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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。
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)3/h 体积流量：197.8m质量流量：3951kg/h-1 400h液相体积空速：2.催化剂床层设计计算3/h 正常状态下反应器总进料量为2040m-1液体体积空速400h3则催化剂用量5.1m/2040400?V?V/S?VR总3?催化剂堆密度m850kg/?B?催化剂质量kg4335kg?V?850?m?5.1?RBB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，3h2040m ／及液体按正常进料量，则算出反应器的直径和高度为：取反应器的长径比5-1，计算反应器的诸参数：空速400h2，则截面积取床层高度L=5m.02m1?5.1/5?L?SV/R??4?1.02/3.14?/4D?S1.140m床层直径1200mm 圆整可得反应器内径可以选择,因此．4V4?5.1此时，床层高度R m4.512??L?022?1.23.14D?反应器选型表4-1和表4-2为反应器类型。
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。
§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。
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 WG W W S =床层截面积：0u 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：00V V u A V H RR 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：Hd V d A n t R t R2244ππ== 圆整 壳管式反应器（壳程装催化剂）20244d n D A R ππ-=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 24602/102+⎪⎭⎫⎝⎛==π三．催化剂床层传热面积的计算mt K QA ∆= 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 /1077.312.01025.22544352302--⨯=⨯⨯⨯-==ππ实②实V T T F =⨯⨯004.22 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=p T Tp V V 00标实 000nRT V p nRT pV == 4.220⨯=n V[]s Kmol T T V F /101.14132734.221077.34.226500--⨯=⨯⨯=⨯=∴实③[]Kmol Kg M /67.315.3654.02646.0=⨯+⨯=-()[]s m Kg A MF G R 2260/111.002.0467.36101.1=⨯⨯⨯==--π④()[]1325200317.01025002.044132731077.34---=⨯⨯⨯⨯=⨯==S H D T T V V V S R ONV ππ ⑤()[]S V H D V V R 937.01077.345.01025002.0445322=⨯⨯⨯⨯===--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4265P 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RT pM f =ρ，[]Kmol Kg p RT M f /8.31108.9523314.871705=⨯⨯⨯==ρ ()h Kg W /12598.316.39=⨯=()[]h m Kg d G 2622/1031.3900022.0785.0125941259⨯=⨯⨯==π 1183600106.21031.3003.056=⨯⨯⨯⨯==-f P e G d R μtf t P f P t d d d G d λμα⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫⎝⎛=6.4exp 5.37.0()022.00354.0022.0003.06.4ex p 1185.37.0⎪⎭⎫ ⎝⎛-=[]sK m Kj 23/1048.8⨯=第二章 气~固相固定床催化反应器小结一．基本概念Basic scheme1.催化剂粒径：()会计算-d d d d S a V ,,,2.形状系数：PS A A =ϕ 意义3.空隙率：SBρρε-=1 定义4.固定床当量直径：S ee d S RH d ⎪⎭⎫⎝⎛-===εεε132445.催化剂有效系数：定义S Pr r =η，测定方法6.催化剂用量。
①空速V S ②空时收率W S ③cat 负荷G S ④接触时间C τ7.线速u ，空床速度O u8.宏观动力学，本征动力学二．基本原理 Basic principle1.催化剂的特点：①改变反应速度②不改变化学平衡③具有选择性。
必备条件：活性好，选择性高，寿命长，具有一定机械强度。
类 别：金属（良导体）；金属氧化物或硫化物（半导体）；盐类或酸性催化剂（绝缘体）。
失 活：定义：活性随操作时间延长而下降的过程；分类： 物理失活；化学失活失活原因： 局部过热使催化剂挥发结晶；原料气未净化，催化剂中毒；结炭，掩盖活性中心，定期通空气，水蒸气烧去。
以提高反应活性补偿。
2.催化剂表面的吸附物理吸附；化学吸附覆盖率：%100⨯=固体表面覆盖面积θ θθ-=1V 裸露率： 吸附等温线，吸附等温方程a p V ~的关系AA A A m P K p K V V +=1 3.气固相催化反应的全过程：七步4.气固相催化反应速率：表面反应控制，反应类型→机理→动力学方程→特征。
5.多孔催化剂内的传质，内扩散类型：分子扩散（费克扩散）；克努森扩散；过渡扩散；每个类型的特征。
6.固定床催化反应器的类型：绝热式（单段和多段）；换热式（对外换热式和自身换热式）7.流体在固定床中的流动特性：气体分布问题；解决方法。
三．基本计算 Basic calculation1.催化剂用量的计算；2.床层高度和直径；3.床层压力降的计算。
课堂举例：某固定床反应器中，原料流量为200[kmol/h]，采用空速为0.15[s -1]，气体的线速为0.15[m/s]，床层空隙率为0.42，操作压力1.013Mp a ，操作温度180℃。
求：（1）催化剂体积；（2）床层直径；（3）床层高度。
解：（1）V R =360015.04.222000⨯⨯=V N S V = 8.3 [m] （2）V 0=360010013.1)273180(314.81020063⨯⨯+⨯⨯⨯=p nRT ＝ 0.207 [m 3/s] D=42.015.0785.0207.044000⨯⨯=⋅⋅=εππu V u V = 2.045 [m] 圆整 D= 2 [m]（3）H=V R /A t =222785.03.84⨯=⋅D V Rπ= 2.64 [m] 1、催化剂的失活类型及失活原因宏观动力学不排除外界因素（扩散）的影响，进行动力学研究得出的规律，称宏观动力学。
2、 微观动力学：排除外界因素（扩散）的影响，进行动力学研究得出的规律，称微观动力学。
3、 催化剂的形状系数5、床层空隙率及计算公式固定床中的床层空隙体积与整个床层体积之比。
ε＝1-ρB /ρS6、催化剂有效系数的测定方法测实际反应速度r P1→逐次粉碎催化剂颗粒，使内表面暴露为外表面→逐次测出反应速度r P2、r P3、r P4……→至催化剂逐次压碎，反应速度不再改变为止 r PN =r S →计算SP r r =η 1、催化剂可以加快反应速度，但不改变化学平衡，并对催化反应具有选择性。
2、选择催化剂，应使催化剂具有活性好、选择性高、寿命长，并具有一定的机械强度。
3、催化剂的失活分为物理失活和化学失活。
4、分子扩散阻力由气体分子间碰撞引起，克努森扩散阻力由气体分子与孔壁碰撞引起。
