固定床反应器(1)
固定床反应器名词解释
固定床反应器1. 定义固定床反应器是一种常见的化学反应器，用于进行气体相或液体相的催化反应。
它由一个固定的反应床和进料和出料设备组成。
在固定床反应器中，催化剂通常以颗粒或块状填充在反应床中，进料通过固定床内流动，与催化剂发生反应，并最终得到产品。
2. 结构固定床反应器通常由以下几个主要部分组成：•反应器壳体：通常由金属或合金制成，具有足够的强度和耐腐蚀性能，以承受高温高压下的工作条件。
•反应床：位于壳体内部，用于填充催化剂和提供充分的接触面积。
催化剂可以是颗粒状、块状或其他形式。
•进料装置：用于将原料引入反应床中。
通常包括进料管道、阀门和喷嘴等。
•出料装置：用于将产物从反应床中取出。
通常包括出料管道、阀门和收集装置等。
•加热或冷却装置：用于控制反应器的温度，以保持反应的适宜条件。
•压力控制装置：用于控制反应器内部的压力，以保证安全运行。
3. 工作原理固定床反应器的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：1.进料：原料通过进料装置引入反应床中。
进料可以是气体相、液体相或两相混合物。
2.反应：进料与催化剂在反应床中接触，发生化学反应。
催化剂提供了活性位点，促进了反应的进行。
3.产物生成：经过一定时间的反应，原料转化为产物。
产物随着流体经过固定床而逐渐形成。
4.出料：产物通过出料装置从固定床中取出，并送入下游处理单元进行分离和纯化。
5.催化剂再生：在一些催化反应中，催化剂会逐渐失活。
此时需要对催化剂进行再生或更换。
4. 特点和优势固定床反应器具有以下特点和优势：•高效性：由于固定床中填充了催化剂，反应物与催化剂之间的接触面积大，反应效率高。
•稳定性：固定床反应器在运行过程中，催化剂相对稳定地停留在床层中，不易流失和损坏。
•可控性：通过控制进料速率、温度和压力等参数，可以实现对反应过程的精确控制。
•适用性广：固定床反应器适用于多种气相和液相反应，可用于生产各种化学品和燃料等。
5. 应用领域固定床反应器广泛应用于工业生产和实验室研究中。
固定床反应器的详细介绍
固定床反应器的详细介绍又称填充床反应器，内部装填有固体催化剂或固体反应物，以实现多相反应。
固体物通常呈颗粒状，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。
固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。
用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。
涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。
优点：（1）催化剂机械磨损小。
（2）床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。
（3）由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率。
（4）可在高温高压下操作。
缺点：（1）固定床中的传热较差。
（2）催化剂的再生、更换均不方便，催化剂的更换必须停产进行。
（3）不能使用细粒催化剂，但固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。
目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。
固定床反应器的分类（一）按传热方式分类1、绝热式反应器绝热式固定床催化反应器在反应过程中，床层不与外界进行热量交换。
其最外层为隔热材料层（耐火砖、矿渣棉、玻璃纤维等），常称作保温层，作用是防止热量的传出或传入，减少能量损失，维持一定的操作条件并起到安全防护的作用。
绝热式反应器可分为单段绝热式反应器和多段绝热式反应器。
（1）单段绝热式反应器一般为高径比不大的圆筒体，结构简单，生产能力大，但反应过程中温度变化较大。
适合的反应：①反应热效应较小的反应。
②温度对目的产物收率影响不大的反应。
③虽然反应热效应大，但单程转化率较低的反应或者有大量惰性物料存在，使反应过程中温升小的反应。
（2）多段绝热式反应器催化剂床层的温度波动较小，但结构比较复杂，催化剂装卸困难。
多段绝热反应器按段间换热方式的不同可分为三类：①间接换热式②原料气冷激式③非原料气冷激式2、换热式反应器当反应热效应较大时，为了维持适宜的温度条件，必须利用换热介质来移走或供给热量。
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、流化床、移动床、浆态床比较
四种反应器形式比较一、固定床反应器（一）概念凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备都称为固定床反应器。
而其中尤以利用气态的反应物料，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在化工生产中应用最为广泛。
