第六章气固相催化固定床反应器汇总

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固定床气固相催化反应器

（b）原料气冷激式 Ⅰ
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
Ⅱ
x
Ⅲ
平衡温度线
Ⅳ
最佳温度线
大型合成氨厂中的合成反应器，常使用此型
T
(c)非原料气冷激式
冷激用的冷流体如果是非关键组分的反应物，称为非原料气冷激式。如一氧化碳变换反应器采用过热水蒸汽冷激。冷激后，平衡温度曲线向着同一温度下提高平衡转化率的方向移动；最佳温度曲线也随之变动；【冷激式反应器的特点】
内冷自热式
催化剂装载在冷管间，与冷管内未反应气体连续换热，未反应气体经冷管预热至催化床入口气体温度（高于催化剂的起始活性温度），故称自热式。
适用于反应热不太大而又在高压下进行的放热过程。如：中、小型氨合成及甲醇合成使用此型。
自热式反应器的特点
• 将绝热式和换热式反应器结合起来使用，绝热层中反应气体借助反应热迅速地升温到理想的反应温度；然后进入换热段（冷却层）中，反应气体被冷却而接近最佳温度曲线。自热式反应器只适用于反应热不太大的放热过程。自热式反应器既省了外来热源，也可设计出较好的轴向温度分布，使其更接近于最佳温度分布曲线，因此操作稳定性更好。但自热式反应器，因其对原料气有热量反馈，常常会有多重定态现象。开工时，如原料气不经预热，反应器就会总量处于转化率为零的低温定态现象。因此对于自热式反应器必须在反应床层外设置开工加热器。在开工时，必须使原料气能越过不稳定的定态，当达到转化率高的高温定态后，再逐步停用开工加热器，使其保持高温定态反应。
缺点：结构复杂，反应器内催化剂装填量较少，床层的压降较大，故其不能完全取代绝热式反应器。

化学反应工程第六章气固相催化反应固定床反应器(全)

绝热型
换热型
第一节流体在固定床反应器内的传递特性 • 气体在催化剂颗粒之间的孔隙中流动，较在管内流动更容易形成湍流。 • 气体自上而下流过床层。
• 床层空隙率εB：单位体积床层内的空隙体积（没有被催化剂占据的体积，不含催化剂颗粒内的体积）。
空隙体积颗粒体积 ρB VP εB = = 1− = 1− = 1− 床层体积床层体积 ρP VB
设计固定床反应器的要求： 1生产强度尽量大 2气体通过床层阻力小 3床层温度分布合理 4运行可靠，检修方便计算包括三种情况： 1设计新反应器的工艺尺寸 2对现有反应器，校核工艺指标 3对现有反应器，改进工艺指标，达到最大生产强度。
模型化
• 对于一个过程，进行合理的简化，利用数学公式进行描述，在一定的输入条件下，预测体系输出的变化。 • 对同一个体系，根据不同的简化和假定，可以构造不同的模型。 • 不同的简化和假定，也决定了模型必然含有一些参数，以修正模型与实际体系的差异。 • 根据不同的简化和假定，分为几种不同层次的模型。
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。
第二节固定床催化反应器的设计
• 操作方式：绝热、换热两种 • 操作方式的不同，反应器的结构就不同。 • 操作方式由反应的热效应和操作范围的宽窄及反应的经济效益等决定。 • 从反应器的设计、制造及操作考虑，绝热型比较简单。 • 从设计上讲，基本方程是一样的。
2 u dP 150 1B g m 1.75 3 dl Rem B ds

