固定床反应器设计计算
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)
项目三固定床反应器的计算.详解
若采用正三角形排列，则：
AR Nt 2 sin 600
4 AR D
12
2e
三、催化剂床层传热面积的计算
催化剂床层所需的传热面积为：
A Q Kt m
床层传热面积校核：
A A需
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。
SG WW WS WG WS
在单位时间内单位质量（体积）催化剂由于反应消耗的原料质量， 5. 床层线速度与空床速度 床层线速度是指在规定条件下，气体通过催化剂床层自由截面积的流 速，即： u 即： u 0
V0 AR
V0 AR
空床速度是在规定条件下，气体通过（空）床层截面积的流速，
固定床反应器参数敏感性
在反应操作过程中，当反应系统中某一个参数的微小变化引起其它参数
发生了重大变化，这种现象称为参数的灵敏性。
一、绝热式固定床反应器的参数灵敏性
绝热式固定床反应器的返混很小，不存在反应器的整体的热稳定性。反 应器各处状态仅决定于进口条件，因此，绝热式固定床反应器床内参数的灵 敏性是一个重要的问题。
数学模型法的工作步骤：
① 通过实验和其他途径深入认识实际过程，把握过程的物理实质和影响 因素，并尽可能区分主次；
② 根据研究的目的，对实际过程做出不同程度的简化，建立物理模型；
③ 对物理模型进行数学描述，建立模型方程（组）； ④ 通过实验测定和参数估值确定模型方程中所含模型参数的数值；
⑤ 进行模拟计算，将计算结果和实验结果进行比较。准体积流量，即:
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。
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。
固定床反应器吊盖设计及相关计算
＝
１ １ ７ ３ ｋ ｇ ／ ｃ ｍ ＜【 ｏ】 ＝１ ５ ０ ０ ｋ ｇ ／ ｃ ｍ
２ ． １ ． ２ 竖 直 时 板 耳 最 大 剪 切 应 力
２ 吊盖 设计 与相 关计 算
计算公式采用式 ２ ．
— —
Ｐ
６￥ （ Ｒ — ｒ ） 代人数值计算 ：
ｒ＝ ＝ ８ ６ ３ Ｒ ｇ ／ ｃ ｍ２ ＜ ［ ｒ】 ＝１ ２ ０ ０ ｋ Ｉ ５ ９
Ｅ＆ Ｃ Ｔ ｅ Ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ 。 ｇ ｙ
—＿ ＿ ｊ 甄 一
［ 。 １ ＝ ＝Ｑ ！ 。 曼 ＝ ２ ６ ３６ Ｍ Ｐａ
．
向的分力对摩擦力 的影响 ， 其过程如下所述 。
（ ２ ） 起吊工况强度校核 螺柱 尺寸 Ｍ９ ０×Ｐ ， 螺距为 Ｐ ， 数量 ２ ０个， 螺柱小径 ｄ 。 。
关键词 固定床反应器 吊盖设计 吊盖有关力学计算 吊盖螺栓强度校核
中图分类号 Ｔ Ｑ ０ ８ ２
文献标识码 Ｂ
文章编 号 １ ６ ７ ２ — ９ ３ ２ ３ （ ２ ０ １ ６ ） ０ ６ — ０ ０ ５ ９ — ０ ２
１工程概 况
陕西延长石油安源化工 １ ０ ０ 万 ｔ ／ ａ煤 焦油加氢项 目 （ 一期） 加氢 装置 中的固定床反 应器 重 ６ １ ７ ｔ ， 高４ ３ ｍ； 固定床反 应器 三段 到货 ， 现场组焊 ， 整体 吊装。设备 参数表见表 ｌ 。
结论 ： 此 吊盖满足 吊装要求 。
图 １吊盖设计 图
２ ． ２吊盖螺栓预紧力计算
２ ． ２ ． １吊盖所 用螺栓 预紧力计算
根据设备重量 ， 充分考虑 动载及不均衡系数 ， 按 １ ． ５倍设计
吊盖 ， 即 １ ０ ０ ０ ｔ 吊盖 设 计 计 算 。 吊盖 设 计 图如 图 １ 所示 。
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 level1.空间速度：Space velocity[]1-=h V V S RONV ~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 timeV V R ετ= ~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 ==pT Tp S p T Tp V V p T TpV V VR ON ON 0000000εετ===∴代入a p p K T 300103.101273⨯==，3.空时收率：Space time yield(STY)SGW 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：εR 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。
固定床反应器设计
孔隙率分布
4、流体在固定床中流动的特性
