化学反应工程固定床反应器

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化学反应工程(第九章气-液-固三相反应工程)

加了液相，增加了气体反应组分通过液相的扩散阻力。
易于更换、补充失活的催化剂，但又要求催化剂耐磨损。使用三相流化床或三相携带床时，则存在液-固分离的技术
问题，三相携带床存在淤浆输送的技术问题。
3. 气、液并流向上休系的操作流型颗粒运动基本操作方式：固定床、膨胀床（悬浮床）、输送床（携带床）。液体介质的液固系统中固体颗粒终端速度ut：
采用多孔固体催化剂时，可以定义两种润湿率： ①内部润湿或空隙充满率。 ②外部有效润湿率。
图9-6 催化剂颗粒间的液囊和流动膜
4. 床层压力降
单相气体通过固定床的压力降与气体的流速和物性、催
化剂的粒径、形状及催化剂的装填状况等因素有关，可用Ergun式作为计算固定床压降的基本方程。并未计入破碎、积炭、物流中的固体杂物沉积和床层下沉等因素致使随操作后期压力降增加，因此工业反应器开工初期的压力降可称为床层固有压力降。气、液并流下向下滴流床反应器的床层固有压力降，还应考虑液体以液膜的形式在催化剂颗粒表面间流动形成
床层宏观反应动力学91气液固三相反应器的类型及宏观反应动力学92三相滴流床反应器93机械搅拌鼓泡悬浮三相反应器9497压力对三相悬浮床反应器操作性能的影响95气液并流向上三相流化床反应器96三相悬浮床中的相混合98气液固三相悬浮床反应器的数学模型99讨论与分析图95气液井流滴流床流动状态与操作条件气液并流向下固定床内气体和液体的流动状态可以分为稳定流动滴流区脉冲流动区和分散鼓泡区如图95流动状态一气液并流向下通过固定床的流体力学气液稳定流动滴流区当气速较低时液体在颗粒表面形成滞流液膜气相为连续相这时的流动状态称为滴流状
rA, g dNA/dVR k AG a(cAg c Aig ) kALa(cAiL c AL ) kAS Se(c AL c AS ) kwSeρ sw c AS ζ 向气－液界面传质速率向液相主体传质速率向催化剂外表面传质速率催化剂内的扩散 - 反应速率

化学反应工程第六章固定床反应器

一、颗粒层的若干物理特性参数
密度
– 颗粒密度ρp
• 包括粒内微孔在内的全颗粒密度；
– 固体真密度ρs
• 除去微孔容积的颗粒密度；
– 床层密度/堆积密度ρB
• 单位床层容积中颗粒的质量（包括了微孔和颗粒间的空隙）；
p s (1 p ) B p(1 B )
一、颗粒层的若干物理特性参数
i
Wi FA0
i
xi dx A
r xi1
i

也即
Z 0 Ti

xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A

0
i 1,2, N
min
Z 0
xi

1 ri
xA xi

1 ri 1
xA xi
0
i 1,2, N 1
对 Z 0 的处理 Ti
Z
Ti Ti
xi dx A
r xi1
i
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A

0
i 1,2, N
按中值定理：
Z
Ti
xi x i 1
Ti

1 (
ri
)dx A
（xi

x
i
1
)

Ti
• 双套管式、三套管式
流体流向：轴向、径向
固定床反应器的数学模型
拟均相数学模型：
忽略床层中颗粒与流体之间温度和浓度的差别 –平推流的一维模型 –轴向返混的一维模型 –同时考虑径向混合和径向温差的二维模型