第6章非均相流固反应器

❖固定床反应器：固体催化剂颗粒堆积起来静止不动，反应气体自上而下流过床层；
3
❖流化床反应器：
流化床
固体催化剂颗粒被
自下而上流动的气体反应物夹带而处于剧烈运动的状态。
4
绝热式固定床反应器
① 结构简单 ② 高空速 ③ 很少催化剂损耗 ④ 很小气固返混 ⑤ 较长的扩散时间及距离 ⑥ 高床层压降 ⑦ 床内取热供热困难 ⑧ 催化剂取出更新困难
① 外扩散 ② 内扩散 ③ 吸附 ④ 表面反应 ⑤ 脱附 ⑥ 内扩散 ⑦ 外扩散
12
外扩散、内扩散是物理过程；吸附、脱附和表面反应则是化学过程，又称为动力学过程或表面过程。以上七个步骤是前后串联的。
外扩散内扩散吸附表面反应脱附内扩散外扩散表面过程
13
七个步骤中，速率特别慢的一步称为控制步骤。该速率决定实际反应所达到的速率。控制步骤是一个扩散过程，则称为扩散控制，又称传质控制；控制步骤是吸附、表面反应或脱附，则称为动力学控制。动力学控制又可分为吸附控制、表面反应控制和脱附控制。
第6章非均相流固催化反应器
1
6.1 概述
流固催化反应器是气相或/和液相反应物借助于固相催化剂进行反应的设备，包括气-固、气-液-固、液-固三类催化反应器。
气固相催化反应器可分两大类：固定床反应器和流化床反应器。
由于这两类反应器中固体催化剂颗粒运动状态不同，其反应性能也有显著差别。
本章主要叙述气-固相反应的概念、特征及反应器计算 2
③ 反应器操作弹性与容积生产能力较大。
7
相对于流化床反应器，固定床反应器缺点：
① 催化剂颗粒较大，有效系数较低； ② 催化剂床层传热系数较小，容易产生局
部过热； ③ 催化剂的更换费事，不适于容易失活的

固定床反应器操作与控制—气固相催化反应过程

速率控制步骤
速率控制步骤
最慢
步骤速率
对动力学起
关键作用
速率控制步骤——动力学控制
反应物的吸附控制表面化学反应控制
产物的脱附控制
颗粒小、温度低、气速高
速率控制步骤——内扩散控制
颗粒大
温度高气速高

速率控制步骤——外扩散控制
颗粒小
温度高气速低
速率控制步骤
思考：
了解气固反应过程
找出速率控制步骤，指导实际生产。
07
反应产物从催化剂外表面向流体主体传递；
气固相催化反应过程
了解气固反应过程
指导实际生产
思考题
气固相催化反应过程的总反应速率是七个步骤的速率之和？
《化学反应器操作与控制》
速率控制步骤
外扩散----内扩散----吸附----表面反应----脱附----内扩散----外扩散
外扩散：1,7 内扩散：2,6 表面过程：3,4,5
《化学反应器操作与控制》
气固相反应
气固相催化反应过程
气固相催化反应过程
外扩散----内扩散----吸附----表面反应----脱附----内扩散----外扩散
外扩散：1,7 内扩散：2,6 表面过程：3,4,5
气固相催化反应过程
气固相催化反应过程经历七个步骤
01
反应组分从流体主体向固体催化剂外表面传递；
02 反应组分从催化剂外表面向催化剂内表面传递；
03
反应组分在催化剂表面的活性中心吸附；
04 在催化剂表面上进行化学反应；
05
反应产物在催化剂表面脱附；
06 反应产物从催化剂内表面向催化剂外表面传递；

第6章固定床反应器

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。故此可将空床中流体流动的压力降计算公式修正后用于固定床。
第6章固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.2 床层压降
《化学反应工程》
2 um 1 B p a. 厄根方程 f '( )( ) 固定床压力降计算公式： 3 L dS B
第6章固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
气－固相催化反应器
固定床反应器
流化床反应器
绝热式
换热式
自热式
单段绝热
多段绝热
内冷式
外冷(热)式
第6章固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
固定床反应器的种类
（1）绝热式反应器
单段绝热床反应器
多段绝热床反应器
第6章固定床反应器
6.1 概述
s （dV / da )2
第6章固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.1 粒子直径和床层空隙率
《化学反应工程》
平均直径dP:是指不同大小颗粒直径的平均值。
①算术平均法 :
d p xi d i
i 1
xi为直径等于di的颗粒所占的质量分数。
n
②调和平均法:
n xi 1 d p i 1 d i
第6章固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
固定床反应器的种类
（3）自热式反应器
甲烷化炉 CO+3H2 CH4+H2O
CO2+4H2
CH4+2H2O
强放热反应
第6章固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》

