.列管式固定床反应器的设计探讨 [J], 赵增慧;夏丽
2.用动量方程进行平行流列管式固定床反应器的设计 [J], 王宇林;周文成
3.列管式固定床反应器壳程结构的设计 [J], 赵增慧
4.列管式固定床反应器催化剂支托结构的设计 [J], 赵增慧;夏丽
5.基于列管式固定床反应器的换热结构设计进展 [J], 何鹏;吕靖;刘应春;杨培志
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列管式固定床反应器的模拟与设计 毕业设计
列管式固定床反应器的模拟与设计摘要：列管式固定床反应器是化工行业和石化行业中一种非常重要的反应器,对一些强放热反应优势明显。
传统的模拟和设计列管式反应器的方法是基于单管实验,假定工业反应器内各反应管的操作条件与单管实验条件相同,也就是说忽视了工业反应器内冷却条件和流动的不均匀性,这个假定会引起很大的误差。
邻二甲苯氧化制苯配是工业生产苯配的主要工艺,其工业生产主要在列管式固定床反应器内进行。
要设计合理的列管式反应器,最重要的就是确定壳程空间的最优解。
本文提出了一个关于壳程的二维小池模型,将壳程空间分成若干个二维小池,在所有小池内,冷却剂的流动只有平行于管束和垂直于管束两个分量。
关键词:列管式反应器,固定床,结构设计目录列管式固定床反应器的模拟与设计 (1)第1章前言 (3)第2章文献综述 (4)2.1苯配生产 (4)2.2列管式固定床反应器的结构 (5)2.3列管式固定床反应器的设计进展 (7)2.4反应器的分析方法 (18)2.5反应器结构的优化 (19)第3章列管式固定床反应器中邻二甲苯氧化反应的研究 (20)3.1邻二甲苯氧化制苯配工艺 (20)3.2一维拟均相模型求解管侧 (22)3.3二维拟均相模型求解管侧 (24)3.4操作参数对邻二甲苯氧化反应的影响 (26)3.5结果与讨论 (28)第6章全文总结 (29)参考文献 (31)第1章前言固定床催化反应器是化学工业和石油化学工业中应用多、用面广泛的反应设备,根据其换热方式可分为绝热和非绝热(列管式)两种。
对于反应热效应很大,收率对温度敏感而又要求高转化率和高选择性的反应,为维持适宜的温度,必须用换热介质来移走或供给热量,采用列管式固定床反应器是非常合适的。
如丙烯胺氧化制备丙烯睛、蔡或邻二甲苯氧化制备苯配、乙烯氧化制环氧乙烷、苯或正丁烷氧化制顺配、异丁烯氧化制备甲基丙烯酸等[1][5]。
如今,相当一部分气固相催化反应在列管式固定床反应器中进行,而该反应器的设计开发技术大都是从国外引进,国内的装置普遍存在温差较大的问题,主要是壳程冷却剂流动分布不均的问题。
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反应产生的热量能及时地移出 , 保持一个温和的径 向温度分布 。 于是可假定反应 器床层是近似 等温 的 , 仍然采用活塞流模型 , 物料衡算方程为[ 9] :
∫ VR
= FA0
XA 0
dX A rA
(6)
对 n 级(包括 n =1)不可逆反应 , 可由式(6)直接积
分整理出 :
rA max =kcA0 =[
-ln(1-X A)]
G L
(n
=1)
(7)
rA
max
=kcnA0
= n
1-1[
(1 -X
A)1 -n
-1]
G L
(n ≠1)(8)
采用比式(4)更为保守的条件 , 则有 :
5
d(-ΔHr)rA max 1.37 Gcpθ
<1
(9)
将式(7)、式(8)代入条件式(9)得到 :
5(-ΔH r)d 1.37 cpθL
数在数量上的直观解释 , Peclet 准数等于 10 意味着 在轴向 5 倍管直径(5d)距离内 , 床层中心的热量还
来不及传递 到管壁 。 如果考 虑 5d 长 的反应 器床