流体在固定床中的流动情况较之在空管中的流动要复杂得多。 固定床中流体是在颗粒间的空隙中流动，颗粒间空隙形成的孔道 是弯曲的、相互交错的，孔道数和孔道截面沿流向也在不断改变。
空隙率是孔道特性的一个主要反映。在床层径向，空隙率分布的 不均匀，造成流速分布的不均匀性。
催化剂微孔内的扩散过程对反应速率有很大的影响。反应物进入微孔后， 边扩散边反应。如扩散速率小于表面反应速率，沿扩散方向，反应物浓度 逐渐降低，以致反应速率也随之下降。采用催化剂有效系数对此进行定量 的说明。
实际催化反应速率 催化剂化剂内表面与外温度, 浓度相同时的反应速率
rP rS
结论：当 ≈1时，反应过程为动力学控制，当 ＜1时，反应过程为内
扩散控制。
内扩散不仅影响反应速率，而且影响复杂反应的选择性。如平行反应中， 对于反应速率快、级数高的反应，内扩散阻力的存在将降低其选择性。又 如连串反应以中间产物为目的产物时，深入到微孔中去的扩散将增加中间 产物进一步反应的机会而降低其选择性。
注意事项：
固定床反应器内常用的是直径为3~5mm的大颗粒催化剂，一般难 以消除内扩散的影响。实际生产中采用的催化剂，其有效系数为 0.01～1。因而工业生产上必须充分估计内扩散的影响，采取措施 尽可能减少其影响。在反应器的设计计算中，则应采用考虑了内扩 散影响因素在内的宏观动力学方程式。
外扩散过程
流体与催化剂外表面间的传质。
NA kcASe 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。
结论：外扩散的影响也可以忽略。
固定床反应器的设计计算
固定床反应器的设计计算
首先，确定反应器尺寸是固定床反应器设计的首要任务。
反应器的大
小取决于所需的反应物流量、反应速率以及反应物在催化剂上的接触效果等。
一般来说，如果催化剂的活性较高，可以选择较小的反应器尺寸，以
便增加接触效果和提高反应速率。
其次，确定催化剂床层数也是设计中的一个关键步骤。
催化剂床层数
的选择与反应物的转化率和选择性有关。
催化剂床层数较大时，反应物的
转化率和选择性可能会提高，但也会增加反应器的装填材料和能量损失。
因此，需要根据具体情况进行综合考虑，确定合适的床层数。
然后，确定反应条件是固定床反应器设计的重要因素之一、反应条件
包括反应温度、反应压力和反应物的进料浓度等。
这些参数的选择应根据
反应物的特性、反应速率常数以及副反应的发生情况等因素进行综合判断。
另外，反应温度还会对反应热平衡和反应速率等方面产生影响，需要通过
热力学计算和实验验证来确定。
最后，热力学参数也是固定床反应器设计中必须考虑的因素。
热力学
参数包括反应热和化学平衡等。
反应热的计算可以通过热力学数据以及反
应物的物化性质进行估算。
而化学平衡的考虑可以通过化学平衡常数和反
应物浓度的估计来确定。
综上所述，固定床反应器的设计计算涉及的内容较为复杂，需要综合
考虑反应器尺寸、催化剂床层数、反应条件和热力学参数等因素。
设计计
算的目标是确定合适的反应器尺寸和操作条件，以实现高效的反应产率和
选择性。
同时，还需要关注反应器的稳定性和运行寿命，对反应器进行适
当的改进和优化。
环氧乙烷固定床反应器设计
第三章
3.1
目前，我国工业生产环氧乙烷的方法有氯醇法和直接氧化法两种，直接氧化法又分为乙烯空气氧化法及乙烯氧气氧化法。
(1)氯醇法
氯醇法环氧乙烷生产分两步进行：①氯气与水反应生成次氯酸，再与乙烯反应生成氯乙醇；②氯乙醇用石灰乳皂化生成环氧乙烷。
(2)直接氧化法
直接氧化法，分为空气法和氧气法两种。这两种氧化方法均采用列管式固定床反应器。反应器是关键性设备，与反应效果密切相关，其反应过程基本相同，都包括反应、吸收、汽提和蒸馏精制等工序。
环氧乙烷早期采用氯醇法工艺生产，20世纪20年代初，UCC公司进行了工业化生产，之后公司基于Lefort有关银催化剂的研究成果，使用银催化剂，推出空气法乙烯直接氧化生产环氧乙烷工艺。50年代末，Shell公司采用近乎纯氧代替空气作为生产环氧乙烷的氧原料，推出氧气法乙烯直接氧化生产环氧乙烷工艺，经过不断改进，目前较先进的生产方法是用银作催化剂，在列管式固定床反应器中，用纯氧与乙烯反应，采用乙烯直接氧化生产环氧乙烷 。
环氧乙烷可与有机酸、无机酸反应生成相应的酯。环氧乙烷与硝酸反应最为重要，生成的乙二醇二硝酸酯是能在低温下引爆的炸药。
(3)氧化还原反应
在钠汞齐及催化剂存在下环氧乙烷加氢还原生成乙醇，此反应没有工业意义。环氧乙烷在铂黑等催化剂存下可以有控制地氧化成羟基乙酸，最终则被氧化成二氧化碳及水。
化工反应过程之固定床反应器
热传导、 热对流、 热辐射。
热传导、 热对流
傅立叶定律：
dQ dl T
z
牛顿冷却定律：
dQ dA T
z
一般情况下，可以把催化剂颗粒看成是等温体，忽略颗粒内
部、颗粒在流体间和床层径向传热阻力，床层的传热阻力全
部集中在管壁处。这样传热过程的计算就可简化成床层与器
壁之间的传热计算
固定床中的传质传热
固 传热速度方程为 dQ t Tm Tw dF
为了消除壁效应，一般，管径与粒径之比应 大于8。
催化剂床层特性