化学工程中的反应器选择

化学工程中的反应器选择反应器是化学工程中不可或缺的设备，用于进行化学反应和生产化学产品。

在化学工程设计中，选择适合的反应器类型对于反应效率、产量和产品质量至关重要。

本文将介绍几种常见的反应器类型及其适用情况，帮助读者在化学工程中做出明智的反应器选择。

一、批式反应器批式反应器是最简单、最常见的反应器类型之一。

它适用于小规模生产、实验室研究以及不需要连续运作的反应过程。

批式反应器的工作原理是将反应物一次性放入反应器中，进行反应后收集产物。

由于反应物在反应过程中减少，反应速率会逐渐降低。

批式反应器的优点是灵活性高，可以适应多种反应条件和反应物。

此外，批式反应器的设计相对简单，成本较低。

然而，批式反应器的劣势在于产能有限，操作时间较长，不适合大规模生产。

二、连续流动反应器连续流动反应器是将反应物以连续流动的方式加入反应器中，产物也以连续流动的方式从反应器中取出的反应器类型。

连续流动反应器适用于需要持续反应、高产率和高纯度产品的生产过程。

在连续流动反应器中，反应物的浓度可以更好地控制，反应条件也更稳定。

连续流动反应器的优点是生产能力强，可通过调整流速和反应时间来控制产量。

此外，连续流动反应器对于热量和质量传递较好，反应效率较高。

然而，连续流动反应器的设计和操作相对复杂，需要更高的设备投资。

三、搅拌式反应器搅拌式反应器是在反应物中使用机械搅拌器以提高混合效果的反应器类型。

搅拌式反应器适用于需要均匀混合反应物、提高传质速率的反应过程。

搅拌式反应器通常使用罐式反应器或管式反应器。

搅拌式反应器的优点是混合效果好，反应均匀。

此外，它适用于多相反应和固液反应，并且对于控制反应温度有较好的性能。

然而，搅拌式反应器的劣势在于能耗较高，同时对于粘稠液体和纤维状物料的反应较为困难。

四、固定床反应器固定床反应器是将催化剂装填在固定床中进行反应的反应器类型。

固定床反应器适用于需要高催化活性、选择性和长寿命的反应过程。

固定床反应器通常使用管式反应器或者多孔载体。

固定床、移动床、流化床反应器区别详解

固定床、移动床、流化床反应器，这三种反应器被誉为是工业生产中不可或缺的重要设备。

它们虽然都是制造工业生产中的设备，但它们各有所长，各有其优缺点。

一、首先，“床”指的是什么？大量固体颗粒堆积在一起，便形成了具有一定高度的颗粒床层，这就是名称里的"床"。

这些固体颗粒可以是反应物，也可以是催化剂。

二、如何区分固定床、移动床、流化床反应器如果这个颗粒床层是固定不动的，就叫固定床。

如果这个颗粒床层是整体移动的，固体颗粒自顶部连续加入，又从底部卸出，颗粒相互之间没有相对运动，而是以一个整体的状态移动，叫做移动床。

当流体（气体或液体）通过颗粒床层时，进行反应。

如果将流体通过床层的速度提高到一定数值，固体颗粒已经不能维持不变的状态，全部悬浮于流体之中，固体颗粒之间进行的是无规则运动，整个固体颗粒的床层，可以像流体一样流动，这即是流动床。

下面，小七为大家详细的介绍这三种反应器。

三、固定床反应器又称填充床反应器，内部装填有固体催化剂或固体反应物，以实现多相反应。

固体物通常呈颗粒状，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。

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。

1、优点•催化剂机械磨损小。

•床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。

•由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率。

•可在高温高压下操作。

2、缺点•固定床中的传热较差。

•催化剂的再生、更换均不方便，催化剂的更换必须停产进行。

•不能使用细粒催化剂，但固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。

目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。

固定床生物反应器

反应物系沿床层轴向位置而变化。
反应体系多为液-固两相体系，液体通过床层空隙而流动，床层压力较大。
床层内可能存在
填充床反应器 PBR
反应物系的扩散
对反应速率的限
制作用。
床层轴向常会存在宏观混合，即返混。
根据液相物料的流向方向，填充床反应器又可分为上行方式和下行方式。
填充床生物反应器
1 2 3
葡萄糖异构化。
青霉素选择性水解反应。
氨基酸消旋混合物的选择性反应分离。
固定床反应器的应用
以固定化细胞为催化剂的
固定化酵母生产乙醇。
废水的生物处理。
利用滴流床反应器制备生物柴油的研究
目前制备生物柴油一般采用间歇式搅拌釜，该工艺存在原料消耗大、反应耗能大及反应效率低等问题。张冠杰等人首次采用自制的滴流床反应器进行醇解反应制备生物柴油，实现了改善反应物接触状况、降低能耗及连续生产等目的。
床内没有换热装置
特点：反应器结
构简单，生产能力大。
适合热效应不大、反应对温度的要求较宽的反应。
缺点：反应过程
中温度变化较大。
绝热式固定床反应器
多段绝热式固定床反应器
根据段间反应气体的冷却或加热
特点：催化剂床层
方式，多段绝热床
又分为中间间接换热式和冷激式。
的温度波动小。
缺点：结构较复杂，催
影响滴流床反应器操作特性的主要因素有：
1、固定化颗粒床层所具有的表面积。 2、床层被下降液体所湿润的程度。 3、气、液的流动模式。
滴流床反应器
按床层与外界的传热方式分类，可有以下几类：
绝热式固定床反应器
固定床反应器

固定床反应器的操作与控制—固定床反应器工艺计算

n
dP xidi i 1
2、调和平均直径
1 n xi
dP d i1 i
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。
三、空隙率（ε）催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比。
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
影响因素越接近球形
越紧密越不均匀
越光滑
为降低热点温度，减少轴向温差，工业上从工艺上采取措施，其思路是调整放热速率或移热速率。
0302-6 固定床反应器的工艺计算
总结固定床反应器的工艺计算内容和计算方法固定床反应器的工艺计算，一般包括催化剂用量、反应器床层高度和直径、传热面积及床层压力降的计算等。
固定床反应器的工艺计算，主要有经验法和数学模型法。
务点及其要求
0302-1 固体催化剂基础知识理解催化剂的作用、基本特征，固体催化剂的组成、性能及其表征 0302-2 气固相反应宏观过程了解气固相反应特点，理解气固相反应宏观过程，了解气固相反应本征动力学及
宏观动力学的含义 0302-3 固定床反应器内的流体流动及压力降计算理解气固相流体流动相关的特性参数，了解流体在固定床中流动的特性，会应用
项目03 乙苯脱氢反应器的设计与选型任务0302 乙苯脱氢反应器工艺设计
任务引入：
中山石化原3万吨/年苯乙烯，采用绝热式固定床反应器，试根据以下条件：主反应：
C6H5-C2H5→C6H5CH = CH2+Ｈ2 （△H=124KJ/mol）副反应： C6H5-CH2CH3 →C6H6+C2H4 工艺条件：反应温度：550～650 ℃; 常压; 蒸汽 / 乙苯质量比：8：1; 催化剂：沸石催化剂或EBZ-500 沸石催化剂; 年生产时间为8300小时，乙苯总转化率达40%，选择性为96%，空速为4830h-1,催化剂堆积密度为1520Kg/m3，生产中苯乙烯的损失可忽略. 确定（1）催化剂用量；（2）床层的压力降；（3）所需换热面积。

化学反应工程：固定床反应器

B
式中，RH —— 水力半径。
6.2.2 床层压降床层压降是固定床反应器设计的重要参数，要求床层压降不超过床内压力的15%。床层压降的计算（1）
p d S 2 u L m
3 B 150 1 R 1.75 B eM
h0可由经验公式计算
（6-31）
h0 d p
d p e 2 (b) [a1 ] dt y
（6-32）（适用范围：y > 0.2）
式中， y —— 无量纲数
4e L 4(d p / dt )(L / dt )(e / ) y 2 Gcp dt Pr Rep
b —— 无量纲数
（6-44）
其中
Re G /(Se )
6.3 拟均相一维模型
概述
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。根据流动形式还可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。二、非均相模型考虑颗粒与流体之间的温度差和浓度差。一般来说，模型考虑得越全面，对过程模拟越精确，但计算工作量也越大，甚至无法求解。因此，在工程计算允许的误差范围内应尽可能选用简单模型。
流体与颗粒间传热温差的计算热量平衡
H ArA hp am (tG tS ) hp amt
式中，am Se / B —— 单位重量催化剂的外表面积； —— 床层比表面积Se的校正系数。
球形： 1 圆柱形： 0.9 片状： 0.81 无定形： 0.9 ；；；