例如石油炼制工业中的加氢裂化、歧化、异构化、加氢精制等；无机化学工业中的合成氨、硫酸、天然气转化等；有机化学工业中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙烯水合制乙醇、乙苯脱氧制苯乙烯、苯加氢制环己烷等。
（二）特点结构简单、操作稳定、便于控制、易实现大型化和连续化生产等优点，是现代化工和反应中应用很广泛的反应器。
1、优点主要表现在以下几个方面：1）在生产操作中，除床层极薄和气体流速很低的特殊情况外，床层内气体的流动皆可看成是理想置换流动，因此在化学反应速度较快，在完成同样生产能力时，所需要的催化剂用量和反应器体积较小。
2）气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性。
3）催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。
4）适宜于高温高压条件下操作。
2、由于固体催化剂在床层中静止不动，相应地产生一些缺点：1）催化剂载体往往导热性不良，气体流速受压降限制又不能太大，导致床层中传热性能较差，也给温度控制带来困难。
对于放热反应，在换热式反应器的入口处，因为反应物浓度较高，反应速度较快，放出的热量往往来不及移走，而使物料温度升高，这又促使反应以更快的速度进行，放出更多的热量，物料温度继续升高，直到反应物浓度降低，反应速度减慢，传热速度超过了反应速度时，温度才逐渐下降。
所以在放热反应时，通常在换热式反应器的轴向存在一个最高的温度点，称为“热点”。
如设计或操作不当，则在强放热反应时，床内热点温度会超过工艺允许的最高温度，甚至失去控制而出现“飞温”。
此时，对反应的选择性、催化剂的活性和寿命、设备的强度等均极不利。
2）不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，破坏了正常操作，所以催化剂的活性内表面得不到充分利用。
固定床反应器结构及原理
固定床反应器结构及原理又称填充床反应器，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。
它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。
固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。
用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。
涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。
1、轴向绝热式固定床反应器流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。
下图是绝热式固定床反应器的示意图。
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反应就可以了。
（1）径向绝热式固定床反应器流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。
径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短，流道截面积较大，流体的压力降较小。
但径向反应器的结构较轴向反应器复杂。
以上两种形式都属绝热反应器，适用于反应热效应不大，或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。
由多根反应管并联构成。
管内或管间置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在25~50mm之间，管数可多达上万根。
列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。
此外，尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。
例如:当反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热反应器串联成多级绝热式固定床反应器，反应器之间设换热器或补充物料以调节温度，以便在接近于最佳温度条件下操作。
（3）对外换热式固定床反应器对外换热式反应器以列管式为多。
通常是在管内放催化剂，管间走热载体(在用高压水或用高压蒸汽作热载体时，则把催化剂放在管间，而使管内走高压流体)。
（4）多段绝热式固定床反应器3、自身换热式反应器（自热式反应器）反应前后的物料在床层中自己进行换热称作自热式反应器。
第六章_固定床反应器详解
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
第六章_固定床反应器
固定床反应器；
流化床反应器；
移动床反应器。
n固体催化剂颗粒堆积起来所形成的固定床层
静止不动，气体反应物自上而下流过床层，
进行反应的装置称作固定床反应器。
主要固定床催化反应过程如下表