固定床的当量直径de为水力半径RH的四倍
固 定 床
流道有效截面积 4
de
4RH
4 流道润湿周边长
Se
当 量 直
Se
（1 ）AP
VP
（6 1 ）
dS
径
de
4RH
4
Se
2 3 1
dS
流体在固定床中的流动特性
在固定床中，流体在颗粒间的空隙中流动，流动通 道是弯曲、变径、相互交错的，流体撞击颗粒后分 流、混合、改变流向，增加了流体的扰动程度。
绝热式固定床反应器
中间换热式
多 段
进料
绝
热
式
固
催化剂
定
床
反
应
器
催化剂
中间换热式是指冷、 热流体是通过段间的 换热器管壁进行热量 的交换。其作用是将 换 上一段的反应气体冷 热 却至适宜温度后再进 器 入下一段反应，反应 气体冷却所放出的热 量可用于对未反应的 原料气体预热或通入 外来换热介质移走。 而换热设备可以放在 反应器外
截面积的流速。
u0
V0 AR
固定床的经验法计算
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。
固定床反应器的设计计算
周波主编.反应过程与技术.高等教育出版社,2006年6月.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，找出其变化规律，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括催化剂用量、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作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，操作气速、流体阻力(动力)将增大；反之，床层高度降低必然引起截面积(直径)增大，对传热不利或易产生短路等现象。
因此，床层高度与直径应通过操作流速、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作参数范围或经验选取，然后校验其他操作参数是否合理，如床层压降不超过总压力的15％。
床层高度与直径的计算步骤如下。
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、操作压力和废气的初始组成。
一、温度催化反应是在催化剂的参与下进行的，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，因而对于伴有热效应的催化反应，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。
固定床反应器的工艺计算
固定床反应器的工艺计算固定床反应器是化工工业中常见的反应器之一，广泛应用于催化反应、气体-液体反应、气体-固体反应等领域。
本文将详细介绍固定床反应器的工艺计算，包括反应器设计、反应物的计算和反应的热力学计算等内容，以期为读者提供一些有关固定床反应器的基本知识和实际操作的指导。
固定床反应器设计是反应器工艺计算的核心内容之一、在固定床反应器设计时，要考虑多种因素，包括催化剂的选择、反应床的材料、反应器的尺寸和体积等。
首先，催化剂的选择至关重要，不同的反应需要选择适合的催化剂，催化剂的性能将直接影响反应的效果。
其次，反应床的材料需要具备一定的耐高温、耐腐蚀性能，以保证反应床的稳定性和寿命。
最后，反应器的尺寸和体积需要根据反应物料的量和反应条件进行合理的设计，以实现高效、稳定的反应过程。
反应物的计算是固定床反应器工艺计算的重要步骤之一、为了实现良好的反应效果，需要确保反应物的投入量与设计值相符。
反应物的计算要考虑多种因素，包括反应物的化学物质性质、反应物的摩尔量以及反应物的纯度等。
在进行反应物计算时，可以根据反应物的物质性质和反应条件确定反应物的摩尔量，并根据反应物的纯度计算出实际需要投入的反应物量。
反应的热力学计算是固定床反应器工艺计算的另一个重要部分。
在反应过程中，热量的释放或吸收会对反应速率和反应的平衡产生重要影响。
热力学计算主要包括反应焓变的计算和反应热平衡的计算两个方面。
在进行反应焓变的计算时，可以利用热力学数据和反应物的化学物质计算反应的焓变。
反应热平衡的计算则是根据反应物的摩尔比例和反应焓变计算出反应的热平衡常数，以预测反应的方向和平衡状态。
总之，固定床反应器的工艺计算是一项复杂的任务，需要考虑多种因素，包括反应器的设计、反应物的计算和反应的热力学计算等。
通过合理的工艺计算，可以实现反应器的高效、稳定运行，提高反应的产率和选择性，为工业生产提供有力支持。
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
过大，催化剂的填充应力求消除颗粒搭桥形 成的空穴和短路等不均匀现象。因此，在固 定床催化反应器的设计中，就有了列管式和 多层式等多种结构形式。
三、固定床催化反应器的数学模型
大多数研究与设计多采用拟均相一维模
型，在定常态条件下，固定床中进行绝热催
