第二章固定床反应器设计
固定床生物反应器的设计原理
固定床生物反应器的设计原理固定床生物反应器是一种广泛应用于处理废水、废气和固体废弃物的生物处理技术。
它利用生物菌群把有机化合物转化成较为稳定的无机化合物，从而达到减少环境污染和资源回收的目的。
在这种生物反应器中，底部覆盖着一层高孔隙率、低压降的固定床，生物菌群附着在固定床上进行处理。
设计固定床生物反应器需要考虑很多因素，包括床层材料、填料性质、进出口管道布局、氧气供应等等。
以下将详细讨论这些因素在设计过程中的重要性和影响。
床层材料固定床生物反应器的床层材料通常选择聚合物材料。
这种材料不仅具有良好的化学稳定性和机械强度，而且也能提供较大的表面积和孔隙率，方便生物菌群定居和生长。
此外，床层材料应该有一定的柔韧性，以便应对各种应变载荷。
填料性质填料是固定床生物反应器的关键组成部分，对于反应器的最终效果影响深远。
填料应当有较大的表面积和孔隙率，以便生物菌群能够更有效地站稳和生长。
同时，填料还应当有良好的物化性质，如疏水性或亲水性，以保证生物菌群能够充分接触有机废物并将其分解。
进出口管道布局进出口管道是固定床生物反应器中一个特别重要的设计要素，决定了反应器的进出料和废物排放。
在设计过程中，管道应当被布置在合适的位置，以保证应力分布均衡和温度控制合适。
管道的直径和交叉角度也应当尽可能设计得合适，以确保流体的均匀流动和混合。
氧气供应氧气供应是生物菌群进行分解反应的必要条件。
设计固定床生物反应器时，氧气的供应应当被特别考虑，以保证反应器内部的氧气浓度达到最佳的水平。
在供氧管道内，氧气的输送要均匀，并且应当具有一定的流速和压力。
总之，固定床生物反应器的设计需要考虑到众多因素，如床层材料、填料性质、进出口管道布局、氧气供应等等。
有效的设计能够提高其处理效率和稳定性，达到良好的环境保护和资源回收的目的。
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
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。
固定床反应器设计[字编辑]
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fM（?EdrfuSgu02 n?1??）3??L
fM
? 修正摩擦系数
fM
? 150 Re M
? 1 .75
Re M
?
修正雷诺数
Re M
?
dS ? fu0 ?f
???1
1 ?
?
??? ?
dSG
?f
???1
1 ?
?
?? ?
具体的计算公式
： 当 Re M ＜10 时 流体处于滞流状态，
? P ? 150 ? fu0 ??1 ? ??2 L
处理方法
? 对于这样复杂的传热过程，根据不同情况和要求，作不同程度的简 化处理。
? 如多数情况下，可以把催化剂颗粒看成是恒温体，而不考虑颗粒内 的传热阻力。除了快速强放热反应外，也可以忽略催化剂表面和流 体之间的温度差。
? 床层内的传热阻力是不能忽视的。为了确定反应器的换热面积和了 解床层内的温度分布，必须进行床层内部和床层与器壁之间的传热 计算。针对不同的要求也有不同的计算方法。如为了计算反应器的 换热面积，可以不计算床层内径向传热，而采用包括床层传热阻力 的床层对壁给热系数计算；
? 在固定床反应器中，由于催化剂粒径不能太小，故常常 采用多孔催化剂以提供反应所需要的表面积。
? 结果：反应主要在内表面进行，内扩散过程则直接影响 着反应过程的宏观速率。
外扩散过程
? 流体与催化剂外表面间的传质。
? ? N A ? k cA Se? 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。
dV
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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）
Enzhou Liu, Northwest University, Xi’an
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)
Enzhou Liu, Northwest University, Xi’an
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）
Enzhou Liu, Northwest University, Xi’an
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