化学反应工程-19-第六章-气固相催化反应固定床反应器

2、二维模型中 hW 的计算：、的计算：模型认为温度沿着径向形成了一个分布，故 t m没有意义。这时床层向壁的传热速率：
dS =
6VS SS
西勒模数就是以d 为定型尺寸的。西勒模数就是以 S为定型尺寸的。形状系数的概念，表示：形状系数的概念，以 ϕ S 表示：
ϕS =
SV SS
2 SV = πd V （和粒子具有相同体积的球形颗粒的外表面积）
d ϕS = V d a

2
2、粒子群、对于大小不等的混合颗粒，平均直径为：
空隙率分布的影响：空隙率分布的影响：直接影响流体流速的分布，进而使流体与颗粒、床层与反应器壁之间的传热、传质行为不同，流体的停留时间也不同，最终会影响到化学反应的结果。
为减少壁效应，要求床层直径（dt）至少为粒径（dP）的八倍以上。
二、颗粒的定型尺寸颗粒的定型尺寸常用粒径来表示： 1、单个粒子、粒径d 粒径 P：对球形催化剂，应用一个参数dP即可完整描述颗粒的全部几何性质，即自由度为1；对规则形催化剂，如圆柱形，用两个参数如h、d即可；对不规则颗粒，也是用两个参数来描述颗粒的几何性能：一是当量直径；另一是形状参数。
d S u0 ρ g
6.1.2固定床内的传热固定床内的传热床层尺度上的传热过程包括四个方面：床层尺度上的传热过程包括四个方面： ①颗粒内部的传热 (λ P ) ；
( ②颗粒与流体之间的传热α g ) ；
③床层整体有效导热系数 (λe ) ； ④床层和反应器壁之间的传热 (h0、hW ) 。对于①中λP，见第十七讲《非等温反应宏观动力学方程》。它的大小往往由固体颗粒自身的性质粒内孔隙情况决定的，颗粒内的传热主要是以热传导形式进行的。对于②中的αg第十七讲中已经讨论过。现重点讨论③和④ ！现重点讨论③

反应工程第二版第六章气固相催化固定床反应器

dxA RA B
dl
u0cA0
：催化剂堆密度
B
dxA
RA B
dl u0cA0
L 0
dl u0
cA0
xA出 0
dxA
RA B
•
•
对照平推流反应器模型二者相同
VR V0
cA0
dx xA出
A
0 rA
23
• 热量衡算：（仍然是那块体积）
输入热量－输出热量+反应热效应
=与外界的热交换+积累
x1in,T1in x1out, T2in x2out T3in x3out T4in x4out
35
x
在T－x图上看：
0
二氧化硫氧化反应T－x图示意
T
斜线为段内操作线，斜率为1/λ。水平线表示段间为间接冷却，只是温度降低，转化率不变。
36
• 调用最优化程序，就可以求得W最小值？
• 可以，但很困难。
输入：G cp T G质量流量, cp恒压热容
输出：G cp(T+dT)
反应热效应：(-RA)(1-εB)(-ΔH)Aidl
热交换：U(T-Tr)πdidl
di反应器直径
积累：0
U:气流与冷却介质之间的换热系数
Tr：环境温度
24
• 将各式代入，得
dT
RA 1 B H U
4 di
T
Tr
dl
ucp g
粒径 ds/mm 质量分率 w
3.40 0.60
4.60 0.25
6.90 0.15
• 催化剂为球体，空隙率εB=0.44。在反应条件下气体的密度 ρg=2.46kg.m-3 ，粘度 μg=2.3×10-5kg.m-1s-1 ，气体的质量流速 G=6.2kg.m-2s-1。求床层的压降。

各种反应器特点优缺点及应用

各种反应器特点优缺点及应用反应器是化学工程中用于进行化学反应的设备。

根据不同的反应类型、工艺要求和操作条件，不同类型的反应器具有不同的特点、优缺点和应用。

下面将简要介绍几种常见的反应器及其特点、优缺点和应用。

1.批量反应器批量反应器是最简单的一种反应器，适用于小规模生产和常规实验室反应。

其特点如下：-特点：操作简单，投料灵活，适用于多种反应类型；-优点：可以实现灵活的反应过程控制，易于升级和调整；-缺点：反应过程中温度、压力和混合程度可能不均匀，反应时间较长，生产周期较长；-应用：广泛应用于实验室研究和小规模生产中，例如有机合成、催化反应等。

2.连续流动反应器连续流动反应器是在反应物连续流动的条件下进行反应的反应器，其特点如下：-特点：反应物连续流动，反应发生在管道或管束中，进出料稳定；-优点：反应时间短，反应物浓度稳定，产物纯度高，废液排放量少，能耗较低；-缺点：操作条件相对复杂，设备成本较高，不适用于反应物稳定性较差的反应；-应用：广泛应用于底物稳定性较好的化学反应，如合成化学和催化反应等。

3.管式反应器管式反应器是一种连续流动反应器，具有管状结构，反应物在管内流动进行反应。

其特点如下：-特点：反应物在直管中流动，具有较大的接触面积和较高的传热效率；-优点：反应时间短，反应速度快，能够实现高温反应和高压反应；-缺点：管内积垢和堵塞的问题较突出，操作不够灵活，难以对反应过程进行调控；-应用：广泛应用于有机合成、聚合反应、氧化反应等。

