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列管式固定床反应器设计的限制条件

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固定床列管式反应器的设计 决赛国学改

固定床列管式反应器的设计 决赛国学改

目录固定床列管式反应器1的设计：一、反应器选择及操作条件说明 (3)二工艺计算 (5)2.1 催化剂用量 (5) (6)2.2 反应器列管数 (6)2.3换热面积三设备尺寸计算 (7)3.1反应器筒体直径 (7)3.2反应器高度 (8)3.3筒体和封头厚度 (8)四接管零部件尺寸计算 (9)4.1进料管 (9)4．2 出料管 (10)4．3 熔盐进出口 (10)4.4安全阀 (10)4.5 温度计接管 (11)4.6孔 (11)五设计结果汇总 (12)1六参考文献： (13)固定床列管式反应器1的设计:一、反应器选择及操作条件说明 (14)二工艺计算 (16)2.1 催化剂用量 (16) (17)2.2 反应器列管数 (17)2.3换热面积三设备尺寸计算 (18)3.1反应器筒体直径 (18)3.2反应器高度 (19)3.3筒体和封头厚度 (19)四接管零部件尺寸计算 (20)4.1进料管 (20)4．2 出料 (21)4．3 熔盐进出口 (21)4.4安全阀 (22)4.5 温度计接管 (22)4.6孔 (22)五设计结果汇总 (23)六参考文献： (24)2固定床列管式反应器1的设计一、反应器选择及操作条件说明A反应器选择：本工艺反应为气固相反应，返混程度不高，为了很好的控制温度，使传热的面积更大，我们选择了列管式固定床形式。

它的优点有：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。

它的投资和操作费用介于绝热固定床和流化床之间，气相两步氧化法生产丙烯酸比较理想的反应设备。

B操作条件说明：1.反应方程式：CH2CHCH3+O2→CH2CHCHO该步骤中会有副反应发生，副反应产物为乙酸和丙酸等。

进料状态:丙烯是液态进料，经过丙烯蒸发器后变为气体进入预混合器，空气经过空气压缩机进入预混合器，水直接以液态水形式进入预混合器。

2.工艺条件确定：使用Mo-Bi系列催化剂。

列管式固定床反应器热稳定性和参数敏感性

列管式固定床反应器热稳定性和参数敏感性

式 ( 8) 给出了反应系统参数敏感性的数学特 征, 说明热点轨迹的拐点是反应系统的参数敏感 点, 经过该点的操作曲线称为临界操作曲线, 此时 的操作条件为临界条件, 对应的热点温度是反应 系统安全操作所允许的临界热点温度。 对于在固定床反应器中进行的 n 级反应, 采 用一维拟均相模型, 假设冷却介质温度恒定不变 并与床层进口原料温度相等, 得到反应系统的操 作曲线为:
第 23 卷 第 1 期 青 岛 化 工 学 院 学 报 V o l . 23 N o. 1 2002 年 3 月 Jou rna l of Q ingdao In st itu te of Chem ica l T echno logy M a r. 2002
列管式固定床反应器的典型工业应用是烃类 和其他有机物的选择性氧化, 这类反应一般都是 强放热反应[ 1 ]。 固定床反应器内进行强放热反应 时, 反应器轴向温度存在一个最大点, 即热点 [ 2, 3 ]。 由于一个或多个操作参数的微小变化, 会导致热 点温度发生巨大变化, 出现飞温。 飞温导致反应器 在不稳定状态下操作, 对转化率、 选择性以及催化 剂的活性和寿命等都有不良影响。 因此, 热稳定性 是固定床反应器设计与操作中最关键的问题之 一。 对反应系统参数敏感性的研究, 实质上就是从 理论上揭示出固定床反应器安全操作范围, 使之 由于温度升高引起的不良后果能在反应器设计中 和操作前就能避免[ 3 ] 从 40 年代起, 反应系统的热稳定性和参数敏
m 52 F d Η 2 d c 5Η Am m 2 2 m m 52 F d Η 52 F 5F d Η + 2 + 2 = 0 5Η cAm d cAm m5 5cAm 5Η m d cAm ( 7)
+ 2