根据化工产品的生产条件和工艺要求进 行固定床反应器的工艺设计。
一、固体催化剂基础知识
（一）催化作用与催化剂 1、定义：催化剂是一种物质，它能够加速反应的速率而
不改变该反应的标准自由焓的变化，这种作用称为催 化作用。 2、催化剂组成与功能 绝大多数固体催化剂工业催化剂有三类可以区分的组分， 即：①活性组分；②助催化剂；③载体。 3、催化剂性能与标志 必须具备高活性，合理的流体流动性质及长寿命这三个条 件。
2．平衡的供应链和倾斜的供应链
根据供应链容量与用户需求的关系可以划分为 平衡的供应链和倾斜的供应链。一个供应链具有一 定的、相对稳定的设备容量和生产能力（所有节点 企业能力的综合，包括供应商、制造商、运输商、 分销商、零售商等），但用户需求处于不断变化的 过程中，当供应链的容量能满足用户需求时，供应 链处于平衡状态，而当市场变化加剧，造成供应链 成本增加、库存增加、浪费增加等现象时，企业不 是在最优状态下运作，供应链则处于倾斜状态。
(二)工业催化剂的制备 1、沉淀法 2、浸渍法 3、混合法 4、熔融法 5、离子交换法 6、催化剂的成型
二、气固相催化反应动力学基础
(一)气固相催化反应速率的表示
反应速率
反应量 (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)
要认识到现代物流企业的开放性，企业你中有我，我中 有你，任何企业都不能独立运作，只有合作才能实现共赢。
【引入案例】 沃尔玛的供应链物流战略
在1979年，凯玛特是零售业的巨头之一，拥有1891家商 店，平均每家商店的收入为725万美元。当时的沃尔玛只是美 国南方的一个小零售商，只有229家商店，每家商店的收入也 只是凯玛特的一半。在十余年时间里，沃尔玛改变了自己。 1992年，沃尔玛的每平方英尺的销售额最高，并且在所有零 售商中，其库存周转次数和运营利润都是最高的。如今，沃 尔玛是世界上最大、利润最高的零售商。沃尔玛是如何成功 的呢？其起点在于坚持不懈地致力于满足顾客的需要。它的 目标是保证顾客无论何时何地都能买到所需的商品，以及优 化成本结构，提供具有竞争力的定价。实现这个目标的关键 在于使库存的连续补充成为其核心战略。通过直接转运技术， 商品被源源不断地送达沃尔玛的仓库，在那里商品不作停留 就被分送到各商店。这个战略大大降低了沃尔玛的销售成本， 并使其向顾客提供天天低价成为可能。 沃尔玛的物流战略是什么？以后如何转向或改变经营战略？
固定床反应器设计计算
固定床反应器设计计算固定床反应器是化工领域中常见的一种反应器类型，特点是固定催化剂床，反应物通过固定床的床层进行反应，反应产物从固定床的出口处得到。
固定床反应器设计是化工生产中的重要环节，涉及反应器的尺寸、催化剂的选择、操作条件的确定等方面。
下面将介绍固定床反应器设计的基本原理和计算方法。
1.催化剂床的选择：催化剂床的选择应根据反应物的性质和反应条件来确定。
常见的固定床催化剂床有球形、多孔材料和填料等，催化剂床的选择应考虑到活性、稳定性和成本等因素。
2.反应器尺寸的确定：反应器尺寸的确定与催化剂床的选择等因素有关。
反应器的长度、直径、催化剂床的高度等参数需要根据反应物的流量、反应速率和传质传热等条件进行计算。
3.操作条件的确定：反应器的操作条件包括温度、压力和流量等参数，这些参数的确定与反应物的性质、反应速率和反应体系等因素有关。
操作条件的设计需要尽可能提高反应速率和产物的选择性。
1.传质和传热计算：传质和传热是固定床反应器中重要的过程，需要考虑到传质和传热的速率以及催化剂床的吸附和扩散等因素。
传质和传热计算可以通过质量传递和能量传递方程进行，根据质量传递和能量传递方程可以计算出反应器中流体的温度和浓度分布。
2.反应动力学计算：反应动力学是固定床反应器设计中的关键环节，可以通过实验和理论模型来确定反应物的反应速率和产物的选择性。
反应物的反应速率可以通过实验测定得到，也可以通过理论模型进行计算。
反应物的选择性可以通过反应速率常数和转化率来计算。
3.负载平衡计算：固定床反应器的负载平衡是指催化剂床的催化剂负载均匀性和催化剂的失活过程。
负载平衡计算需要考虑到催化剂床的催化剂负载情况和催化剂的失活速率。
催化剂的负载均匀性可以通过实验和模拟计算得到，催化剂的失活过程可以根据反应动力学和传质传热过程进行计算。
以上是固定床反应器设计的基本原理和计算方法的介绍，固定床反应器设计是化工生产中的一个重要环节，需要充分考虑到传质和传热、反应动力学和负载平衡等方面的因素来确定反应器的尺寸和操作条件。
第二章(2)气液固三相浆态床反应器
流型