4.搅拌式反应器搅拌式反应器是一种常见的批量反应器，其特点如下：-特点：反应物在搅拌器的作用下进行混合和反应；-优点：能够实现较好的混合程度，反应均匀，温度、压力和浓度控制相对容易；-缺点：能耗较高，产物分布不均匀，反应速率受到混合效果的影响；-应用：广泛应用于有机合成、聚合反应、酯化反应等。

5.固定床反应器固定床反应器是将催化剂固定在固体床上进行反应的反应器-特点：催化剂固定，反应物流经固体床进行反应；-优点：反应过程相对稳定，操作简单，可以持续生产较长时间；-缺点：反应物质传质受到限制，催化剂活性容易降低，床层温度不易均匀；-应用：广泛应用于催化反应，如重油加氢、氯化反应等。

年产5万吨甲醛生产用固定床反应器设计

年产5万吨甲醛生产用固定床反应器设计 Yibin University化学反应工程课程设计题目50×104ty甲醛生产用固定床反应器设计专业学生姓名学号年级指导教师职称博士后副教授化学与化工学院二〇一三年六月目录50×104ty甲醛生产用固定床反应器设计 1Fixed-bed Reactor Design of 50×104ty Formaldehyde 1 1 概述211 银法制甲醛生产工艺 212 铁钼催化氧化法 22 原料辅助原料产品的主要技术规格 421 银法和铁钼法生产甲醛的技术经济指标 422 原辅料规格及消耗配比 423 产品质量标准 53 反应工段工艺简介 64 反应工段工艺计算741 催化反应过程的物料衡算7411 计算用原始数据7412 化学反应742 合成甲醛过程的热量衡算9421 各物质比热容的计算9422 各物质焓值的计算105．反应器工艺尺寸计算1251 反应器型式的确定1252 合成甲醛反应器几何尺寸的确定12521 设计依据12523 列管根数的确定15524 列管式固定床反应器壳体内径的确定15 6 设计体会18参考文献1950×104ty甲醛生产用固定床反应器设计摘要选用铁钼法以甲醇空气和水蒸气为原料经预热反应换热后得甲醛产品设计5万吨工业级甲醛根据反应特征采用等温固定床列管式反应器物料衡算确定了反应器的工艺参数类型及特征尺寸容器内径1500 mm列管根数为1805根三角形排列管长6000mm关键词甲醛设计反应器Fixed-bed Reac tor Design of 50×104ty FormaldehydeAbstract Industrial grade formaldehyde of 50 000 ton per year was designed via iron molybdenum process methanol air and water vapor as raw material by preheating the reaction and heat transfer According to the reaction characteristics isothermal packed-bed reactor tube was chose and at same time according to material balance process parameters type and feature size determine The reactor diameter is 1 500 mm the number of tubes is 1805 equilateral triangle arranged and the length of tube is 6000mmKey words Formaldehyde Methanol Design Fixed-bed reactor1 概述甲醛是最简单的醛结构简式为HCHO通常把它归为饱和一元醛但它又相当于二元醛甲醛是一种无色具有刺激性且易溶于水的气体易溶于水醇和醚甲醛在常温下是气态通常以水溶液形式出现它有凝固蛋白质的作用其35～40的水溶液通称为福尔马林常作为浸渍标本的溶液甲醛是一种重要的有机原料为较高毒性的物质在我国有毒化学品优先控制名单上甲醛高居第二位甲醛属用途广泛生产工艺简单原料供应充足的大众化工产品是甲醇下游产品种中的主干甲醛除可直接用作消毒杀菌防腐剂外合成树脂表面活性剂塑料橡胶皮革造纸染料制药农药照相胶片炸药建筑材料以及消毒熏蒸和防腐过程中均要用到甲醛人造板工业发达对甲醛的需求量甚大甲醛的用途非常广泛可以说甲醛是化学工业中的多面手甲醛的生产方法有多种目前工艺比较成熟的有甲醇空气氧化法其中包括甲醇过量法和空气过量法甲缩醛氧化法其中利用甲醇空气氧化法生产甲醛主要有两类不同的工艺[1]其一是采用银催化剂的甲醇过量法也称银催化法简称银法其二是采用铁钼氧化物催化剂的空气过量法也称铁钼催化法简称铁钼法11 银法制甲醛生产工艺银法制甲醛是早期生产甲醛的主要方法是在过量甲醇甲醇蒸汽浓度控制在爆炸区上限37％以上条件下甲醇汽空气和水汽混合物在金属型催化剂上进行脱氢-氧化反应通常采用Ag催化剂故称为Ag该方法是用银作催化剂最好使用电解银催化剂甲醛的收率可达87甲醇与空气的混合物为原料在固定床反应器中进行催化氧化反应生成甲醛反应温度在550～700℃之间甲醇空气在蒸发器汽化后再加入一定量的水蒸汽形成三元混合气经过过热和过滤后在电解银催化剂作用下生成甲醛甲醛反应气经过急冷段和冷却段回收部分热量后用脱盐水吸收得到37～40的甲醛产品12 铁钼催化氧化法我国采用铁钼法生产甲醛虽在60年代已经开始使用但技术进展缓慢由于催化剂性能和工艺控制问题生产水平较低直到90年代引进国外成套设备技术后才改变了我国铁钼法甲醛生产水平不如银法的状况铁钼氧化物催化剂属甲醇单纯氧化制甲醛工艺在空气过量的情况下进行以体积计为94左右甲醛几乎全部被氧化其触媒是一种铁和钼氧化物的混合物以片状球型或者颗粒形式装入管式氧化器列管中开车时由管间的导热油循环加热到260℃氧化反应发生后由导热油拆热装置运行相当稳定性能重现性非常好抗氧化性优良能在较低的温度下300～380℃进行反应从而减少副反应的产生具有较高的选择性可不通过精馏直接获得低醇的55左右的高浓度甲醛由于催化剂装填在列管内能够很好地把握床层的均匀度不会出现裂缝翻身等现象固催化剂的寿命长达一年以上2 原料辅助原料产品的主要技术规格21 银法和铁钼法生产甲醛的技术经济指标表1 银法和铁钼法生产甲醛的技术经济指标对比项目银法铁钼法投资比 100 115～130 甲醇单耗kgt 445～470 420～437 项目银法铁钼法能耗节余美元t 62 119 生产成本比10 10 反应温度37 7 甲醇质量分数600～700 280～350 催化剂寿命月3～6 12～18 甲醛质量分数37～40 55～60 产品醇含量4～8 05～15 产品酸含量100～200 200～300 收率86～90 95～98 组分电解银或载体银Fe-Mo 对毒物敏感大小失活原因烧结或中毒Mo升华综上可知我组选择铁钼催化法生产甲醛22 原辅料规格及消耗配比表2 原辅料规格及消耗配比原辅料规格配比摩尔比原料甲醇99 36 原料空气100 1 催化剂和985 2～3之间23 产品质量标准表3 铁钼法生产甲醛的产品组成外观无色透明液体无机械杂质无游离水甲醛含量甲醇含量酸含量㎎㎏37～55005～15200～3003 