§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 level
1.空间速度：Space velocity
[]1-=h V V S R
ON
V ~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 time
V V R ε
τ= ~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 ==
p
T Tp S p T Tp V V p T Tp
V V V
R ON ON 00
0000
0ε
ετ===∴代入
a p p K T 300103.101273?==，
3.空时收率：Space time yield(STY)
S
G
W 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：ε
R 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。
根据经验：①取气体各空床速度；
②再计算床层工截面积；
③校床层阻力降；
④确定床层的结构尺寸。
S W
G W W S =
床层截面积：0
u V A R = ~0V 气体体积流量()h m /3
~0u 气体空床速度()h m / 催化剂床层高度：0
0V V u A V H R
R R
== ~R V 催化剂床层体积()3m
绝热反应器（圆筒形状）：2
/1244???
??=∴=ππt R A D D A ~t d 单管内径
列管反应器，管数：H
d V d A n t R t R
2
244π
π== 圆整 壳管式反应器（壳程装催化剂）2
0244d n D A R π
π
-=
ｎ～反应管程数；0d ～反应管外径；Ｎ～实际管数 采用正三角形排列：总面积：e AR D Sin Nt A R 24602
/10
2+???
??==π
三．催化剂床层传热面积的计算
m
t K Q
A ?= Ｑ～热量衡算确定；~m t ?通用公式计算（并、逆流）
Ｋ～取经验数据或计算
四．床层压力降?P 同前
举例：《工厂装备》96P 例３－８
，4101P 已知：略 求：略 解： ①()[][]s m u D V /1077.312.01025.22544352
302--?=???-==ππ
实
②实V T T F =??004.22 ???
? ??=p T Tp V V 00标实 000n R T V p n R T pV == 4.220?=n V
[]s Kmol T T V F /101.1413
2734.221077.34.226500--?=??=?=∴实
③[]Kmol Kg M /67.315.3654.02646.0=?+?=-
()[]
s m Kg A M
F G R 2260/111.002.04
67.36101.1=???==--
π
④()[]
1325200317.01025002.044132731077.34---=????=?==S H D T T V V V S R ON
V π ⑤()[]S V H D V V R 937.010
77.345.01025002.044
5322=????===--πεπετ实实 小结：1.固定床的传质；
2.固定床的传热；
3.固定床的计算。
作业：《工厂装备》101P 习题4
265P 习题4.已知：m L mm n 7.55.227900=?=，根，φ，进料量 39.6[]
35/17.7,108.9,523,m Kg P P K T h Kmol f a =?==ρ， ()球形mm d mK W s P P f a f 3,/0354.0,106.25==?=-λμ
求：床层对壁总给热系数
解：设此反应为放热反应，需移出热量，床层被冷却，床层对壁总给热系数
目录 5.0×104t/y甲醛生产用固定床反应器设计 (1) Fixed-bed Reactor Design of 5.0×104t/y Formaldehyde (1) 1. 概述 (2) 1.1银法制甲醛生产工艺 (2) 1.2铁钼催化氧化法 (2) 2. 原料、辅助原料、产品的主要技术规格 (4) 2.1银法和铁钼法生产甲醛的技术经济指标 (4) 2.2原辅料规格及消耗配比 (4) 2.3产品质量标准 (5) 3. 反应工段工艺简介 (6) 4. 反应工段工艺计算 (7) 4.1催化反应过程的物料衡算 (7) 4.1.1 计算用原始数据 (7) 4.1.2 化学反应 (7) 4.2合成甲醛过程的热量衡算 (9) 4.2.1 各物质比热容的计算 (9) 4.2.2 各物质焓值的计算 (10) 5．反应器工艺尺寸计算 (12) 5.1反应器型式的确定 (12) 5.2合成甲醛反应器几何尺寸的确定 (12) 5.2.1 设计依据 (12) 5.2.3 列管根数的确定 (15) 5.2.4 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 (19)
3.6×104t/y甲醛生产用固定床反应器设计 根据自己的产量确定题目 摘要：本文选用铁钼法，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。设计规模为3.6万吨/年的工业级甲醛。根据反应特征，采用等温固定床列管式反应器，通过物料衡算，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；甲醇；设计；固定床反应器（根据自己的设计选用的路线确定关键词） Fixed-bed Reactor Design of 5.0×104t/y Formaldehyde Abstract: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 6000mm. Key words: Formaldehyde; Methanol; Design; Fixed-bed reactor 请根据自己的设计进行润色修改完善！