当淤浆的性能可作为拟液体时，如颗粒直径≤50µ m， 且固含率不超过16％，气—液两相流动的流动状态分区图 可适用于气—液—固三相鼓泡淤浆反应器。 上述流型间的过渡条件与液体特性、气体分布器的设 计、颗粒特性及床层尺寸等因素有关。 对于高粘度的流体在很低的表观气速下可形成栓塞流。 气体分布器如采用微孔平均直径低于150µ m的素烧陶 瓷板，当表观气速达0.05～0.08m／s时，仍为气泡分散区。 当多孔板孔径超过lmm时，气泡分散区仅存在于很低的表 观气速。 所以，鼓泡淤浆床反应器能否使用图2流动状态分区图 需视淤浆及分布器等具体情况而定。
催化剂不会像固定床中那样产生烧结
浆态反应器的缺点
液相是热载体时，要求所使用的液体为惰性，不与其中某一 反应物发生任何化学反应。要求蒸气压低、热稳定性好，不 易分解，并且其中对催化剂有毒的物质含量合乎要求；如进 行氧化反应时，耐氧化的惰性液相热载体的筛选是一个难点。 催化剂颗粒较易磨损，但磨损程度低于气—固相流化床。 气相呈一定程度的返混，影响了反应器中的总体速率。
浆态床反应器的流体力学
流型
固体完全悬浮的临界气速 气含率
气泡尺寸和分布
流型
鼓泡淤浆床反应器其流体力学特性与气液鼓泡反应器相 同或相接近。
Deckwer等发表了气体 分布器工作良好情况 下气液两相鼓泡反应 器的流型。
0.88
CL 对于无机电解质的水 CS 溶液， ＝0.364。 为单位体积淤浆中 的固体质量，kg／m3。 为气—液鼓泡塔的气 含率。
气含率
图7 固体颗粒浓度及塔径对气含率的影响
气泡尺寸与分布
气泡尺寸及分布，可用摄像技术，或探头技术测量， 在两相气—液鼓泡床或三相鼓泡淤浆床体系中，气泡 在分布器的小孔或喷嘴处形成。 当气泡上升时，它们可能因合并而增大，或因液相中 的湍流剪切力而分裂成更小的气泡。 在给定的条件下气泡在小孔或喷嘴处形成的尺寸大致 是均一的。 气泡的平均尺寸通常采用Sauter平均值(或称体积—表 面积平均值)，对于一组实测的气泡直径，其Sauter平 均值可用下式表示： ni 是尺寸为的气泡的数目 d bi可以为任意的当量直径 d n d3 / n d2
化工过程开发3固定床反应器的设计
单位体RH积＝床层流道的润润湿湿周面边积长 实＝际总上的小湿于润面Se积 ＝ Se
Se－床层中均匀颗粒的比表面积，即单位体积床层中颗粒的外表面积
ds－比表面当量直径
ds
6V p ap
固定床动量衡算式
流体流过固定床时所产生的压力损失主要来自两方面：（1 ）颗粒的粘滞曳力，即流体与颗粒表面间的摩擦；（2）由
称为临界流化速度umf。
气流输送阶段：当流体速率更高时，如超过图中的E点时，整个床层 将被流体所带走，颗粒在流体中形成悬浮状态的稀相，并与流体一 起从床层吹出，床层处于气流输送阶段。E点之后正常的流化状态被
破坏，压降迅速降低，与E点相应的流速称为最大流化速度ut 。
(2) 临界流化速度umf • 临界流化速度可以通过P与u关系进行测定，也可以用公
1 xA
A yA0
xA
Gcp T T0 ΔHr cA0u0 xA xA0
T
T0
ΔHr cA0u0
Gc p
xA
xA0
xA
xA0
基本概念
空隙率 p ，颗粒密度或表观密度；堆密度B 和真密度t
B p 1 t 1 p 1
固定床的当量直径de=4RH（水力半径）
c A0 u0
dxA dL
Gc p
dT dL
H r
cA0 u0
dxA dL
积分得 Gcp T T0 ΔHr cA0u0 xA xA0
T
T0
ΔHr cA0u0
Gc p
xA
xA0
xA
xA0
c p 平均温度及平均组成下反应混合物的定压热容
单段绝热床有时受到温度和浓度的限制而需要用多段绝热 反应器完成。 对简单反应过程，其优化要求是希望在最少的催化剂用量 下完成，即在最大反应速率下进行。 对可逆放热反应则存在最佳温度分布。 对于复杂反应过程，为了追求高选择率，不仅对温度有限 制，有时还要求某一组分是低浓度。这时就不能期望用单 段绝热床达到这些要求，工业上往往采用多段式绝热操作 。 换热方式：间接换热式、直接换热式或冷激式
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。
固定床反应器的设计与分析
床层的传热系数ht的经验计算式
对于球形颗粒：
htdt
f
2.03Re0.8exp(6dP/dt)
(6.2-5)
此式的适用条件为 20＜Re＜7600 及 0.05＜dP／d t＜0.3。d t 为床层直径，dP为颗粒比外表面积相当直径。Λf为流体的 导热系数。
若颗粒为圆柱形
htdt
f
1.26Re0.95exp(6dP/dt)
(6.2-6)
此式的应用范围是20＜Re＜800，0.03＜dP／d t＜0.2。 ※ hf不能用以计算床层的径向温度分布。
TC
T0
Tf Tf
T0
逆流
并流
图6.1-3 自热式反应器示意图