反应工段工艺本设计所采用的生产工艺流程[3]如下将含量约为84％的甲醇在甲醇预热器中预热到沸点然后再通过蒸发器在其沸点下将甲醇从液态变为气态然后和经空气预热气预热的空气混合其中空气中所含氧气的含量约为10％再经过一个预热器将混合气体升温到进入反应器进行反应最终获得纯度为37的产品甲醛图1 反应工段工艺流程图4 反应工段工艺计算本工艺[4]是在压力为1个大气压温度为350 ℃下在铁钼催化剂上进行的等温气固相催化反应41 催化反应过程的物料衡算411 计算用原始数据此处所选的原始数据均为年产5万吨甲醛的中间试验数据进入反应器时甲醇含量约为84氧气含量约为10体积分数进料空气和甲醇的摩尔比为36表4 原料气的组成摩尔比CH3OH O2 H2O N2 10 8 52 29 412 化学反应主反应[5]平行反应表5 反应中涉及到的物质的相对分子质量CH3OH O2 HCHO N2 H2 CO H2O 32 32 3003 28 2 28 18 413 物料衡算过程催化合成甲醛过程是一个连续流动反应在定态下其物料衡算基本公式本工艺计算[6]以生产5万吨甲醛按300天计工业级别的甲醛质量分数为37则每小时生产工业级别的甲醛的量为其物质的量为并以其为基准4141 反应器进口物料的计算根据表3表5中各组分的数据计算可得纯甲醇的物质的量空气的物质的量氧气的物质的量氮气的物质的量水蒸气的物质的量表6原料气的组成及含量物质摩尔分数物质的量kmolh10 9006 8 6809 52 4460129 25290 4142 反应器出口物料的计算未反应的甲醇的物质的量[7]生成甲醛的物质的量水蒸气的物质的量未反应的氧气的物质的量氮气的物质的量二氧化碳的物质的量一氧化碳的物质的量甲烷的物质的量氢气的物质的量甲酸的物质的量表7 反应器出口主要气体的组成及含量物质摩尔分数物质的量kmolh0004 36 009 8556059 53229 003 2479028 25290 001 901 42 合成甲醛过程的热量衡算热量衡算[8]过程以常压下的气体为计算基准反应气体于常压下进入反应器在催化剂作用下进行恒温反应反应器出口气体以离开反应器总的热量衡算式为421 各物质比热容的计算每个组分的热容与温度的函数式即CpabTcT2表8 各物质平均温度为的物性物质2817 6297 -07494 2733800 2732 6226 -09502 2733800 2916 1449 -2022 27338001840 10156 -2868 2731000Cp28176297×10-3T－07494×10-6T2Cp27326226×10-3T－09502×10-6T2Cp29161449×10-3T－2022×10-6T2Cp184010156×10-3T－2868×10-6T2把T3352731560815K带入上述公式得Cp28176297×10-3×60815 －07494×10-6 5731523172同理可计算其他物质的比热容[9]其结果如下表表9 各物质在平均温度为的物质 3172 3075 3722 6956 422 各物质焓值的计算计算焓时的参考态350℃101325Kpa各物质均为气态故反应器出口各物质的焓为零又甲醇的消耗量为由得即为了维持反应器内温度为350℃应每小时从反应器移走的热量43 导热油用量的确定列管式固定床反应器的壳程走导热油移走反应放出的热量使导热油从200 ℃升温到320 ℃表10 导热油的物性数据名称平均分子量密度比热容汽化热导热系数导热油 252 1005 240 272 0458 由得导热油用量5．反应器工艺尺寸计算51 反应器型式的确定选择并确定工业反应器的型式和结构一要掌握工业反应器的要求根据反应工程的理论对反应过程作出合理的反应器类型选择二要熟悉和掌握各种反应器的类型及其基本传递特征固定床反应器是用来进行气固催化反应的典型设备按操作及床层温度分布的不同可分为绝热式等温式和非绝热非等温三种类型常用的固定床反应器下部设有多孔板板上放置固体催化剂颗粒气体自反应器顶部通入流经催化剂床层反应后自反应器底部引出催化剂颗粒保持静止状态故称固定床反应器当用于反应器热效应较小的场合时反应器传热问题易于解决其反应器直径较大设备为简单的筒体式合成甲醛的反应器有很多类型但是由于合成甲醛的反应是一个放热反应反应热效应大为使反应始终处于较高的速度进行必须及时移走反应热量因此按照不同的移热方法反应器可分为等温固定床列管式和绝热冷激型多段式两大类由于等温固定床列管式反应器温度便于控制目前采用较多所以工艺采用等温固定床列管式反应器这种反应器的优点是采用管束式合成塔这种合成塔的温度几乎是恒定的反应温度恒定的好处一是有效抑制了副反应二是催化剂的使用寿命长52 合成甲醛反应器几何尺寸的确定在工程上要确定反应器的几何尺寸首先得确定一定生产能力下所需的催化剂容积再根据工程实验所提供的反应器资料最后确定出反应器的几何尺寸521 设计依据生产规模50000 ta 37年生产时间7200 h即300 d甲醛生产能力Wp522 催化剂容积的计算5221 催化剂用量的计算合成甲醛的反应是一个气固相催化反应催化剂的用量需要根据反应工程上通过单位催化剂列物料衡算的动力学方程才能得出合成甲醛的动力学方程为其中M甲醇O氧气W水式中各物质摩尔分数的计算合成甲醛的反应在转化率为96时到达平衡达平衡时总的物质的量为则各物质的摩尔数分别表示为求解动力学方程由定义有查得令即则两边同时积分得其中用辛普森数值积分法求解定积分数值积分法[10]为其中实用于奇数个数据点n为偶数f的角标代表选取数据点的编号且点与点之间等间距表11 与的关系0 012 024 036 048 060 072 084 0964167531968499615133920123448694432258则3417因此催化剂所需质量反应采用的催化剂为铁钼催化剂铁钼比在2128间最佳为25催化剂成圆环状粒度为50mm×20mm×35mm堆密度为比表面积为54故反应所需的体积523 列管根数的确定根据中间试验的结果列管规格为Φ25×2 5mm 管长为l6 m解方程得n1805 根524 列管式固定床反应器壳体内径的确定由公式[11]式中D壳体内径 mmt管中心距 mm横过管束中心线的管束b 一般取 mm管子采用正三角形排列故带入公式得标准化后D1500 mm核算过程管长和壳径应相适应一般取LD为46对该反应器因此所设计的反应器符合实际情况53 等温固定床列管式反应器的设计计算结果表12 等温固定床列管式反应器的设计计算结果序号项目数据 123456789101112 列管式反应器入口温度列管式反应器出口温度反应压力原料甲醇的量原料空气的量原料水蒸气的量催化剂床层高度塔径催化剂用量列管根数列管规格管子排列方式165℃350℃1大气压9006kmolh32422kmolh8557025kmolh6m15m307735kg1805根Φ25×25mm 三角形排列参考文献[1] 周万德．甲醛生产操作技术[M]．北京化学工业出版社2009．[2] 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第五章固定床气-固相催化反应器