基本化学工业 烃类水蒸气转化 一氧化碳变换 石油化学工业 催化重整 二氯化烷 异构化 醋酸乙烯酯
一氧化碳甲烷化
氨合成 二氧化硫氧化 甲醇合成
主要固定床催化反应过程如下表基本化学工业石油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催化重整异构化二氯化烷醋酸乙烯酯丁二烯苯乙烯加氢脱烷基611固定床反应器的优缺点固定床层内的气相流动接近平推流有利于实现较高的转化率与选择性
第六章 固定床反应器
1
6.1 概 述
n
气固相催化反应器可分三大类：
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
如图(a)所示。这种反应器结构最简单，实 际上是一个容器，催化剂均匀堆置于床内
，预热到一定温度的反应物料自上而下流
过床层进行反应，床层同外界无热交换。
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(2)径向绝热式固定床反应器
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。
1 b fm a b R m d puo R m
• 反应床层压降
例题
• 乙烯在银催化剂上氧化制环氧乙烷，年 产环氧乙烷1×106 kg,采用二段空气氧化 法。主要反应为：
• C2H4+1/2O2 C2H4O • △H1= -103.4kJ/mol(25℃)
固定床反应器设计
孔隙率分布
4、流体在固定床中流动的特性
流体在固定床中的流动情况较之在空管中的流动要复杂得多。 固定床中流体是在颗粒间的空隙中流动，颗粒间空隙形成的孔道 是弯曲的、相互交错的，孔道数和孔道截面沿流向也在不断改变。
空隙率是孔道特性的一个主要反映。在床层径向，空隙率分布的 不均匀，造成流速分布的不均匀性。
催化剂微孔内的扩散过程对反应速率有很大的影响。反应物进入微孔后， 边扩散边反应。如扩散速率小于表面反应速率，沿扩散方向，反应物浓度 逐渐降低，以致反应速率也随之下降。采用催化剂有效系数对此进行定量 的说明。
实际催化反应速率 催化剂化剂内表面与外温度, 浓度相同时的反应速率
rP rS
结论：当 ≈1时，反应过程为动力学控制，当 ＜1时，反应过程为内
扩散控制。
内扩散不仅影响反应速率，而且影响复杂反应的选择性。如平行反应中， 对于反应速率快、级数高的反应，内扩散阻力的存在将降低其选择性。又 如连串反应以中间产物为目的产物时，深入到微孔中去的扩散将增加中间 产物进一步反应的机会而降低其选择性。
注意事项：
固定床反应器内常用的是直径为3~5mm的大颗粒催化剂，一般难 以消除内扩散的影响。实际生产中采用的催化剂，其有效系数为 0.01～1。因而工业生产上必须充分估计内扩散的影响，采取措施 尽可能减少其影响。在反应器的设计计算中，则应采用考虑了内扩 散影响因素在内的宏观动力学方程式。
外扩散过程
流体与催化剂外表面间的传质。
NA kcASe cGA cSA
在工业生产过程中，固定床反应器一般都在较高流速下 操作。因此，主流体与催化剂外表面之间的压差很小， 一般可以忽略不计，因此外扩散的影响也可以忽略。
结论：外扩散的影响也可以忽略。
《固定床反应器》
(1B)
1h1rsdp2 3(s)
(6-24)
Rep d pG, pr Cp, 2(12)(B 0. 20 1.6 26)
编辑ppt
所以， e的求算过程为：
根据dp/dt查图6-14
6-23
e
Re pr
根据dp G Cp μ λ计算 Re, pr
λ 流体导热
λS 颗粒导热（粒内）
0 e
φ 颗粒接触传热
层装催化剂，管内走反应
催化剂
原料
气体，壳程走传热介质。
优点是传热效果好，反应
后的气体可实现急速降温
换 热
或升温，通常反应时间短， 介
质
气体流动类似于平推流。
如甲醇氧化反应器。
产物
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• 自热式固定床反应器
在这类反应器内，原料气 先与反应后的气体通过管 壁进行热交换，预热，再 进行反应，一般用于热效 应不大的高压反应。例如 合成氨反应器。不过现在 趋向多段绝热式。
原料气
剂均匀堆于床内。内部无换热构件(下
部催化剂支撑结构，上部气体分布装
置)。结构简单，造价便宜，反应器体
催
积得到充分利用。但通常只用于化学
化
剂 反应热效应不大，并且反应温度范围
相对较宽的过程。例如乙苯脱氢反应
器，无加热装置(实验室用电阻丝加 热)，实际工业过程通过加高温水蒸气
产物
供热。
编辑ppt
• 多段绝热床反应器
比其它因素对压降更为敏感。 在生产过程中，流体的压头有限，床层压降往往有重
要影响，因此一般固定床中的压降不宜超过床内压力 的15%。
编辑ppt
(6) 固定床中的传热
化学反应大都伴有热效应，如对于放热反应，如何把 产生的热量及时传递出来是维持反应正常进行首先要 考虑的问题。
固定床反应器和流化床反应器
固定床反应器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。
