固定床反应器内的传质与传热
固定床反应器的工艺计算
?固定床反应器内的传质与传热
? 固定床反应器内的传质
? 传质过程,
外扩散、内扩散
? 催化反应的总速度
考虑内扩散和动力学后的总速度才是实际催化反应速度
催化剂的有效系数 η
度相等时的反应速度催化剂内外表面温度浓
实际催化反应速度?
1??
S
R
r
r
η=0.01 ~1 η=1 动力学控制
η<1内扩散控制
? 传热过程
? 传热过程分析：以放热反应为例
? 反应热从催化剂的内表面向外表面传递。
? 反应热从催化剂的外表面向气相主体传递。
? 反应热少部分由反应后的物料沿轴向带走，大部分沿径向通过催化剂
和流体构成的床层传到器壁，再由热载体带走。
? 床层对壁总给热系数 αt的计算,w/m2.℃
? dQ= αt (Tm-Tw)dA= αt dt(Tm-Tw)dl
式中,αt,由为利瓦提出
床层被加热时：（吸热反应）
床层被冷却时：（放热反应）
P91例 3— 6,P91例 3— 7
???
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t
p
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6e x p813.0
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p
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d
dGdd
6.4e x p5.3
7.0
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?
?固定床反应器的工艺计算
? 固定床反应器工艺设计原则
? 工艺设计不只是一个单纯的催化剂用量及优化计算，而是根据工艺的
特点和工程实际情况，应用工程的观点来确定最优工艺操作参数。
? 应根据工艺操作参数、设备制备和检修、催化剂的装卸等方面的要求
综合起来选用催化床的类型和结构。
? 高压反应器的筒体内要设置催化床、床外换热器、冷激气管和热电偶
管，有时还要放置开工预热用的电加热器。这些部件要在反应器内合
理地组合，催化剂的装载系数要高，气流分布要均匀，气流通过反应
器的压降要小。
? 机械结构要可靠，要考虑到反应器内某些部件处于高温状况下的机械
强度和温差应力等因素。
? 多段式催化床要妥善地设计段间气体和冷激气体的分布以及均匀混合
装置。
? 设计方法
? 经验法, 用实验室、中间试验装置或工厂现有装置中最佳条件测
得的数据，如空速、催化剂的空时收率及催化剂的负荷等作为设
计依据，按规定的生产能力计算并确定催化剂的用量、床高、床
径等的计算。该法简单，但精确度较差。
? 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。
? 固定床反应器的工艺计算内容（经验法）
? 催化剂用量的计算。
? 反应器高度和直径的计算。
? 传热面积的计算与校核。
? 床层压力降的计算与校核 。
? 催化剂用量的计算
? 空速 Sv,单位体积的催化剂在单位时间内所通过的原料的标准体积流量。
R
N
V
V 0
?
SV
? 接触时间 τc,反应条件下，气体通过催化剂床层中自由空间所需要的时间。
3600
1103.101
273
3
0 ????
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P
T
S
V
V
V
R
C
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?
式中,V0：反应条件下气体的体积流量。
? 空时收率 Sw：单位质量或体积的催化剂在单位时间内所获得的目的产
物量。
S
G
W W
W
S ?
? 催化剂的负荷 Sg：单位质量的催化剂在单位时间内通过化学反应所消
耗的原料量。
S
W
G
W
W
S ?
? 床层线速度 u与空床速度 u0,
床层线速度 u:反应条件下气体通过催化剂床层自由截面的速率。
tA
Vu
?
0?
空床速度 u0:反应条件下气体通过床层截面时的速率 。
tA
V
u 00 ?
? 反应器高度和直径的计算,
根据经验取 u0→At→ΔP 校核
0
0
u
VA
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0
0 V
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A
VH R
t
R ??
绝热时,
?
tAD 4?
列管式,dt→n 或 若为正三
角形排列,（ N为圆整后的列管数）
+2e
2
4 t
t
d
A
n
?
?
Hd
V
n
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2
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3、床层传热面积的计算与校核,
mtK
Q
?
≥ A需 A=
式中,K的计算根据经验选取 。
固定床反应器的工艺计算
?固定床反应器内的传质与传热
? 固定床反应器内的传质
? 传质过程,
外扩散、内扩散
? 催化反应的总速度
考虑内扩散和动力学后的总速度才是实际催化反应速度
催化剂的有效系数 η
度相等时的反应速度催化剂内外表面温度浓
实际催化反应速度?
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η<1内扩散控制
? 传热过程
? 传热过程分析：以放热反应为例
? 反应热从催化剂的内表面向外表面传递。
? 反应热从催化剂的外表面向气相主体传递。
? 反应热少部分由反应后的物料沿轴向带走，大部分沿径向通过催化剂
和流体构成的床层传到器壁，再由热载体带走。
? 床层对壁总给热系数 αt的计算,w/m2.℃
? dQ= αt (Tm-Tw)dA= αt dt(Tm-Tw)dl
式中,αt,由为利瓦提出
床层被加热时：（吸热反应）
床层被冷却时：（放热反应）
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?固定床反应器的工艺计算
? 固定床反应器工艺设计原则
? 工艺设计不只是一个单纯的催化剂用量及优化计算，而是根据工艺的
特点和工程实际情况，应用工程的观点来确定最优工艺操作参数。
? 应根据工艺操作参数、设备制备和检修、催化剂的装卸等方面的要求
综合起来选用催化床的类型和结构。
? 高压反应器的筒体内要设置催化床、床外换热器、冷激气管和热电偶
管，有时还要放置开工预热用的电加热器。这些部件要在反应器内合
理地组合，催化剂的装载系数要高，气流分布要均匀，气流通过反应
器的压降要小。
? 机械结构要可靠，要考虑到反应器内某些部件处于高温状况下的机械
强度和温差应力等因素。
? 多段式催化床要妥善地设计段间气体和冷激气体的分布以及均匀混合
装置。
? 设计方法
? 经验法, 用实验室、中间试验装置或工厂现有装置中最佳条件测
得的数据，如空速、催化剂的空时收率及催化剂的负荷等作为设
计依据，按规定的生产能力计算并确定催化剂的用量、床高、床
径等的计算。该法简单，但精确度较差。
? 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。
? 固定床反应器的工艺计算内容（经验法）
? 催化剂用量的计算。
? 反应器高度和直径的计算。
? 传热面积的计算与校核。
? 床层压力降的计算与校核 。
? 催化剂用量的计算
? 空速 Sv,单位体积的催化剂在单位时间内所通过的原料的标准体积流量。
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? 催化剂的负荷 Sg：单位质量的催化剂在单位时间内通过化学反应所消
耗的原料量。
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床层线速度 u:反应条件下气体通过催化剂床层自由截面的速率。
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空床速度 u0:反应条件下气体通过床层截面时的速率 。
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≥ A需 A=
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