层 , 此间的反应可近似为绝热的 。 由于列管式固定 床反应器内流体的流动接近活塞流[ 1] , 采用活塞流 模型进行热量衡算得到[ 9] :
(2 6)
式(22)～ 式(26)为列管式反应器设计的限制条
件 。参数 θ与反应的活化能有关 , 由反应的特征和
催化剂的活性决定 。实际可供调节的参数包括 v s , L ,d 。 vs 常常根据催化剂活性的变化予以调节。 当活性降低时 , 反应速率也随之降低 , 因此需要较长
第 2 期 陈尚伟 .列管式固定床反应器设计的限制条件
5 结论
对列管式固定床反应器内的传热过程分析的基 础上导出了一组满足反应器热稳定性 、温度灵敏性 及压降要求的判据公式 。 这些判据适用于 n 级不 可逆反应 。由于这些判据式中包含反应器设计常用 的参数 , 借助这些判据 , 通过简单的迭代和必要的权 衡 , 可以方便地确定满足列管式固定床反应器热稳 定性 、温度灵敏性及压降要求的反应器尺寸 。
对列管式固定床反应器 , 确定安全设计和操作 的判据除应考虑反应器热稳定性要求外 , 热灵敏性 也不容忽视 。关于这个性质 , 人们曾提出过一些公 式化的判据[ 2～ 4] 。 由于这些判据 将反应器失控 条 件表达为复杂的数学公式 , 很难直接用于反应器的 设计 。
本工作的目的是导出列管式固定床反应器热稳 定性 、热灵敏性及床层压降的限制条件 , 并通过便于 反应器设计的一些易测变量(如管径 、管长 、物料流 量等)将其表达为简单实用的判据 。
2 00 4
年第
33Leabharlann 卷第2期石 油 化 工
PET ROCHEM ICAL T ECHN OLO
GY
· 1 41 ·
列管式固定床反应器设计的限制条件
陈 尚 伟
(西南科技大学 材料科学与工程学院 , 四川 绵阳 621000)
[ 摘要] 在对列管式固定床反应器内传热过程合理分析的基础上 , 提 出了热稳定性 、温度灵敏性及床 层压降对列管式 固定床反应器设计和选择适宜操作参数的限制条件 。 这些条件也可以作为避免列管式固定床反应器不稳定性和温度 灵敏性的实用设计判据 。 由于这些判据是以常见的反应器设计参数(管径 、管长及催化剂性质等)表达出来 , 因此可直 接用于对列管式固定床反应器的结构尺寸作出合理的初步估计 。 [ 关键词] 限制条件 ;列管式反应器 ;反应器设计 ;反应器稳定性 ;温度灵敏性 [ 文章编号] 1000 -8144(2004)02 -0141 -04 [ 中图分类号] TQ 051.14 [ 文献标识码] A
· 143 ·
的停留时间 。 为了确定满 足限制条件式(22)～ 式 (26)的列管管径和长度 , 可作简单的迭代 。例如 , 在 转化率 XA 一定的条件下 , 首先根据式(22)、式(23) 算得 L min/ d 的值 , 再转入 条件式(24)、式(25), 通 过调整 v s 值来获得一个可以接受的列管管径 ;再由 这两个 结果可 以确定 列管 的长 度 , 最 后可 通过 式 (26)验证结果是否满足对床层压强降的要求 。
(2 3)
d <d max =v s[
5.48(n -1)Uθ -ln(1-X A)] (-ΔH
r) (n
=1)
(2 4)
d
<d
max
= v
s[
(1
5.48(n -1)Uθ -X A)1 -n -1] (-ΔH
r) (n
≠1)
(2 5)
L
<L
m ax
=( f
m
ρd s M2
v
2 s
Δp ma x)13
等 。为了维持反应器操作稳定 , 首先需要通过对流
和传导的方式(忽略热辐射)及时移除反应生成的热
量 , 而对流传热推动力与传导传热推动力之比可用 Peclet 准数表示为[ 5] :
Pe
=
Gc p λe
d
(2)
文献[ 6] 指出 , 有效导热系数 λe 包括动态的(与
流动有关)和静态的两项贡献 。 由于固定床内催化
l
床层轴向距 离 , m
M
反应物料平 均相对分子质量