2.固定床反应器优点1)固定床中催化剂不易磨损；2)床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。
3)由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大生产中尤为重要。
3.固定床反应器缺点1)固定床中的传热较差；2)催化剂的更换必须停产进行。
4.类型固定床反应器形式多种多样，按床层与外界的传热方式分类，可有以下几类：●绝热式固定床反应器●多段绝热式固定床反应器●列管式固定床反应器，●自热式反应器。
（1）绝热式固定床反应器下图是绝热式固定床反应器的示意图。
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反应就可以了。
典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。
反应需供热140kJ／mol，是靠加入高温(710℃)水蒸汽来供应的(乙苯:水蒸汽=1: 2.6(质量))，混合后在630℃入床，离床时降到565℃。
在此，水蒸汽的作用是：a) 可以带入大量的显热；b) 起稀释作用，使反应的平衡向有利于生成苯乙烯的方向移动，提高单程转化率；c) 使催化剂可能产生的结炭随时得到清除，从而保持反应器长期连续运转。
（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）冷激，以控制反应温度在一定的范围内 。
化工反应过程之固定床反应器
化工反应过程之固定床反应器固定床反应器是一种常见的化工反应器，广泛应用于工业生产中的催化反应、气体吸附分离、气体净化等领域。
它的特点是反应物固定在反应器内的催化剂床层上，反应过程中通过流体将反应物质质量传递到催化剂表面进行反应，反应生成物质通过床层离开反应器。
固定床反应器的结构主要由反应器本体、进料管、排料管和反应器床层组成。
反应器本体通常由金属材料制成（如不锈钢），具有良好的发热、承压和耐腐蚀性能。
进料管在反应器底部引入反应物质，排料管则在反应器顶部将反应生成物排出。
床层是固定床反应器的核心部分，通常由催化剂颗粒物质装填而成，具有大的比表面积和较高的孔隙度，以提供足够的反应表面积和反应空间。
固定床反应器在化工生产中具有重要的应用。
首先，它广泛用于催化反应。
在固定床反应器中，催化剂床层有效地提供了反应的活性表面，使得反应速率得以提高。
例如，加氢反应、氧化反应、脱氢反应等都可以使用固定床反应器进行。
其次，固定床反应器也被用于气体吸附分离和气体净化。
吸附剂床层能够吸附特定成分，实现气体组分的分离和纯化。
此外，固定床反应器还适用于颗粒物质的固液分离、固气分离等过程。
固定床反应器的工作原理主要包括质量传递和物质平衡两个方面。
在反应物进入床层前，需要先经过预热区，以使其达到适宜的反应温度。
之后，在床层内发生质量传递过程，即反应物质通过流体传递到催化剂表面，发生化学反应。
在反应过程中，需要保持适宜的温度和压力条件，以提供反应的最佳反应速率和选择性。
反应生成物质则随着流体一起流出固定床反应器。
固定床反应器的优势在于：一、反应物质与催化剂的接触充分，反应效率高；二、催化剂寿命长，催化剂载体不易破碎；三、床层的填料物质易于更换和维护；四、反应器体积相对较小，能够实现高度效能的连续化生产。
然而，固定床反应器也有一些缺点需要克服。
首先，反应床层在长时间运行后会出现积碳、堵塞等现象，需进行定期清洗和更换床层。
其次，固定床反应器对反应物料的物理性质要求较高，如化学性质、颗粒度等。
反应器设计原理-第四章 固定床反应器-PPT
按水力半径的定义：
RH 流道有效截面积 床层的空隙体积 流道润湿周边长 总的润湿面积 Se
(4-11)
因此，床层的当量直径
d e 4 RH 4 2 ds Se 3 1
2 ( ) sd p 3 1
(4-12)
4.2.2
固定床的流动特性
JD
k c D G
2/3
k P G G D M
2/3
(4-25)
Sh
kc d p D
(4-26)
Sc
D
d P u
(4-27)
Re
(4-28)
传质系数的关联式很多，选择几个比较广泛使用的公式供参考。 对气体：Sc = 0.5～3
根据热量衡算，传热速率应等于反应的放热(或吸热)速率，即
ha (Ts Tb ) (H ) (rA )
(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
1、流动特性
2、气体的分布 4.2.3 固定床反应器的床层压力降
流体在空圆管中作等温流动时，当流体密度的变化可以忽略不计时，
2 L0 f u 0 P P0 PL 4 f dt 2
(4-13)
当4-13式用于计算固定床层的压力降时，u0应为流体在床层孔道中的 真正平均流速u，而 u u 0 ，dt应为当量直径de，而 合并在修正摩擦系数fM中，经处理，可得到：
(4-23)
Pe a
d P u d P u D Dea ea
Re Sc
固定床反应器
上式可整理成
trhAp aH mAQ(Pr)2/3/JH
其中，传热数
Q rAHA
amcpG