应用化工技术专业《气固相固定床催化反应器的结构》

二、气固相固定床催化反响器的结构〔一〕绝热式固定床反响器绝热式固定床反响器内部无换热构件，只有一段催化剂床层的称为单段绝热式，有多段催化剂床层的称为多段绝热式。

绝热式反响器结构简单、造价低、反响器内体积可以充分利用，一般用于反响热较小，反响温度允许波动范围较宽的场合。

1. 单段绝热式固定床反响器单段绝热式固定床反响器是在一个中空圆筒的底部放置搁板〔支撑板〕，在搁板上堆积固体催化剂。

反响气体经预热到适当温度后，从圆筒体上部通入，经过气体预分布装置，均匀通过催化剂层进行反响，反响后的气体由下部引出，如图9所示。

这类反响器结构简单，生产能力大。

对于反响热效应不大，反响过程允许温度有较宽变动范围的反响过程，常采用此类反响器。

一个典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯，反响需热140kJ/mol，这是靠参加2.6倍〔质量〕于乙苯的高温水蒸气〔710℃〕来供给的。

乙苯与水蒸气混合后在630℃入催化剂床层，而离床时那么因反响吸收热量而降到565℃。

单段绝热式一般适用于绝热温升较小的反响。

以天然气为原料的大型氨厂中的一氧化碳中〔高〕温变换及低温变换甲烷化反响都采用单段绝热式。

对于热效应较大的反响只要对反响温度不很敏感或是反响速率非常快的过程，有时也使用这种类型的反响器。

例如甲醇在银或铜的催化剂上用空气氧化制甲醛时，虽然反响热很大，但因反响速率很快，那么只用一薄薄的催化剂床层即可，如图10所示。

此一薄层为绝热床层，下段为一列管式换热器。

反响物预热到383K，反响后升温到873~923K，就立即在很高的混合气体线速度下进人冷却器，防止甲醛进一步氧化或分解。

单段绝热式固定床反响器的缺点是反响过程中温度变化较大。

当反响热效应较大而反响速率较慢时，绝热升温必将使反响器内温度的变化超出允许范围。

多段绝热式固定床反响器是为弥补此缺乏而提出的。

2. 多段绝热式固定床反响器多段绝热式固定床反响器中，反响气体通过第一段绝热床反响至一定的温度和转化率时，将反响气体冷却至远离平衡温度曲线的状态，再进行下一段的绝热反响。

化学反应工程-19-第六章-气固相催化反应固定床反应器

2、二维模型中 hW 的计算：、的计算：模型认为温度沿着径向形成了一个分布，故 t m没有意义。这时床层向壁的传热速率：
dS =
6VS SS
西勒模数就是以d 为定型尺寸的。西勒模数就是以 S为定型尺寸的。形状系数的概念，表示：形状系数的概念，以 ϕ S 表示：
ϕS =
SV SS
2 SV = πd V （和粒子具有相同体积的球形颗粒的外表面积）
d ϕS = V d a