固定床列管式反应器的设计 决赛国学改

固定床列管式反应器的设计 决赛国学改

目录固定床列管式反应器1的设计：一、反应器选择及操作条件说明 (3)二工艺计算 (5)2.1 催化剂用量 (5) (6)2.2 反应器列管数 (6)2.3换热面积三设备尺寸计算 (7)3.1反应器筒体直径 (7)3.2反应器高度 (8)3.3筒体和封头厚度 (8)四接管零部件尺寸计算 (9)4.1进料管 (9)4．2 出料管 (10)4．3 熔盐进出口 (10)4.4安全阀 (10)4.5 温度计接管 (11)4.6孔 (11)五设计结果汇总 (12)1六参考文献： (13)固定床列管式反应器1的设计:一、反应器选择及操作条件说明 (14)二工艺计算 (16)2.1 催化剂用量 (16) (17)2.2 反应器列管数 (17)2.3换热面积三设备尺寸计算 (18)3.1反应器筒体直径 (18)3.2反应器高度 (19)3.3筒体和封头厚度 (19)四接管零部件尺寸计算 (20)4.1进料管 (20)4．2 出料 (21)4．3 熔盐进出口 (21)4.4安全阀 (22)4.5 温度计接管 (22)4.6孔 (22)五设计结果汇总 (23)六参考文献： (24)2固定床列管式反应器1的设计一、反应器选择及操作条件说明A反应器选择：本工艺反应为气固相反应，返混程度不高，为了很好的控制温度，使传热的面积更大，我们选择了列管式固定床形式。

它的优点有：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。

它的投资和操作费用介于绝热固定床和流化床之间，气相两步氧化法生产丙烯酸比较理想的反应设备。

B操作条件说明：1.反应方程式：CH2CHCH3+O2→CH2CHCHO该步骤中会有副反应发生，副反应产物为乙酸和丙酸等。

进料状态:丙烯是液态进料，经过丙烯蒸发器后变为气体进入预混合器，空气经过空气压缩机进入预混合器，水直接以液态水形式进入预混合器。

2.工艺条件确定：使用Mo-Bi系列催化剂。

固定床反应器的设计—固定床反应器特点与结构

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

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
重点掌握
※固定床压力降的计算方法。 ※固定床催化反应器拟均相活塞流模型 的建立与应用，包括考虑内扩散的情况。 ※绝热式固定床催化反应器催化剂用量 的计算方法。

深入理解
▼固定床催化反应器的主要类型及其结 构特点。 ▼换热式固定床催化反应器的设计优化 问题、参数敏感性问题以及飞温和失控 的现象。
22:46
压力降的计算
流体在固定床中的流动，与空管中的流体流动相似， 只是流道不规则而已。故此可将空管中流体流动的压力 降计算公式修正后用于固定床。
固定床压力降计算公式：
Lu (1 ) P f 3 dS
2 0
22:46
(6.2-2)
式中：ρ——流体密度
f —— 摩擦系数 u0——空管流速

当Re>10时，（Pea）m=2.有
Da Da d p 1 d p 1 Pea uLr ud p Lr 2 Lr

0.005
所以，当床层高度Lr>100dp时，可以忽略 床层内轴向混合扩散，即将流体在床层内 的轴向流动似为平推流流动。在实际反应 器，能够满足该前提条件，而实验反应器 往往不能达到，希注意。
22:46
① 一维模型
在一维模型中，床层径向温度被认为是相同 的。床层热阻和壁膜热阻合并作为一个热阻来考 虑，用床层与器壁间的给热系数h0来表示，给热 速率式以床层平均温度tm与壁温tW之差来定义：
q ht A(tm t ht 值大致为 61.2～320kJ／(m2· h· K)。下面推荐两个计算ht的关 联式，
T0
TC Tf
Tf
T0
逆流
并流