化反应，其物料衡算式、热量衡算式和动量
衡算式如下：
L0LdLuB
固定床反应器
一、固定床反应器的分类 二、固定床反应器放大应考虑的问题 三、固定床反应器的数学模型
一、固定床反应器的分类
固定床反应器广泛应用于氨合成、SO 2 氧
化制 SO 3 、甲烷蒸汽转化、加氢脱硫、丁烯 氧化脱氢、乙烯氧化制环氧乙烷、甲醇氧化 制甲醛、乙醇氧化制乙醛、甲醇合成等工业 过程。
根据以上工艺，固定床反应器大致有一下 一些形式。
（3）间接换热式或冷激式 ，中小型规模采 用的合成塔为间接换热式，大型合成氨厂基 本上采用冷激式合成塔。
（4）多个固定床反应器串联 ，在轻汽油馏 分催化重整中，反应是吸热反应，为使温度 控制在480~500℃ ，防止绝热温降过大，故 采用多个固定床反应器串联。
（5）薄层反应器，对于反应速率非常快的情 况，宜在薄层反应器中进行，如甲醇氧化制 甲醛。
dc cA,0
A
cA (rA)
（5-21）
Gcp(d dT )LB(rA) (Hr) （5-22）
p L
f
(u2
ds
)(13)
（5-23）
式中：L为催化剂床层高度，m；
u为反应器内物料的平均流速，m/s；
c
B为催化剂床层的颗粒堆积密度,kg/m A 为反应物组分A的浓度，kmol/m 3
3
G为单位时间反应物通过单位床层面 积上的质量流量，kg/(m 2 s)
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（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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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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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
对外换热式反应器
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2.固定床反应器---分类（换热）
自热式反应器
传热和温度控制是难点，固定列管式固定床反应器性能较好 反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50; 填充段长与粒径之比大于100(气体)或200(液体)
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的反应。
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1. 固定床反应器---概念
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
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5.设计实例
物料衡算
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5.设计实例
动力学方程
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5.设计实例
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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。
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4.1 等温反应器的计算(P173) 床层温度均匀一致，反应速率常数为常数，反应速度
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。
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2.固定床反应器---分类（换热）
绝热床反应器
多段绝热床反应器
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5.设计实例
反应热公式 平衡常数公式
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4次方
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范德霍夫方程
5.设计实例
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乙二醇分率
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谢谢!