化学化工学院 化工专业课程设计 设计题目：管式反应器设计 化工系
化工专业课程设计——设计文档质量评分表（100分） 评委签名: 日期：
目录 绪论 .........................................................错误!未定义书签。1设计内容与方法介绍..........................................错误!未定义书签。 反应器设计概述............................................错误!未定义书签。 设计内容..................................................错误!未定义书签。 生产方法介绍..............................................错误!未定义书签。 反应器类型特点............................................错误!未定义书签。 反应器选择及操作条件说明..................................错误!未定义书签。2工艺计算....................................................错误!未定义书签。 主要物性数据..............................................错误!未定义书签。 计算，确定管长，主副反应收率.............................错误!未定义书签。 管数计算..................................................错误!未定义书签。3压降计算公式................................................错误!未定义书签。4催化剂用量计算..............................................错误!未定义书签。5换热面积计算................................................错误!未定义书签。6反应器外径计算..............................................错误!未定义书签。7壁厚计算....................................................错误!未定义书签。 8 筒体封头计算................................................错误!未定义书签。9管板厚度计算................................................错误!未定义书签。10设计结果汇总...............................................错误!未定义书签。11设计小结...................................................错误!未定义书签。
炔烃液相选择加氢固定床床反应器设计计算 由于固定床反应器具有结构简单、操作方便、 操作弹性大、建设投资低等优点，而广泛应用于各类油品催化加氢裂化及精制、低碳烃类选择加氢精制等领域。将碳四馏分液相加氢新工艺就是采用单台固定床绝热反应器进行催化选择加氢脱除碳四馏分中的乙基乙炔和乙烯基乙炔等。在工业装置中，由于实际所采用的流速足够高，流体与催化剂颗粒间的温差和浓差，除少数强放热反应外，都可忽略。对于固定床反应器来讲最重要的是处理好床层中的传热和催化剂粒子内扩散传质的影响。 一、固定床反应器设计 碳四馏分选择性加氢反应器一般采用绝热固定床反应器。在工程上要确定反应 器的几何尺寸，首先得确定出一定生产能力下所需的催化剂容积，再根据高径比确定反 应器几何尺寸。 反应器的设计主要依据试验结果和技术要求确定的参数，对反应器的大小及高径比、催化剂床层和液体分布板等进行计算和设计。 1. 设计参数 反应器进口温度： 20℃ 进口压力：0.1MPa 进料量(含氢气进料组分) 体积流量：197.8m 3/h 质量流量：3951kg/h 液相体积空速：400h -1 2. 催化剂床层设计计算 正常状态下反应器总进料量为2040m 3/h 液体体积空速400h -1 则催化剂用量3R V V V /S 2040/400 5.1m ===总 催化剂堆密度3850/B kg m ρ= 催化剂质量850 5.14335B B R m V kg kg ρ=?=?= 求取最适宜的反应器直径D: 设不同D 时，其中高径比一般取2-10，设计反应器时，为了尽可能避免径向的影响， 取反应器的长径比5，则算出反应器的直径和高度为：按正常进料量3 2040m h ／及液体 空速400h -1，计算反应器的诸参数： 取床层高度L=5m ，则截面积2R S V /L 5.1/51.02m === 床层直径 1.140D m == 因此,圆整可得反应器内径可以选择1200mm
4.2.3 固定床反应器的常见结构 固定床反应器的结构型式主要分为绝热式和换热式两类，以适应不同的传热要求和传热方式。 1.绝热式固定床反应器 1.1单段绝热式 绝热式固定床反应器甲醇氧化的薄层反应器 1-矿渣棉2-瓷环3-催化剂 1-催化剂 2-冷却器 特点：反应器结构简单，生产能力大。 缺点：反应过程中温度变化较大。 应用：适用于反应热效应不大的放热反应，反应过程允许温度有较宽变动范围的反应；热效应较大的，但对反应温度不很敏感或是反应速率非常快的过程也可适用。 1.2多段绝热床 多段绝热式固定床反应器 (a)、(b)、(c)中间换热式；(d)、(e)冷激式