整理课件
整理课件
7.2 固定床中的传递过程
一、床层空隙率
表征床层结构的主要参数为床层空隙率，床层 空隙率的大小与颗粒形状、粒度分布、颗粒直径 与床直径之比以及颗粒的充填方法等有关。
固定床中同一横截面上的空隙率是不均匀的， 对于粒度均一的颗粒所构成的床层，在与器壁距 离为1～2倍颗粒直径处，空隙率最大，床层中心 较小，这种影响，叫做壁效应。
★ 由于在生产流程中，流体的压头有限，床 层压降往往有重要影响，因此一般固定床中 的压降不宜超过床内压力的15％。所以颗粒 不能太细，而且最好都能做成圆球状，气流 速度也应适可而止，因为流速与压降是平方 关系，它比其它因素对压降更为敏感。
整理课件
★ 如果填充物料是一些不同尺寸的颗粒，或是一
些细长形的颗粒，则易产生空隙率不均匀而形成 偏流。对于列管式反应器，往往有上千根管子都 要装填催化剂，因此要求各管装量相同，压降均 等，否则气体偏流的结果，将使各管反应程度不 一，温度不一，和失活速度不一，从而使产品的 数量和质量都受到严重影响。
固定床反应器的工艺设计
固定床反应器的工艺设计固定床反应器是一种常见的化工设备，用于进行气体相催化反应，广泛应用于石油化工、化学工业等领域。
其工艺设计主要包括催化剂选择、反应器尺寸确定、流体力学设计和工艺参数确定等方面。
首先，催化剂的选择是固定床反应器工艺设计的核心之一。
催化剂的选择要考虑反应物的性质、反应条件和反应产物要求等因素。
常见的催化剂有贵金属系催化剂、氧化铝、硅负载催化剂等。
选择合适的催化剂不仅要考虑其催化性能，还要考虑催化剂的抗毒性、抗烧结性等因素。
接下来是反应器尺寸的确定。
固定床反应器的尺寸主要包括反应器直径、高度和床层厚度等。
反应器直径的确定要考虑气体分布均匀性和催化剂利用率等因素。
反应器高度的确定则要考虑反应物在反应过程中的转化率和反应物的停留时间。
床层厚度的确定要考虑反应物在固定床中的扩散速度和反应物的速度等因素。
流体力学设计是固定床反应器工艺设计的重要环节。
要保证流体在固定床中的均匀分布和床层内的有效接触，一般采用多孔介质来增加气流的接触面积。
此外，要考虑流体在固定床反应器中的压降，以确保反应过程中的稳定性。
通过合理设置入口和出口等设备，减少压降是流体力学设计的目标之一。
最后是工艺参数的确定。
固定床反应器的工艺参数包括反应温度、压力和空间速度等。
反应温度的确定要考虑反应物的活化能和热效应等因素。
反应压力的确定要考虑反应平衡和反应物的物性等因素。
空间速度则是反应物进入反应器的流量与催化剂床体积的比值，决定了反应物在固定床中的停留时间和转化率。
综上所述，固定床反应器的工艺设计涉及到催化剂选择、反应器尺寸确定、流体力学设计和工艺参数确定等方面。
只有在这些方面合理设计并综合考虑的基础上，才能实现固定床反应器的高效运行和优化生产。
固定床反应器的工艺设计是化工工程中的重要环节之一，其设计的合理与否直接影响到反应器的运行效果和生产效益。
在固定床反应器的设计中，首先需要选择合适的催化剂。
催化剂的选择应综合考虑反应物的性质、反应条件以及所要求的产物品质等因素。
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。
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固定床反应器类型
原料气
绝热式
催化剂
固定床
反应器
产物
固定床反应器类型
1、绝热式固定床反应器可分为轴向反应器和径向反应器。 (1)轴向绝热式固定床反应器
如图(a)所示。这种反应器结构最简单，实际上是一个容器，催化
剂均匀堆置于床内，预热到一定温度的反应物料自上而下流过床
层进行反应，床层同外界无热交换
固定床的传递特性
2、 床层空隙率 • 单位体积床层内的空隙体积(没有被催化剂占据的 体积，不含催化剂颗粒内的体积)。
空隙体积 颗粒体积 VP B B 1 1 1 床层体积 床层体积 VB P
B－床层堆积密度， P－颗粒密度 • 若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒的床层，其空隙 率与颗粒大小无关。
固定床反应器类型
固定床反应器类型
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。
列管式 固定床
反应器
固定床反应器类型
固定床的传递特性
床层空隙率是一个重要的参数，影响因素是颗粒形状
及大小、粒度分布、颗粒与床层直径比和颗粒的装填 方式。 壁效应 床层空隙率沿床层 径向分布不同，离 壁面约一个粒子直 径处的床层空隙率 最大。
固定床的传递特性
床层内空隙率径向分布不均匀，