连续换热式固定床催化反应器的分类
⑴按反应管的形式，可分为：单管式、双套管式和三套管式 ⑵按热源，可分为：外热式和自热式，又分有内冷自热式、外冷列管式、外部供热管式三种。 ⑶按冷热气体的流向，可分为：并流式和逆流式 ⑷按反应气体在催化床中的流动方向，可分为：轴向反应器和径向反应器。
自热式反应器
缺点：结构较复杂，设备费用高。适用: 能适用于热效应大的反应。原料成本高，副产物价值低以及分离不是十分容易的情况。
加压热水作载热体的反应装置
以加压热水作载热体的固定床反应装置示意图
1-列管上花板；2-反应列管；3-膨胀圈；4-汽水分离器；5-加压热水泵
用有机载热体带走反应热的反应装置：
反应器外设置载热体冷却器，利用载热体移出的反应热副产中压蒸汽。 1-列管上花板； 2、3-折流板； 4-反应列管；
外冷列管式催化床
用于放热反应，催化剂装载在管内，以增加单位体积催化床的传热面积。载热体在管间流动或汽化以移走反应热。载热体的选择：合理地选择载热体是控制反应温度和保持稳定操作的关健。载热体的温度与催化床之间的温差宜小，但又必须移走大量的反应热。反应温度不同，选用的热载体不同。
一般反应温度在200—250℃时，采用加压热水汽化作载热体而副产中压蒸汽；反应温度在250~300℃时，可采用挥发性低的有机载热体如矿物油，联苯—联苯醚混合物；反应温度在300℃以上时，采用熔盐作载热体，熔盐吸收的反应热都用来产生蒸汽。无机熔盐(硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物, KNO353%，NaNO37%，NaNO240% ) 可用于300～400℃的情况。
（1）列管式固定床反应器这种反应器由多根管径通常为25~50㎜的反应管并联构成，但不小于25mm。管数可能多达万根以上。管内装催化剂，催化剂粒径应小于管径的8倍，通常固定床用的粒径约为2～6mm，不小于1.5mm。载热体流经管间进行加热或冷却。在管间装催化剂的很少