2
2、粒子群、对于大小不等的混合颗粒，平均直径为：
空隙率分布的影响：空隙率分布的影响：直接影响流体流速的分布，进而使流体与颗粒、床层与反应器壁之间的传热、传质行为不同，流体的停留时间也不同，最终会影响到化学反应的结果。
为减少壁效应，要求床层直径（dt）至少为粒径（dP）的八倍以上。
二、颗粒的定型尺寸颗粒的定型尺寸常用粒径来表示： 1、单个粒子、粒径d 粒径 P：对球形催化剂，应用一个参数dP即可完整描述颗粒的全部几何性质，即自由度为1；对规则形催化剂，如圆柱形，用两个参数如h、d即可；对不规则颗粒，也是用两个参数来描述颗粒的几何性能：一是当量直径；另一是形状参数。
d S u0 ρ g
6.1.2固定床内的传热固定床内的传热床层尺度上的传热过程包括四个方面：床层尺度上的传热过程包括四个方面： ①颗粒内部的传热 (λ P ) ；
( ②颗粒与流体之间的传热α g ) ；
③床层整体有效导热系数 (λe ) ； ④床层和反应器壁之间的传热 (h0、hW ) 。对于①中λP，见第十七讲《非等温反应宏观动力学方程》。它的大小往往由固体颗粒自身的性质粒内孔隙情况决定的，颗粒内的传热主要是以热传导形式进行的。对于②中的αg第十七讲中已经讨论过。现重点讨论③和④ ！现重点讨论③

(6)气固催化反应器

固定床反应器的代表：

固定床反应器的优缺点
床层内流体流动接近 PFR，返混小，所以 rA↑，xA↑，较小容积，较大生产能力；催化剂不易磨损而可长期使用；易控制，如停留时间可严格控制，温度分布调节。传热较差，催化剂属导热不良物质，反应结果对温度的依赖性又很强，所以对于热效应大的反应过程，传热和控温是技术难点和关键所在；催化剂更换必须停产，所以必须要有足够长寿命；催化剂粒子不能太小。
反应器的热稳定性和参数灵敏性
化学反应器内的传热问题与一般的加热、冷却或换热过程中的传热问题有一个重要的区别，就是反应器内的反应过程和传热过程之间相互交联作用。对于放热反应过程，可能出现如下的恶性循环：
反应温度上升反应加快反应放热速率增大
当然，这种恶性循环是吸热反应所没有的，也是一般换热过程中所不存在的一类特殊现象。这种现象的存在对传热和反应器的操作、控制都提出了特殊的要求。
绝热式反应器
结构简单，床内没有传热装置，预热到适当温度的反应物料，在绝热条件下进行反应，对于热效应不大，反应温度允许变化范围又较宽的情况最为适用，又分为单段和多段。单段－－绝热条件下只反应一次；多段－－反应一次后经换热满足所需温度条件，再次进行绝热反应，一次称为一段，如催化重整多段绝热式反应器，按段间换热方式的不同又可分为：
参数灵敏性
所谓参数灵敏性指的是各有关参数如流量、进口温度和冷却介质温度等作微小调整时，反应器内温度或反应结果将会有多大变化？如果反应器的参数灵敏性过高，那末对参数的调整就会有过高的精度要求，使反应器的操作变得十分困难。因此，在反应器的设计中，确定设备尺寸和工艺条件时必需设法避免过高的参数灵敏性。

第六章_固定床反应器详解

25
3.熔盐：温度范围300℃～400℃，由无机熔
盐KNO3、NaNO3、NaNO2按一定比例组成，在一定温度时呈熔融液体，挥发性很小。但高温下渗透性强，有较强的氧化性。 4.烟道气：适用于600～700℃的高温反应。
26
6.2 固定床的传递特性
• 气体在催化剂颗粒
之间的孔隙中流动，
较在管内流动更容
补充水
产物
4. 自热式反应器
采用反应放出的热量来预热新鲜的进料，
达到热量自给和平衡，其设备紧凑，可用
于高压反应体系。
但其结构较复杂，操作弹性较小，启动反
应时常用电加热。
24
6.1.3 传热介质
•传热介质的选用根据反应的温度范围决定，其温度与催化床的温差宜小，但又必须移走大量的热，常用的传热介质有： 1.沸腾水：温度范围100~300℃。使用时需注意水质处理，脱除水中溶解的氧。 2.联苯醚、烷基萘为主的石油馏分：粘度低，无腐蚀，无相变，温度范围200~ 350℃