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S B
1 rA
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4.3 列管式固定床反应器设计
结构与列管式换热器相似，反应气体从装填催化剂的 管内流过，管间通入换热介质进行换热。反应管并联连接， 只需计算其中一根管的长度和催化剂装填量。
Enzhou Liu, Northwest University, 于反应器内存在换热，计算中要考虑热量传递的影响。 床层与管壁间的传热量
式中，总括传热系数h0可由Leva公式计算：
(TM TW)
(TM TW)
使用经验关联式时要注意条件和式中各参数的单位。
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床层与管外传热介质之间的总传热系数
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图解法步骤
1）由式（6-60）在 xA~T 图中作绝热操作线； 2）在绝热操作线上读出若干组（ xAi，Ti ）数据； 3）由（ xAi，Ti ）数据计算（-rAi）和1/（-rAi）； 4）作1/（-rA）~ xA曲线。该曲线下方介于0~ xAf之间的面积
大小即W/FA0。 5）床层高度 L W
管内物料和热量衡算 如图，取管内微元长度对组分A进行衡算得：
整理得
该方程组就是列管式固定床反应器的一维拟均相数学模型， 对一定的生产任务，可计算出床层中轴向浓度和温度分布。
四阶龙格-库塔法求解步骤 （1）将微分方程组化成差分方程组
（2）给定边界条件， l0,xAxA 0,TT 0 ，步长 Δl，计算
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
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主要内容
1. 概念 2. 分析（换热） 3. 传递过程 4. 拟均相一维模型 5. 设计实例
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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
L
L
dl
u
dC CA0
A
0
C0 rA
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4.2单层绝热式固定床反应器
定常态操作时，与流动方向垂直的截面上温度、浓度均
匀一致，且不随时间变化。体系的温度和浓度仅随流动方向
的空间位置变化。 取反应器内一微元段进行物料衡算和热量
衡算得：
( rA )dW ( rA )4d t2Bd lF A 0dAx
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5.设计实例
管程中催化剂与壳程沸腾水总传热系数计算
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5.设计实例
床层与管外传热介质之间的总传热系数
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5.设计实例
动量传递
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（3）将xA1、T1、l1作为初值，重复（2）的计算，直至xA≥xAf。
5.设计实例
草酸二甲酯加氢制备乙二醇列管式固定床反应器计算 （一维拟均相等温反应器） 方程式
总反应
4
2
主反应 付反应
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5.设计实例
反应机理
速 率 控 制 步 骤
仅与浓度有关。按一维拟均相处理，设计方法与PFR相似。
对右图固定床反应器取一微元段进行物料衡算
(rA)dW FA0dA x
WdWWxAf dxA
0 FA0 FA0 xA0 (rA)
B为 床 层 密 度 或 堆 积 密 度
W 为 催 化 剂 质 量
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5.设计实例
反应工艺条件
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5.设计实例
计算结果
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5.设计实例
计算结果 w1429N2m 37/h0.0153 22.4 9.6 72 km 4 /h 2 6 o .0 2 l7 60.7 5k2g /h80h00 484k 2/g a 16 4.82万 45/年 吨
W xAf dxA
FA0 xA0 (rA)
T T 0y A 0 ( c P H A )(x A x A 0 )(x A x A 0 ) （6-60）
设计方程和操作方程联立求解，可求W。当动力学方程比 较复杂时，难以得到解析解。一般采用数值积分或图解法计算。
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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
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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)