化学工程中的反应器选择原则

化学工程中的反应器选择原则在化学工程中，反应器的选择是非常重要的，它直接影响到反应的效率、产品的质量以及生产成本。

合理选择反应器有助于提高生产效率、降低能耗和减少环境污染。

本文将介绍化学工程中的反应器选择原则。

1. 反应物种类及反应条件反应物的种类和反应条件是选择反应器的基本依据。

不同的反应物需要不同的反应器来提供适当的反应环境。

例如，液相反应常用的反应器有批式反应器、连续流动反应器和搅拌槽式反应器，而气相反应常用的反应器有固定床反应器、流化床反应器和往复式压缩机反应器。

2. 反应速率反应速率的快慢也是选择反应器的重要因素之一。

对于快速反应，通常选择能提供大的接触面积和较快传质速率的反应器，如搅拌槽式反应器。

而对于慢速反应，则需要选择具有较大的体积和低的传质速率的反应器，如固定床反应器。

3. 反应热效应某些反应会伴随着放热或吸热效应。

选择合适的反应器可以更好地控制反应温度，避免温度过高或过低对反应产生负面影响。

例如，选择具有良好换热能力的反应器，如管壳式反应器或卧式反应器，可以更好地控制反应温度。

4. 反应器的可操作性反应器的可操作性也是选择的重要考虑因素之一。

反应器的操作应方便、易于控制，并能够满足工艺上的要求。

例如，在高温高压反应中，选择能够承受高温高压的反应器，如高压搅拌槽式反应器或自动控制压力的容器等。

5. 产品纯度要求根据对产品纯度的要求，选择适当的反应器也非常重要。

某些反应会伴随着副反应或副产物的生成，这些副产物可能会降低产品的纯度或者对设备造成腐蚀。

因此，在选择反应器时需要考虑对副产物或副反应的控制，避免对产品质量造成负面影响。

6. 经济因素在选择反应器时，经济因素也是必须考虑的因素。

反应器的选择不仅要满足技术上的要求，还要考虑到生产成本、设备投资以及维护费用等经济因素。

在满足技术要求的前提下，选择经济性较好的反应器，可以降低生产成本，提高工艺经济效益。

综上所述，化学工程中的反应器选择应综合考虑反应物种类及反应条件、反应速率、反应热效应、反应器的可操作性、产品纯度要求和经济因素等多个因素。

第6章固定床反应器2

为当床层直径与颗粒直径之比达 8 时，可不计壁效应。壁效应影响是指靠近器壁的空间结构与其他部分有很大差别，器壁处的流动状况、传质、传热状况与主流体中也有很大差别。当采用实验规模的小型设备研究传质、传热、反应的规律时，器壁的影响远比大型设备为大。
23
6-9填充床的空隙率
床层空隙率εB
球形
圆柱形不规则
第六章固定床反应器
1
6 . 1 概述
凡是流体通过固定的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都
水蒸气
乙苯
催化剂
称作固定床反应器。
如：气-固相催化反应器、气-固相非催化反应器。
测温口
产品
6-1乙苯脱氢的绝热床反应器
2
一、固定床反应器的特点 1.固定床反应器的优点是：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。
床层空隙率εB
0.4
0
0.5
1
1.5
2
2.5
2
3.5
4
4.5
5
按混合颗粒的平均直径计算离壁距离
28
空管内湍流
2
空管内层流
填充层内气体流动
1
填充层内液体流动
0
29
6.2.2 床层压降
床层压降是固定床反应器设计的重要参数，要求床层压
降不超过床内压力的15%。
气体流动通过催化剂床层的压力降厄根(Ergun)方程计算式：
B
36
dp 1 u2 将d e、um 代入式 f 中得 dl de 2
' 2 u dp 3(1 B ) (um / B ) 1 B m ' f f 3 dl 2 B d s 2 ds B 2

化学工程中的反应器设计

化学工程中的反应器设计在化学工程中，反应器设计是至关重要的一个环节。

一个好的反应器设计能够提高生产效率，降低投资成本，确保产品质量，并且减少环境污染。

本文将介绍反应器设计的基本原理和常见的反应器类型，并探讨一些反应器设计中需要考虑的关键因素。

反应器是化学反应过程中最常用的设备之一。

它是将反应物转化为所需产物的容器，在整个过程中起着决定性的作用。

反应器设计需要综合考虑多种因素，包括反应动力学、传热与传质、流体力学和材料的选择等。

一、反应器的基本原理反应器设计的基本原理是实现所需反应条件，使反应物尽可能地转化为产物，并控制反应速率以避免副反应和过程失控。

为了实现这些目标，我们需要了解反应动力学和反应环境的影响。

反应动力学是研究反应速率和反应机理的科学。

通过实验和模型建立，我们可以获得反应动力学数据，并构建适当的反应模型。

基于反应动力学，我们可以确定反应温度、压力、混合程度等操作条件，为反应器设计提供指导。

反应环境的影响也是反应器设计中需要考虑的因素之一。

例如，氧气和湿度对一些反应是重要的因素，需要在设计过程中充分考虑。

此外，反应物的浓度、酸碱度、催化剂等也会对反应器设计产生影响。

二、常见的反应器类型根据反应过程的不同要求，设计出了多种不同类型的反应器。

下面我们介绍几种常见的反应器类型。

1. 批量反应器（Batch Reactor）批量反应器是最简单、最常见的反应器类型之一。

它是一个密闭的容器，在一定时间内将反应物加入反应器中反应，然后将产物从反应器中取出。

批量反应器适用于小规模实验、多种反应物的反应和反应物浓度变化较大的情况。

2. 持续流动反应器（Continuous Flow Reactor）持续流动反应器是反应物连续流入，产物连续流出的反应器。

它可以根据需要进行连续的供料和产物提取，适用于大规模生产和长时间连续反应的情况。

常见的持续流动反应器类型包括管式反应器、搅拌槽反应器等。

3. 固定床反应器（Fixed Bed Reactor）固定床反应器是将催化剂或吸附剂装填在一定形状的床层中，通过流体在固定床上流动实现反应的一种反应器类型。

化工中常见三种反应器

化工生产中常见的反应器药物工程系石化（03 ）班姚春飞零一一年十二月七日固定床反应器定义：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。

它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时, 床层则填装固体反应物。

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，流体通过床层进行产物E4 三圾鲍热式页定床反应器反应。

它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、烃类蒸汽转化炉等特征：优点：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。

缺点：①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温。

②操作过程中催化剂不能更换。

应用:基本化学（烃类水蒸气转化、一氧化碳变换、氨合成甲醇合成）石油化工工业（催化重整加氢、脱烷基异构化）流化床反应器简介：流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。