如图 (b) 所示。径向反应器的结构较轴向反应器复杂，催化剂装载于两个同心圆构成的环隙中，流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动。

径向反应器的优点是流体流过的距离较短
，流道截面积较大，床层阻力降较小。
轴向反应器与径向反应器
(a)
(b)
2.多段绝热式固定床反应器

热效应大，常把催化剂床层分成几段(层)，段间采用间接冷却或原料气（或惰性组分）
8
原料气
绝热式
催化剂
固定床反应器
产物
9
绝热式固定床反应器可分为轴向反应器和
径向反应器。 (1)轴向绝热式固定床反应器

《化学反应工程》第六章

出料出料
列管是固定床反应器
出料
处料
⑷自热式固定床反应器——适于放热反应（合成氨）。
主进气床层温度 tb
t
双套管催化剂
坐标位置 I
600 平衡线换热器
t/℃
500 床层实际 400 操作线 0 最佳温度线 0.3
出气
旁路进气
0.1 0.2 氮含量y
双套管并流式反应器及床层温度分布
2 u dp 150 m g (1 B ) ( 1.75) 3 dl Re m dS B
⑵物料恒算方程 dVR At dl d t2 dl , 4
输入A量 = FA
FA
dVS (1 B )dVR
dl At FA+dFA 体积单元物料示意图
输出A量 = FA+d FA 反应消耗A量 = (-RA)(1-εB)d VA = (-RA)(1-εB)Atdl 积累A量 = 0 因为
SO
2
1 1.5 0.5, 1
0 SO2
0 SO ySO SO 0.08 (0.5) 0.04
2 2 2
pSO2 p
(1 xSO2 ) 1 SO2 xSO2
p
0 SO2
(1 xSO2 ) 1 0.04xSO2
1-空管内层流；2-空管内湍流；3-充填层内液体流动； 4-充填层内气体流动（Um为平均流速）
6.1.1.2颗粒的定型尺寸
体积当量直径（dV）:与颗粒具有相同体积（VS)的球体的直径
6V dV S
1/ 3
面积当量直径（da）:与颗粒具有相同外表面积（SS)的球体的 1/ 2 直径 S S

固定床反应器的分类及特点总结

换热式
T0 逆流
TC Tf Tf绝热式固定床反应器特点
1.它的结构简单，催化剂均匀堆置于床内，床内没有换热装置，预热到一定温度的反应物料流过床层进行，除单层绝热床外，工业上还有用多段的，近代的大型合成氨反应器采用的是中间冷激的多段绝热床。应用相当广泛，技术成熟。
2.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)。
3.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／径比不宜过大，床层填充务必均匀，并注意气流的预分布，以保证气流在床层内的均匀分布。
1.3换热式固定床反应器特点
① 传热较好，管内温度较易控制； ② 返混小、选择性较高； ③ 只要增加管数，便可有把握地进行放大； ④ 对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性
物料来稀释催化剂.
适用原料成本高，副产物价值低以及分离不是
十分容易的情况。
1.4自热式固定床反应器特点
反应热传递给原料气使之预热到床层进口温度，不用额外的加热设备。
对自热式反应器，由于床内发生的热量反馈给原料气，而原料气温度的升高又将导致反应速率的增加，从而进一步使发热量增加。故某些参数(如进料温度)的波动有可能使系统不稳定而出现多重态。另一方面，当某一参数变化到一定程度时就可能使床层温度迅速升高，这种现象俗称“飞温”，都是固定床反应器的设计和操作中所应当注意的。
以上有不当之处，请大家给与批评指正，谢谢大家！
7
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。

化学反应工程-21-第六章-气固相催化反应固定床反应器

同样可写出：
C0,n1 C0,n
R A aV 1 B 4 E r l 2 C1,n C0,n l 8 u r u
T
R
0
2rdr 2 T 2 2 R R

