乙苯脱氢反应器体积计算

固定床反应器的工艺计算内容（经验法） （1）、催化剂用量的计算。 空速Sv：单位体积的催化剂在单位时间内所通过的原料的标 准体积流量 V0 N SV VR 接触时间τc：反应条件下，气体通过催化剂床层中自由空间 所需要的时间。 VR C 3
V0 T 101.3 10 1 SV 273 P 3600

As——与非球形颗粒等体积圆球的外表面积 m2
As / Ap 2 As dv
s 1 对于球形颗粒， 对于非球形颗粒， s< 1 形状系数说明了颗粒与圆球的差异程度。 3 关系如下：
ds sdv s 2 da
2、混合颗粒的平均直径及形状系数 n 算术平均直径： d x d
d pG dp t dt 3.5 exp 4.6 f d f t
0.7
三、固定床反应器的工艺计算
设计方法 经验法：用实验室、中间试验装置或工厂现有装置中最佳条 件测得的数据，如空速、催化剂的空时收率及催化剂的负 荷等作为设计依据，按规定的生产能力计算并确定催化剂 的用量、床高、床径等的计算。该法简单，但精确度较差 。 数学模型法：根据反应动力学可分为非均相与拟均相两类； 根据催化床中温度分布可分为一维模型和二维模型；根据 流体的流动状况又可分为理想流动模型（包括理想置换和 理想混合流动模型）和非理想流动模型。

i 1
Wi
i
n xWi 调和平均直径： 1 d i 1 d i 几何平均直径： di di di
在固定床和流化床的流体力学计算中，用调和平均直径 较为符合实验数据
3、床层空隙率及径向流速分布 空隙率是床层的重要特性之一，对流体通过床层的压力 降、床层的有效导热系数等都有重大的影响。 （1）、定义 : 催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总 体积之比。
乙苯脱氢反应器体积的计算
汇报人：万薇薇
第二组：万薇薇 周晓晓 单永雯 蔡霞 王雪艳
韩佳 陈勇 吴洋洋
一、固定床反应器内的流体流动
1、催化剂颗粒的直径和形状系数 定义：在化学反应中能改变反应速度而本身的组成和重量在 反应前后保持不变的物质。 由于催化剂有各种形状，习惯上常用与球形颗粒作对比的当 量直径表示，形状系数为 s 通常有下面三种当量直径： （1）、体积相当直径dv
经实验测定，摩擦系数与雷诺数的关系：
fm 150 1.75 Re M
则：ΔP=ΔP1+ ΔP2 2 uOG L0 (1 ) 2 uOG L0 (1 ) f f = 150 2 1 . 75 3 3
dS

dS
பைடு நூலகம்

当 ReM
d s f uOG
f
1 10 1
VR VR H u0 At V0
绝热时：
D
4 At
（3）、传热面积的计算与校核。 A=
Q Kt m

≥A需
（4）、床层压力降的计算与校核。
5、流体流过固定床层的压力降 压力降产生原因： （1）摩擦阻力：由于流体与颗粒表面之间的摩 擦产生。 （2）局部阻力：流体在孔道内的收缩、扩大 及再分布所引起的。 低流速时，摩擦阻力为主； 高流速及薄床层中流动时，以局部阻力为 主。 固定床的压力降可表示为：
2 f u0 1 p fm 3 L ds
b 1s
（2）、 影响空隙率的因素
颗粒形状 颗粒装填方式 颗粒的粒度分布 颗粒表面的粗糙度 越接近球形 越紧密 越不均匀 越光滑 ε 越小 越小 越小 越小
(3)床层空隙率沿径向的分布 器壁对ε分布的这种影响及由此造成对流体流动、传质 和传热的影响，称为壁效应。 壁效应产生出床层径向截面上流速、温度及反应速率 都不均匀，恶化了反应器的操作性能。 dt/dp越大，壁效应的影响越小，一般当达8时，可不计 壁效应。 4、流体在固定床中流动的特性 在床层径向，空隙率分布的不均匀造成了流速分布不均 匀（不同于空管）。 流速的不均匀造成物料停留时间和传热情况不均匀性， 最终影响反应结果。 流体在流动过程中由于本身的湍流、对颗粒的撞击、绕 行及孔道的缩小或扩大，使得流体不断分散和汇合。而这 种混合扩散现象并非各向同性，从而造成径向、轴向混合 同时存在。
2、固定床反应器中的传热 （1）、传热速率方程式 dQ= αt (Tm-Tw)dA= αt dt(Tm-Tw)dl 床层被加热时：（吸热反应）
t dt f
d pG 0.813 f
0.9
dp exp 6 d t

床层被冷却时：（放热反应）
式中：V0：反应条件下气体的体积流量。 空时收率Sw：单位质量或体积的催化剂在单位时间内所获得 的目的产物量。
SW
WG WS
催化剂的负荷SG：单位质量的催化剂在单位时间内通过化 学反应所消耗的原料量。
SG
（2）、反应器高度和直径的计算。 根据经验取u0→At→ΔP校核
At V0 u0
WW WS
Vp——非球形颗粒的体积 m3
dv (6v p / )
（2）、面积相当直径da
1 3
Ap——非球形颗粒的外表面积 m2
da ( Ap / )
1 2
（3）、比表面积相当直径ds 6 6Vp ds ds Ap 在固定床的流体力学研究中，非球形颗粒的直径常常 采用体积相当直径。在传热传质的研究中，常常采用面积 相当直径。 （4）、形状系数 非球形颗粒的外表面积一定大于等体积的圆球的外表 面积。
时：ΔP=ΔP1
当ReM>103时：ΔP=ΔP2 设计要求：ΔP≤15% 降低压降的方法：降低流速、增大空隙率、减小床层高 度、增加催化剂颗粒直径等。
6、气固相催化反应速率的表示 反应量 反应速率 (反应区域)(反应时间) 上式中的反应区域，气固相催化反应有几种选择： (1)选用催化剂体积，反应速率单位为 kmol/(m3催化剂.h) (2)选用催化剂质量，反应速率单位为 kmol/(kg催化剂.h) (3)选用催化剂堆积体积，即反应器中催化剂床层体积，反应 速率单位为 kmol/(m3床层.h) 速率控制步骤：某一步骤的速率与其他各步的速率相比 要慢得多，以致整个反应速率取决于这一步的速率。（外 扩散控制、内扩散控制、表面过程控制） 当反应过程达到定态时，各步骤的速率应该相等，且反 应过程的速率等于控制步骤的速率。
二、固定床反应器内的传质与传热
1、固定床反应器中的传质
（1）、外扩散过程 固定床一般都在较高流速下操作，主流体与催化剂外 表面之间的压差很小，因此，外扩散的影响可以忽略。 （2）、内扩散过程 催化剂微孔内的扩散对反应速率影响很大。反应物进 入微孔后，边扩散边反应。扩散速率与反应速率的大小， 进行如下方法判别。 a、催化剂有效系数进行判别
当η≈1时，反应过程为动力学控制； 当η＜1时，反应过程为内扩散控制。 实际生产中采用的催化剂，其有效系数为0.01～1。可 通过实验测定。 内扩散对反应的影响：影响反应速率、影响复杂反应的 选择性。 改善内扩散影响的措施：制造孔径较大的催化剂、改变 催化剂工程结构 （3）、床层内的混合扩散 流体流经固定床时径向、轴向混合同时存在。 当反应器长度和催化剂粒径之比大于100时，轴向混合影 响可忽略不计。