根据段间反应气体的冷却或加热方式，多段绝热床又分为中间间接换热式和冷激式。 中间间接换热式 特点：催化剂床层的温度波动小。 缺点：结构较复杂，催化剂装卸较困难 应用：适用于放热反应 冷激式 特点：反应器结构简单，便于装卸催化剂，催化剂床层的温度波动小。 缺点：操作要求较高 应用：适用于放热反应，能做成大型催化反应器 2、换热式固定床反应器 按换热介质不同，可分为对外换热式固定床反应器和自热式固定床反应器。 2.1、对外换热式固定床反应器 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，类似于列管式换热器。 列管式固定床反应器 特点：传热面积大，传热效果好，易控制催化剂床层温度，反应速率快，选择性高。 缺点：结构较复杂，设备费用高。 应用：能适用于热效应大的反应。 载热体的选择：一般反应温度在240℃以下宜采用加压热水作载热体；反应温度在250℃～300℃可采用挥发性低的导热油作载热体；反应温度在300℃的则需用熔盐作载热体，如KNO353%，NaNO37%，NaNO240%的
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。
化工与制药学院 课程设计说明书 课题名称:年产?１、5万吨环氧乙烷固定床反应器设计专业班级:2011 级有机与石油化工1 班 学生学号:１10６1７0104 学生姓名:陈正飞 学生成绩: 指导教师:杨昌炎 设计时间:2０15、1、6—2015、01、20
武汉工程大学课程设计任务书 系别化工与制药学院班级有机一班?学生陈正飞 一、设计名称 年产吨环氧乙烷固定床反应器设计 二、任务 根据设计条件,通过物料衡算、热量衡算、反应器得选型及尺寸得确定,计算压降、催化剂得用量等,设计出符合设计要求得反应器，并画出设备得装配图。 三、内容 １、概述 2、环氧乙烷物化性质 3、设计方案 4、设计条件 5、工艺计算 6、设计总结 7、参考文献 四、计划进度 1、发题2０15年１月6日 ２、第一阶段:20１5年1月6日～1月12日?工艺计算与设备计算 3、第二阶段:1月13日~1月18日画图、撰写设计报告、答辩 4、第三阶段:1月19-日~1月2０日?设计答辩 指导老师?杨昌炎?教研室主任?刘生鹏
目录 摘要?I Ａbｓtrａｃt?IＩ 第一章概述1? 第二章环氧乙烷物化性质 ------------------------------------------------------------------------------- 3 2、1 物理性质3? 2、2 化学性质------------------------------------------------------------------------------------------ 4 3、1 环氧乙烷生产艺------------------------------------------------------------------------------- ７ 3、2 环氧乙烷生产得设计方案?８ ３、3、2 工艺参数 ------------------------------------------------------------------------------------ 8 3、3、３环氧乙烷生产工艺流程 ------------------------------------------------------------- 10第四章工艺计算-------------------------------------------------------------------------------------------- 13 4、１设计条件1?３ 4、1、1 反应原理1?３ 4、1、2原料组成1?４ 4、1、３反应器设计条件 --------------------------------------------------------------- 1４ 4、２物料衡算14? 4、3 热量衡算17? 第五章反应器得工艺参数优化-------------------------------------------------------------------------- 21５、１催化剂得用量------------------------------------------------------------------------------ ２1５、2 确定氧化反应器得基本尺寸 ------------------------------------------------------------- 2５ 5、3 床层压力降得计算--------------------------------------------------------------------------- ２6 5、4 传热面积得核算27? ５、４、1 床层对壁面得给热系数27? 5、4、２总传热系数得计算28? ５、4、3 传热面积得核算?２8 5、5 反应器塔径得确定29? 第六章设计参数总结 ------------------------------------------------------------------------------------- ３1第七章安全生产 ----------------------------------------------------------------------------------------- 33第八章三废治理与环境保护---------------------------------------------------------------------------- 3７第九章资金核算 ------------------------------------------------------------------------------------------- 39第十章设计体会-------------------------------------------------------------------------------------------- 41