R
0
Trdr
说明： 2rdr E t dt，即分布密度函数。 R 2
CA
R
0
2rdr 2 CA 2 2 R R

R
0
C A rdr
二、数学模型求解
1、显式差分法上述方程组（3）、（4）没有解析解，只能求其数值解：方程的自变量为r、l，其定义域就是整个反应器，即是圆柱形的反应床，为求得定义域上因变量CA、T的分布规律，数值解的基本思路是：
2点：气流主体由l+dl面离开微元体带出的热量：
g u 2rdr C P Tl dl，J s 1
3点：由轴向热传导自l面而传入微元体的热量：
T 1 eZ 2rdr，J s l l
4点：由轴向热传导自l+dl面离开而传出的热量：
T 1 eZ 2rdr，J s l l dl
6点：A自r+dr面由径向扩散而离开微元体的量：
C Er A 2 r dr dl， s 1 mol r r dr
2 mol s 1 7点：微元体中A的反应量： R A 1 B r dr dl r dl ， 2
R A aV 1 B H rA
g uCP
l 1 2 Tm1,n 2Tm,n Tm1,n Tm 1,n Tm,n g uCP r m l 5

6气固相催化反应固定床反应器

解： ①求颗粒的平均直径。
0.60 0.25 0.15 3 dS 3.96mm 3.9610 m xi 3.40 4.60 6.90 d i 1
1
②计算修正雷诺数。
dSG 3.96103 6.2 Re m 1906 5 g 1 B 2.3 10 1 0.44
2、径向传质对于实际反应器，由于存在径向温度分布和径向流速分布，因而径向必然存在浓度分布和扩散。同时，流体撞击固体颗粒时，将产生再分散，改变流体流向，从而造成返混。
Per d p um / Er
Er值应在5~13之间，在不同Re下近于常数。在多数反应器内，流体处于充分湍流状态，Per=10。
主要固定床催化反应过程
基本化学工业
烃类水蒸气转化一氧化碳变换一氧化碳甲烷化氨合成二氧化硫氧化甲醇合成
石油化学工业
催化重整二氯化烷丁二烯苯酐苯乙烯异构化醋酸乙烯酯顺酐环已烷加氢脱烷基
气固相催化反应固定床反应器

[学习目的] 掌握一维拟均相理想流动模型及其应用；了解流体在固定床内的传递特性、固定床催化反应器的特点、一维拟均相非理想流模型等其它模型。 [重点与难点] 流体在固定床内的传递特性；采用一维拟均相理想流动模型对反应器进行设计。
工业应用：石油的连续催化重整、二甲苯异构化、连续法离子交换水处理
优点： A、固体物料可以连续进出反应器，而且可以在较大范围内独立改变固体和流体的停留时间，对固体物料性状以中等速度变化的反应过程也能适用； B、固体和流体的运动均接近活塞流，返混较小，对固相加工过程，固相转化率比较均匀，对气相加工过程，则可达到较高的单位体积生产能力。

第六章固定床反应器

(6-11)式
d S f um 1 d S G 1 150 f 1.75 , ReM ReM uf 1 B u f 1 B
2 150 f um 1 B P 1.75 3 L ReM dS B
27
③与颗粒表面糙度有关. 催化剂颗粒表面越光滑，越易构成紧密接触的床层，使B↓； ④与催化剂填充方式有关. 例如球形催化剂，当尺寸φ=5mm，采用不同方式填充时，实验结果为：立方格排列测得B=0.476；菱形排列，测得B=0.2595.
28
⑤器壁影响. 实验证明：床层的同一径向界面上B分布是不均匀的： • 贴壁处，B最大； • 距离12dP处，B较大； • 其他位置，B较小，且较均匀，如右图
29
注：由于床层内径向空隙率分布不均，故引起床内沿径向的流速分布也不均匀，贴壁处虽然B最大，但由于流体与壁面的摩擦阻力使流速最低，如右图：
30
6.2.3.固定床ΔP的计算
（1）压降产生的原因 • a.流体与颗粒间的摩擦阻力（当ReM<10时为主要因素）。 • b.流体在床内流动时，通道的扩大、缩小及流体的再分布而产生（当ReM>1000时为主要因素）。（2）压降的影响参数： • 流体性质（f，f）； • 床层特性（L，dP，B）； • 流动性质（u）
6 RH , Se 1 B S V 1 B Se dS 2 B de 3 1 B 2 B dS 3 1 B S d V
B
(6-10)式
SV：单位催化剂颗粒体积外表面积
34
c.对流速修正床内真实流速是空隙中流体流速ue，但 ue难以测定，而ue与空床的平均流速um 存在下列关系： ue=um/B 将各项修正参数代入Ergun公式：