在用于气固系统时，又称沸腾床反应器结构：流化床反应器的结构有两种形式：①有固体物料连续进料和出料装置，用于固相加工过程或催化剂迅速失活的流体相加工过程。

例如催化裂化过程，催化剂在几分钟内即显著失活，须用上述装置不断予以分离后进行再生。

②无固体物料连续进料和出料装置，用于固体颗粒性状在相当长时间（如半年或一年）内，不发生明显变化的反应过程。

固定床反应器的设计计算

四、固定床反应器的设计计算固定床反应器的设计方法主要有两种：经验法和数学模型法。

经验法的设计依据主要来自于实验室、中间试验装置或工厂实际生产装置的数据。

对中间试验和实验室研究阶段提供的主要工艺参数如温度、压力、转化率、选择性、催化剂空时收率、催化剂负荷和催化剂用量等进行分析，找出其变更规律，从而可预测出工业化生产装置工艺参数和催化剂用量等。

固定床反应器的主要计算任务包含催化剂用量、床层高度和直径、床层压降和传热面积等。

(一)催化剂用量的计算经验法比较简单，常取实验或实际生产中催化剂或床层的重要操纵参数作为设计依据直接计算得到。

1．空间速度空间速度Sv指单位时间内通过单位体积催化剂的原料处理量，单位为s-1。

它是衡量固定床反应器生产能力的一个重要指标。

(2-36)式中：2．停留时间停留时间r指在规定的反应条件下，气体反应物在反应器内停留的时间，单位为s。

式中：；停留时间与空间速度的关系为。

(二)反应器床层高度及直径的计算催化剂的用量确定后，催化剂床层的有效体积也就确定。

很明显，床层高度增高，床层截面积将变小，操纵气速、流体阻力(动力)将增大；反之，床层高度降低必定引起截面积(直径)增大，对传热晦气或易发生短路等现象。

因此，床层高度与直径应通过操纵流速、压降(即动力消耗)、传热、床层均匀性等影响因素作综合评价来确定。

通常，床层高度或直径的计算是根据固定床反应器某一重要操纵参数范围或经验选取，然后校验其他操纵参数是否合理，如床层压降不超出总压力的15％。

床层高度与直径的计算步调如下。

蒋文举主编.大气污染控制工程.高等教育出版社,2006.11.第四节影响催化转化的因素影响催化净化气态污染物的因素很多，但主要有反应温度、床层气速、操纵压力和废气的初始组成。

一、温度催化反应是在催化剂的介入下进行的，反应的快慢与催化剂的活性有关。

催化剂活性又与反应温度密切相关，因而对于伴随热效应的催化反应，温度的调节和控制对净化设备的生产能力、净化效果均有很大影响。

固定床反应器

编辑ppt
固定床反应器
不同的传热要求和传热方式
单段绝热式
二段
绝热式多段绝热式
反应特征
三段
四段
段间反应中间间接换热式
气冷却或
原料气冷激式
加热方式冷激式非原料气冷激式
加压热水（＜240℃）
换列管式反应器导热油（250~300 ℃）
热式
熔盐（＞300 ℃）
自热式
反应气的流动方向
乙炔法合成氯乙烯反应为放热反应109kJ/mol，利用高位槽或加压泵强制循环换热，水温靠调节阀控制压力来调节。
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固定床反应器
热载体：水、高压水：100~300℃ 导生油：200~350℃
熔盐：300~500℃ 烟道气：600~700℃
特点：换热效果好、床温均匀，但结构较复杂。
应用：热效应大、温度要求均匀控制的场合
产品原料
原料
间接换热
冷激剂
产品
原料冷激
非原料
多段固定床绝热反应器
固定床反应器类型
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列管式固定床反应器
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逆流
并流
不同流向的自热式固定床反应器的轴向温度分布示意图
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固定床反应器类型
（a）
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（b）
固定床反应器类型
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6.2 固定床的传递特性
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产品原料
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产品原料
原料
间接换热
冷激剂
产品
原料冷激
非原料
多段固定床绝热反应器
固定床反应器类型
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固定床反应器类型

化学反应工程习题-第六章：固定床反应器

第六章固定床反应器1.凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作_______。

（固定床反应器）2.固定床中催化剂不易磨损是一大优点，但更主要的是床层内流体的流动接近于_______，因此与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。

（平推流）3.固定床中催化剂不易磨损是一大优点，但更主要的是床层内流体的流动接近于平推流，因此与返混式的反应器相比，可用_______的催化剂和_______的反应器容积来获得较大的生产能力。

（较少量、较小）4.目前描述固定床反应器的数学模型可分为_______和_______的两大类。

（拟均相、非均相）5.描述固定床反应器的拟均相模型忽略了粒子与流体之间_______与_______的差别。

（温度、浓度）6.描述固定床反应器的数学模型，忽略了粒子与流体之间温度与浓度的差别的模型称之为_______。

（拟均相模型）7.描述固定床反应器的数学模型，考虑了粒子与流体之间温度与浓度的差别的模型称之为_______。

（非均相模型）8.描述固定床反应器的拟均相模型，根据流动模式与温差的情况它又可分为平推流与有轴向返混的_______模型，和同时考虑径向混合和径向温差的_______模型。

（一维、二维）9.固定床中颗粒的体积相当直径定义为具有相同体积P V 的球粒子直径，表达式V d =_______。

（3/1)/6(πP V ）10.固定床中颗粒的面积相当直径是以外表面P a 相同的球形粒子的直径，表达式a d =_______。

（π/P a ） 11.固定床中颗粒的比表面相当直径是以相同的比表面V S 的球形粒子直径来表示，表达式S d =_______。

（V S /6） 12.对于非球形粒子，其外表面积P a 必大于同体积球形粒子的外表面积S a ，故可定义颗粒的形状系数=S ϕ_______。

（P Sa a /） 13.颗粒的形状系数S ϕ对于球体而言，=S ϕ_______，对于其他形状的颗粒S ϕ_______。