§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 level 1.空间速度：Space velocity []1-=h V V S R ON V ~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 time V V R ε τ= ~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 == p T Tp S p T Tp V V p T Tp V V V R ON ON 00 0000 0ε ετ===∴代入 a p p K T 300103.101273?==， 3.空时收率：Space time yield(STY) S G W 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：ε R 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。 根据经验：①取气体各空床速度； ②再计算床层工截面积； ③校床层阻力降； ④确定床层的结构尺寸。 S W G W W S =
第六章气-固相催化反应器设计本章核心内容：本章讨论的气固相催化反应反应器包括固定床反应器和流化床反应器。在固定床反应器部分，介绍了气固相催化反应器的各种类型和固定床层的流动特性，给出了固定床反应器的两种设计方法：经验或半经验法和数学模型法。在流化床反应器部分，在对固体颗粒流态化现象和流态化特征参数介绍的基础上，讨论了流化床反应器的分类和工业应用。 6-1 固定床反应器的型式 反应器内部填充有固定不动的固体催化剂颗粒或固体反应物的装置，称为固定床反应器。气态反应物通过床层进行催化反应的反应器，称为气固相固定床催化反应器。这类反应器除广泛用于多相催化反应外，也用于气固及液固非催化反应，它与流化床反应器相比，具有催化剂不易跑损或磨损，床层流体流动呈平推流，反应速度较快，停留时间可以控制，反应转化率和选择性较高的优点。 工业生产过程使用的固定床催化反应器型式多种多样，主要为了适应不同的传热要求和传热方式，按催化床是否与外界进行热量交换来分，分为绝热式和连续换热式两大类。另外，按反应器的操作及床层温度分布不同来分，分为绝热式、等温式和非绝热非等温三种类型；按换热方式不同，分为换热式和自热式两种类型；按反应情况来分，分为单段式与多段式两类；按床层内流体流动方向来分，分为轴向流动反应器和径向流动反应器两类；根据催化剂装载在管内或管外、反应器的设备结构特征，也可以对固定床催化反应器进行分类。图6-1、6-2、6-3分别是轴向流动式、径向流动式和列管式固定床反应器结构示意图。其中，图6-1和图6-2所示的反应器为绝热式，图6-3所示的反应器为连续换热式。 图6-1 轴向流动式图6-2径向流动式图6-3列管式固固定床反应器固定床反应器定床反应器 6-1-1 绝热式固定床反应器 绝热式固定床催化反应器有单段与多段之分。绝热式反应器由于与外界无热交换以及不计入热损失，对于可逆放热反应，依靠本身放出的反应热而使反应气体温度逐步升高；催化床入口气体温度高于催化剂的起始活性温度，而出口气体温度低于催化剂的耐热温度。 1.单段绝热固定床催化反应器
固定床反应器的数学模型 1、概述 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，其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占最主要的地位。如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。此外还有不少非催化的气-固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2)以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。固定床反应器之所以成为气固催化反应器的主要形式，是由于具有床内的流体轴向流动可看作为平推流，在完成同样的生产任务时，所需的催化剂用量(或反应器体积)最小；床内流体的停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性；床内催化剂不易磨损，可以在高温高压下操作等优点，但固定床中传热较差，对于热效应大的反应过程，传热与控温问题就成为固定床技术中的难点和关键，为解决这一问题而提出了多种形式的床层结构。 2、固定床反应器的结构形式 固定床反应器类型很多．按换热方式不同可分为：绝热式反应器和换热式反应器。 2.1绝热式反应器 在反应器中的反应区(催化剂层)不与外界换热的称为绝热式反应器。一般来说，反应热效应小；调节进A反应器的物料温度，就可使反应温度不致超出反应允许的温度范围的反应过程等可采用绝热式反应器。绝热式反应器具有结构简单，反应空间利用率高，造价便宜等优点。图1是绝热床反应器的示意图。 如果反应热效应较大，为了减小反应区内轴间温度分布不均，可将绝热反应器改成多段绝热式反应器，在各段之间进行加热或冷却，它可使各段反应区接近适宜温度。图2是多段绝热床反应器的示意图。 总之，不论是吸热或放热的反应，绝热床的应用相当广泛。特别对大型的，高温的或高压的反应器，希望结构简单，同样大小的装置内能容纳尽可能多的催化剂以增加生产能力(少加换热空间)，而绝热床正好能符合这种要求。不过绝热床的温度变化总是比较大的，而温度对反应结果的影响也是举足轻重的，因此如何取舍，要综合分析并根据实际情况来决定。此外还应注意到绝热床的高／径比