图6.1-3 自热式反应器示意图

列管式固定床反应器设计的限制条件

列管式固定床反应器设计的限制条件
对列管式固定床反应器 , 确定安全设计和操作 的判据除应考虑反应器热稳定性要求外 , 热灵敏性 也不容忽视 。关于这个性质 , 人们曾提出过一些公 式化的判据[ 2～ 4] 。 由于这些判据 将反应器失控 条 件表达为复杂的数学公式 , 很难直接用于反应器的 设计 。
本工作的目的是导出列管式固定床反应器热稳 定性 、热灵敏性及床层压降的限制条件 , 并通过便于 反应器设计的一些易测变量(如管径 、管长 、物料流 量等)将其表达为简单实用的判据 。
剂颗粒间只存在点接触 , 导热面积极小 , 故其传热主
要依靠气体经催化剂颗粒间空隙时的分流与汇合作
用 , 因此对 λe 的静态贡献可以忽略不计 。 如果只考
虑对 λe 的动态贡献 , 则传热 Peclet 准数可 用传质 Peclet 准数近 似[ 5] 。 在工业反应器的高流 速下 , 传 质 Peclet 准数约为 10[ 7, 8] 。 按照文献[ 5] 对 Peclet 准
便 。为便于实际应用 , 以冷却介质温度 T c 代替式
(1)中的壁温 T W , 则温度灵敏性判据应当满足 :
T1.37
Tθc <1
(13)
对气固相反应 , 由于气体热容很小 , 气体沿轴向 的载热作用相对于径向传热可以忽略 ;又因列管式
反应器长径比很大 , 轴向传热的热阻很大 , 轴向传热
相对于径向传热也可以忽略 。 因此 , 列管式反应器
在选择列管 管径 d 和长度 L 时 , 常常需要 对 一些数值进行权衡 。 由式(24)、式(25)可见 , 列管 管径越小 , 则床层有更好的热稳定性 , 但管径越小 , 设备费用越高 。对管长 L 的限制首先是压降的考 虑 。 此外 , 反应器内反应管束的物理支撑问题也对 L 有所限制 。在满足限制条件的范围内 , 列管选择 长一些 , 可以使允 许的管径大一些 , 从经济的 角度 考虑是有利的 。在列管式反应器操作过程中 , 有时 反应物料的流量可能发生变化 , 这种情况下要考虑 流量变化对上述限制 条件的影响 。 如果反应 不受 传质的控制 , 则反 应速率与流量无关 , 只取决 于进 料组成和反应温度 。 但流量的 改变不仅要影 响式 (24)、式(25)中的总 传热系数 U , 同时对 式(4)中 的 G 也有 影响 。 这 种情况下 , 温度灵 敏性会因 流 量的增大而减小 , 因此应该以反应器物料流量的下 限来计算判据 。

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。

2015年固定床反应器设计计算

W dW W xAf dxA
0 FA0 FA0 xA0 (rA )
B为床层密度或堆积密度
W为催化剂质量
Enzhou Liu, Northwest University, Xi’an
Page 10
(rA )dW FA0dxA
设计方程
W dW W xAf dxA 0 FA0 FA0 xA0 (rA )
Page 7
3.固定床反应器传递过程—基本概念
6.传热系数(3种v P166)
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
Enzhou Liu, Northwest University, Xi’an
Page 6
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
Enzhou Liu, Northwest University, Xi’an
Page 2
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
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
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