n
反应级数
Δp
床层压降 , Pa
Pe
Peclet 准数
R
通用气体常 数
要参数 , 不允许床层有太大的压降 , 必须限制到一个
可以接受的程度 。 工业固定床反应器内的流体流动
多数情况下呈湍流 , 床层的压降公式可以表达 为[ 9] :
Δp =f m
Lρu
2 0
ds
(1 9)
f
m
=(1 50 Rem
+1.75)1ε-3 ε
(2 0)
R
em
=d
s
u0 μ
ρ·1
1 -ε
Gcp
dT dl
=(-ΔH r)r A
(3)
由式(3)可得出单位管长的绝热温升 d T / dl , 因此
5d 长床层内绝热温升为 5 d(-ΔH r)rA/ Gcp , 再结
合式(1)可以得到 :
5
d(-ΔH r)rA 1.37 Gcp θ
<1
θ=R
T E
2 W
(4) (5)
[ 收稿日期] 2003 -09 -03 ;[ 修改稿日期] 2003 -11 -14 。 [ 作者简介] 陈尚伟(1946 -), 男 , 四川省富顺县人 , 研究生 , 教授 , 电 话 0816 -6332105 , 电邮 chen -shangw ei @sohu .com 。 [ 基 金 项 目] 四 川 省 教 育 厅 自 然 科 学 科 研 基 金 资 助 项 目 (2003A113)。
微分形式表示的 , 不便直接用于反应器的设计和控 制 。 从实用角度考虑 , 有代表性的是 Barkelew[ 10] 早
期提出的温度灵敏 性判据 。 例 如对一级不可 逆反
应 , 其判据为 :
d
r
A(T
W)(-ΔH 4Kθ
r)<
1 Υ(s)
(12)
式中的 Υ(s)需 要从关联图上查取 , 使用仍 不够方
在选择列管 管径 d 和长度 L 时 , 常常需要 对 一些数值进行权衡 。 由式(24)、式(25)可见 , 列管 管径越小 , 则床层有更好的热稳定性 , 但管径越小 , 设备费用越高 。对管长 L 的限制首先是压降的考 虑 。 此外 , 反应器内反应管束的物理支撑问题也对 L 有所限制 。在满足限制条件的范围内 , 列管选择 长一些 , 可以使允 许的管径大一些 , 从经济的 角度 考虑是有利的 。在列管式反应器操作过程中 , 有时 反应物料的流量可能发生变化 , 这种情况下要考虑 流量变化对上述限制 条件的影响 。 如果反应 不受 传质的控制 , 则反 应速率与流量无关 , 只取决 于进 料组成和反应温度 。 但流量的 改变不仅要影 响式 (24)、式(25)中的总 传热系数 U , 同时对 式(4)中 的 G 也有 影响 。 这 种情况下 , 温度灵 敏性会因 流 量的增大而减小 , 因此应该以反应器物料流量的下 限来计算判据 。
床层内由于反应放热的速率基本上是靠径向的传热
速率平衡的 , 据此可以导出 :
4U d
(T
-T
c)=(ΔH
r)r
A
(14)
式中 , U 为总传热系数 。将式(14)与式(13)结合得 :
d(-ΔH r)r A 5.48 Uθ
<1
(1 5)
更保守的条件是 :
d(-ΔHr)rA max 5.48 Uθ
<1
1 热稳定性的限制
对于列管式固定床反应器内发生的强 放热反
应 , 考虑到反应器的热稳定性 , 对径向温度差提出了 一定的限制[ 1] :
T -T W <1.37
R
T
2 W
E
(1)
但是限制条件式(1)不便直接用于反应器设计 。
从反应器设计考虑 , 反应器稳定性的判据式应包含
反应器的一些物理参数 、反应转化率及催化剂特征
符 号 说 明
cp 反应物料平均热容 , J/(mol·K)
d
列管管径 , m
ds
催化剂等比表面积相当直径 , m
E
反应活化能
F A0
反应物 A 进料摩尔流量 , mol/ s
fm 摩擦因子
G
反应物料摩 尔通量 , mol/(m2·s)
(-ΔHr) 反应热 , J/ mol
L