引起各处的流速不同，因而床层 内各处的传热和停留时间也不一 样。
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
二、固定床反应器的优缺点
：
1、催化剂不易磨损。
2、传热较差。
3、固定床层内的气相流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性； 4、可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力； 5、结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂； 6、反应器的操作方便、操作弹性较大。
气体自上而下流过床层。
固定床的传递特性
1、颗粒尺寸
颗粒尺寸是颗粒体系的重要参数，常用粒径来表示。球形粒子的粒径是其直径，
其他形状的粒子粒径则需定义。
颗粒的定型尺寸－－最能代表颗粒性质的尺寸为颗粒的当量直径。对于非球形颗
粒，可将其折合成具有相同的体积（或外表面积、比表面积）的球形颗粒，以当
量直径表示。如体积、外表面积、比表面积当量直径。
固定床反应器的优缺点
相对于流化床反应器，固定床反应器缺点 ：
催化剂颗粒较大，有效系数较低； 催化剂床层的传热系数较小，容易产生局部过热； 催化剂颗粒的更换费事，不适于容易失活的催化剂。
三、固定床反应器类型
固定床反应器形式多种多样，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，
）
多段绝热式固定床反应器， 列管式固定床反应器，
自热式反应器。
固定床反应器类型
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
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； 只要增加管数，便可有把握地进行放大； 对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物料来
稀释催化剂
适用: 原料成本高，副产物价值低以及分离不是十分容
易的情况。
固定床反应器类型
原料 催化剂 补充水 蒸汽 调节阀
产物
固定床反应器类型
(2)径向绝热式固定床反应器
如图 (b) 所示。径向反应器的结构较轴向反应器复杂，催化剂装 载于两个同心圆构成的环隙中，流体沿径向流过床层，可采用离
心流动或向心流动。
径向反应器的优点是流体流过的距离较短，流道截面积较大，床 层阻力降较小。
固定床反应器类型
（a）
（b）
固 定 床 反 应 器 类 型
固定床反应器类型
2.多段绝热式固定床反应器
热效应大，常把催化剂床层分成几段 (层)，段间采用间接冷却或原料气 （或惰性组分）冷激，以控制反应温度在一定的范围内 。 图 (c) 是用于 SO2 转化的多段绝热反应器，段间引入冷空气进行冷激。
对于这类可逆放热反应过程，通过段间换热形成先高后低的温度变化，
提高转化率和反应速率。
固定床反应器类型
固定床反应器类型
3.列管式固定床反应器
热效应较大，不宜采用绝热式反应器，可采用换热式固定床反应器。此
设备如同列管式换热器，又称为列管式固定床反应器。
如图(d)所示，反应器由多根反应管并联构成，管径一般为25 ~30㎜，
管数可达万根以上。管内装催化剂，传热介质流经管间进行加热或冷却。
固定床反应器类型
4、自热式反应器
采用反应放出的热量来预热新鲜的进料，达到热量自给和平衡， 其设备紧凑，可用于高压反应体系。
但其结构较复杂，操作弹性较小，启动反应时常用电加热。
四、传热介质
传热介质的选用根据反应的温度范围决定，其温度与催化床的温差宜小，但又
必须移走大量的热，常用的传热介质有： 1.沸腾水：温度范围100~300℃。使用时需注意水质处理，脱除水中溶解的氧。 2.联苯醚、烷基萘为主的石油馏分：粘度低，无腐蚀，无相变，温度范围200~
350℃
传热介质
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。
五、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
内流动更容易达到湍流。
第二章、固定床反应器设计
一、固定床反应器定义
1. 定义：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。固体催化剂颗粒堆积起来所形成的 固定床层静止不动，气体反应物自上而下流过床层， 进行反应的装置称作固定床反应器。
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℃