列管反应器设计

列管反应器设计
列管反应器设计是化工工艺中的一项重要任务，它涉及到反应器的选型、结构、尺寸、材料以及热交换等多个方面。

这种反应器通常用于进行大量化学反应，特别是需要高效热交换的场合。

在设计列管反应器时，首先要考虑的是反应的特点。

不同的化学反应有不同的温度、压力、反应速率和热量释放等特性，这些都会影响反应器的设计。

例如，对于放热反应，需要考虑如何及时移走反应产生的热量，以防止反应器过热。

反应器的结构也至关重要。

列管反应器由许多并排的管子组成，反应物料在管内流动，而热交换介质（如蒸汽、冷却水等）则在管外或另一组管内流动，以实现热量的传递。

这种结构使得列管反应器能够同时进行多个反应，提高了生产效率。

材料的选择同样重要。

由于化学反应可能涉及腐蚀性物质或高温高压条件，因此反应器必须采用耐腐蚀、耐高温高压的材料制造，如不锈钢、钛合金等。

此外，反应器的尺寸也是设计中的一个关键因素。

尺寸过小可能导致反应不充分，尺寸过大则可能造成能源浪费。

因此，需要根据反应的特点和生产需求来确定合适的尺寸。

总的来说，列管反应器设计是一项复杂而细致的工作，需要综合考虑反应特性、结构、材料、尺寸等多个因素。

只有设计出合理、高效的反应器，才能保证化工生产的顺利进行。

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
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反应产生的热量能及时地移出 , 保持一个温和的径 向温度分布 。 于是可假定反应 器床层是近似 等温 的 , 仍然采用活塞流模型 , 物料衡算方程为[ 9] :
∫ VR
= FA0
XA 0
dX A rA
(6)
对 n 级(包括 n =1)不可逆反应 , 可由式(6)直接积
分整理出 :
rA max =kcA0 =[
-ln(1-X A)]
G L
(n
=1)
(7)
rA
max
=kcnA0
= n
1-1[
(1 -X
A)1 -n
-1]
G L
(n ≠1)(8)
采用比式(4)更为保守的条件 , 则有 :
5
d(-ΔHr)rA max 1.37 Gcpθ
<1
(9)
将式(7)、式(8)代入条件式(9)得到 :
5(-ΔH r)d 1.37 cpθL
数在数量上的直观解释 , Peclet 准数等于 10 意味着 在轴向 5 倍管直径(5d)距离内 , 床层中心的热量还
来不及传递 到管壁 。 如果考 虑 5d 长 的反应 器床
层 , 此间的反应可近似为绝热的 。 由于列管式固定 床反应器内流体的流动接近活塞流[ 1] , 采用活塞流 模型进行热量衡算得到[ 9] :
(2 6)
式(22)～ 式(26)为列管式反应器设计的限制条
件 。参数 θ与反应的活化能有关 , 由反应的特征和
催化剂的活性决定 。实际可供调节的参数包括 v s , L ,d 。 vs 常常根据催化剂活性的变化予以调节。 当活性降低时 , 反应速率也随之降低 , 因此需要较长
第 2 期 陈尚伟 .列管式固定床反应器设计的限制条件
5 结论
对列管式固定床反应器内的传热过程分析的基 础上导出了一组满足反应器热稳定性 、温度灵敏性 及压降要求的判据公式 。 这些判据适用于 n 级不 可逆反应 。由于这些判据式中包含反应器设计常用 的参数 , 借助这些判据 , 通过简单的迭代和必要的权 衡 , 可以方便地确定满足列管式固定床反应器热稳 定性 、温度灵敏性及压降要求的反应器尺寸 。
对列管式固定床反应器 , 确定安全设计和操作 的判据除应考虑反应器热稳定性要求外 , 热灵敏性 也不容忽视 。关于这个性质 , 人们曾提出过一些公 式化的判据[ 2～ 4] 。 由于这些判据 将反应器失控 条 件表达为复杂的数学公式 , 很难直接用于反应器的 设计 。
本工作的目的是导出列管式固定床反应器热稳 定性 、热灵敏性及床层压降的限制条件 , 并通过便于 反应器设计的一些易测变量(如管径 、管长 、物料流 量等)将其表达为简单实用的判据 。
2 00 4
年第
33Leabharlann 卷第2期石 油 化 工
PET ROCHEM ICAL T ECHN OLO
GY
· 1 41 ·
列管式固定床反应器设计的限制条件
陈 尚 伟
(西南科技大学 材料科学与工程学院 , 四川 绵阳 621000)
[ 摘要] 在对列管式固定床反应器内传热过程合理分析的基础上 , 提 出了热稳定性 、温度灵敏性及床 层压降对列管式 固定床反应器设计和选择适宜操作参数的限制条件 。 这些条件也可以作为避免列管式固定床反应器不稳定性和温度 灵敏性的实用设计判据 。 由于这些判据是以常见的反应器设计参数(管径 、管长及催化剂性质等)表达出来 , 因此可直 接用于对列管式固定床反应器的结构尺寸作出合理的初步估计 。 [ 关键词] 限制条件 ;列管式反应器 ;反应器设计 ;反应器稳定性 ;温度灵敏性 [ 文章编号] 1000 -8144(2004)02 -0141 -04 [ 中图分类号] TQ 051.14 [ 文献标识码] A
· 143 ·