第六章固定床催化反应器设计-化学反应工程

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。

化学反应：第六章固定床反应器

1.75
1
3 B
B
u
2 m
ds
式中：Rem
: 修正的雷诺数，Rem
d sum g
g 1 B
um：平均流速空塔气速 L：床层高度
d s : 颗粒当量直径 : 气体密度
B：床层空隙率
推导
p f l u2 dp f 1 u2
de 2
dl
de 2
de
4
流通截面积润湿周边
内的体积）。
B
空隙体积床层体积 1
颗粒体积床层体积
1
VP VB
1
B P
B－床层堆积密度，
－颗粒密度
P
颗粒的定型尺寸－－最能代表颗粒性质的尺寸为颗粒的当量直径。 d p
对于非球形颗粒，可将其折合成球形颗粒，以当量直径表示。方法有三，体积、外表面积、比表面积。
体积：(非球形颗粒折合成同体积的球形颗粒应当
L
150 R
em
1.75 1
B
3 B
u2 m d s
影响固定床压力降的因素
p u 2
m
d S L
1
3 B
B
150 R
em
1.75
4 B (1 B )SV
de：当量床层直径 dp/dl：床层高向的压强变化 ρ：流体密度 u：实际流速，通常以空塔气速um=u/εB 表示
得Ergun方程：
dp dl
150 R
em
1.75
1 B 3 B
u2 m d s
如果流体通过床层时的温度变化不大，压降相对较小，
床层填充均匀，则方程解为
P
dm
1
xi di

第6章固定床反应器解析

单段绝热式绝热式多段绝热式
二段反应三段特征四段段间反应气冷却或加热方式中间间接换热式原料气冷激式冷激式
不同的传热要求和传热方式固定床反应器
非原料气冷激式加压热水（＜240℃）导热油（250~300 ℃）熔盐（＞300 ℃）
换热式
对外换热式
自热式
反应气的流动方向
体流量均等，对分布流道的制造要求较高，且要求催化剂有较高的机械强度，以免催化剂破损而堵塞分布小孔，破坏流体的均匀分布。
径向流动反应器中气体在垂直于反应器轴的各个横截面上沿半径方向流动径向流动催化床的气体流道短，流速低，可大幅度地降低催化床压降，为使用小颗粒催化剂提供了条件。
径向反应塔示意图
第Байду номын сангаас章
固定床反应器
水蒸气
乙苯
6 . 1 概述
凡是流体通过固定的固体物料所
形成的床层而进行反应的装置都
称作固定床反应器。如：气-固相催化反应器、气-固相非催化反应器。测温口
催化剂
产品乙苯脱氢的绝热床反应器 6-1
一、固定床反应器的特点
结构简单高空速很少催化剂损耗很小气固返混较长的扩散时间及距离高床层压降床内取热供热困难催化剂取出更新困难催化剂颗粒大，效率低
轴向流动固定床反应器径向流动固定床反应器
固定床反应器的分类
传热介质选用原则：保证催化剂床层与传热介质之间有适宜的温差。
常用传热介质的温度范围
沸腾水有机液态传热介质 100-300 ℃ 200-350 ℃
熔盐
烟道气
300-400 ℃
600-700 ℃
反应器按催化剂床是否与外界进行热量交换分为：绝热