的停留时间 。 为了确定满 足限制条件式(22)～ 式 (26)的列管管径和长度 , 可作简单的迭代 。例如 , 在 转化率 XA 一定的条件下 , 首先根据式(22)、式(23) 算得 L min/ d 的值 , 再转入 条件式(24)、式(25), 通 过调整 v s 值来获得一个可以接受的列管管径 ;再由 这两个 结果可 以确定 列管 的长 度 , 最 后可 通过 式 (26)验证结果是否满足对床层压强降的要求 。
(2 3)
d <d max =v s[
5.48(n -1)Uθ -ln(1-X A)] (-ΔH
r) (n
=1)
(2 4)
d
<d
max
= v
s[
(1
5.48(n -1)Uθ -X A)1 -n -1] (-ΔH
r) (n
≠1)
(2 5)
L
<L
m ax
=( f
m
ρd s M2
v
2 s
Δp ma x)13
等 。为了维持反应器操作稳定 , 首先需要通过对流
和传导的方式(忽略热辐射)及时移除反应生成的热
量 , 而对流传热推动力与传导传热推动力之比可用 Peclet 准数表示为[ 5] :
Pe
=
Gc p λe
d
(2)
文献[ 6] 指出 , 有效导热系数 λe 包括动态的(与
流动有关)和静态的两项贡献 。 由于固定床内催化
l
床层轴向距 离 , m
M
反应物料平 均相对分子质量
n
反应级数
Δp
床层压降 , Pa
Pe
Peclet 准数
R
通用气体常 数
要参数 , 不允许床层有太大的压降 , 必须限制到一个
可以接受的程度 。 工业固定床反应器内的流体流动
多数情况下呈湍流 , 床层的压降公式可以表达 为[ 9] :
Δp =f m
Lρu
2 0
ds
(1 9)
f
m
=(1 50 Rem
+1.75)1ε-3 ε
(2 0)
R
em
=d
s
u0 μ
ρ·1
1 -ε
Gcp
dT dl
=(-ΔH r)r A
(3)
由式(3)可得出单位管长的绝热温升 d T / dl , 因此
5d 长床层内绝热温升为 5 d(-ΔH r)rA/ Gcp , 再结
合式(1)可以得到 :
5
d(-ΔH r)rA 1.37 Gcp θ
<1
θ=R
T E
2 W
(4) (5)
[ 收稿日期] 2003 -09 -03 ;[ 修改稿日期] 2003 -11 -14 。 [ 作者简介] 陈尚伟(1946 -), 男 , 四川省富顺县人 , 研究生 , 教授 , 电 话 0816 -6332105 , 电邮 chen -shangw ei @sohu .com 。 [ 基 金 项 目] 四 川 省 教 育 厅 自 然 科 学 科 研 基 金 资 助 项 目 (2003A113)。
微分形式表示的 , 不便直接用于反应器的设计和控 制 。 从实用角度考虑 , 有代表性的是 Barkelew[ 10] 早
期提出的温度灵敏 性判据 。 例 如对一级不可 逆反
应 , 其判据为 :
d
r
A(T
W)(-ΔH 4Kθ
r)<
1 Υ(s)
(12)
式中的 Υ(s)需 要从关联图上查取 , 使用仍 不够方
在选择列管 管径 d 和长度 L 时 , 常常需要 对 一些数值进行权衡 。 由式(24)、式(25)可见 , 列管 管径越小 , 则床层有更好的热稳定性 , 但管径越小 , 设备费用越高 。对管长 L 的限制首先是压降的考 虑 。 此外 , 反应器内反应管束的物理支撑问题也对 L 有所限制 。在满足限制条件的范围内 , 列管选择 长一些 , 可以使允 许的管径大一些 , 从经济的 角度 考虑是有利的 。在列管式反应器操作过程中 , 有时 反应物料的流量可能发生变化 , 这种情况下要考虑 流量变化对上述限制 条件的影响 。 如果反应 不受 传质的控制 , 则反 应速率与流量无关 , 只取决 于进 料组成和反应温度 。 但流量的 改变不仅要影 响式 (24)、式(25)中的总 传热系数 U , 同时对 式(4)中 的 G 也有 影响 。 这 种情况下 , 温度灵 敏性会因 流 量的增大而减小 , 因此应该以反应器物料流量的下 限来计算判据 。
床层内由于反应放热的速率基本上是靠径向的传热
速率平衡的 , 据此可以导出 :
4U d
(T
-T
c)=(ΔH
r)r
A
(14)
式中 , U 为总传热系数 。将式(14)与式(13)结合得 :
d(-ΔH r)r A 5.48 Uθ
<1
(1 5)
更保守的条件是 :
d(-ΔHr)rA max 5.48 Uθ
<1
1 热稳定性的限制
对于列管式固定床反应器内发生的强 放热反
应 , 考虑到反应器的热稳定性 , 对径向温度差提出了 一定的限制[ 1] :
T -T W <1.37
R
T
2 W
E
(1)
但是限制条件式(1)不便直接用于反应器设计 。
从反应器设计考虑 , 反应器稳定性的判据式应包含
反应器的一些物理参数 、反应转化率及催化剂特征
符 号 说 明
cp 反应物料平均热容 , J/(mol·K)
d
列管管径 , m
ds
催化剂等比表面积相当直径 , m
E
反应活化能
F A0
反应物 A 进料摩尔流量 , mol/ s
fm 摩擦因子
G
反应物料摩 尔通量 , mol/(m2·s)
(-ΔHr) 反应热 , J/ mol
L