普朗特数 Pr cP/
图6-12是上式的关联图，查图可求 得不同条件下的Δt。
图6-12 固定床中流体与颗粒外表面的温热参数，一般是指 λer 。 λe值与颗粒与流体之间对流传热，颗粒及流体本身的 导热，床层的辐射传热等多种传热作用有关。它不是物性参 数，而是流体和固体颗粒特性以及流动状态的函数。
关。按一维拟均相处理，设计方法与PFR相似。
对右图固定床反应器取一微元段进行物料衡算
设计方程
(rA)dW FA0dA x
WdWWxAf dxA
0 FA0 FA0 xA0 (rA)
床层高度
L W S B
一般来说，固定床反应器换热比较困难，很难做到等温操作，
此法仅用于对反应器进行估算。
6.3.2 单层绝热式固定床反应器 定常态操作时，与流动方向垂直的截面上温度、浓度均匀一致，且
二、固定床反应器的种类 （1）绝热式反应器
图6-1 绝热床反应器
间接换热式 图6-3 多段绝热床反应器
冷激式
（2）对外换热式反应器
图6-4 对外换热式反应器
特点：单位床层体积具有的传热面积大，传热性能良好； 反应器放大设计可靠性高。
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
同时考虑轴向和径向的温度和浓度分布。 二、非均相模型
考虑颗粒与流体之间的温度差和浓度差。 一般来说，模型考虑得越全面，对过程模拟越精确，但计算工作 量也越大，甚至无法求解。因此，在工程计算允许的误差范围内应尽 可能选用简单模型。
6.3.1 等温反应器的计算 床层温度均匀一致，反应速率常数为常数，反应速度仅与浓度有
固定床、移动床、流化床反应器区别
固定床、移动床、流化床反应器区别固定床、移动床、流化床反应器，这三种反应器都是有固体颗粒床层的反应器一、首先，“床”指的是什么？大量固体颗粒堆积在一起，便形成了具有一定高度的颗粒床层，这就是名称里的"床"。
这些固体颗粒可以是反应物，也可以是催化剂。
如何区分固定床、移动床、流化床反应器如果这个颗粒床层是固定不动的，就叫固定床。
如果这个颗粒床层是整体移动的，固体颗粒自顶部连续加入，又从底部卸出，颗粒相互之间没有相对运动，而是以一个整体的状态移动，叫做移动床。
当流体（气体或液体）通过颗粒床层时，进行反应。
如果将流体通过床层的速度提高到一定数值，固体颗粒已经不能维持不变的状态，全部悬浮于流体之中，固体颗粒之间进行的是无规则运动，整个固体颗粒的床层，可以像流体一样流动，这即是流动床。
二、固定床反应器的详细介绍又称填充床反应器，内部装填有固体催化剂或固体反应物，以实现多相反应。
固体物通常呈颗粒状，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。
固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。
用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。
涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。
优点：（1）催化剂机械磨损小。
（2）床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。
（3）由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率。
（4）可在高温高压下操作。
缺点：（1）固定床中的传热较差。
（2）催化剂的再生、更换均不方便，催化剂的更换必须停产进行。
（3）不能使用细粒催化剂，但固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。
目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。
固定床反应器的分类（一）按传热方式分类1、绝热式反应器绝热式固定床催化反应器在反应过程中，床层不与外界进行热量交换。
固定床反应器
tG气流主体温度。
hp的计算可通过传热JH因子来关联：
JH
(
hp CpG
)(
Cp
)2
3
JH为传热因子，无量纲，传热因子的求取，书上推荐了3个公式：
BJH
2.876
(dpG / )
(d
0.3023
pG / )0.35
G 表观质量流速（空管流速）kg/m2.h；
(6-16)
适用范围：dpG/μ=10~1000；dp＜6mm；温度＜400℃。
0.51 J H 0.904Re
0.41 J H 0.613Re
0.01＜Re＜50
50＜ Re ＜1000
(6-18)
Re G / se dsG / 6(1 B )
(6-19)
am C p G
JH
Qpr2 / 3 JH
(6-21)
Q
(H A )(rA )
amC p G
称为传热数
pr Cp
对气相：Pr = 0.6~1.0 ；液相：Pr = 2~400
是t 传热数Q、Pr 、Re的函数，见P167 关联图6-12。实际上，一般
均很t小，催化剂外表面与气流主体的温度可看作为近似相等。
① 颗粒与流体主体之间的传热系数 hp （给热系数）
从催化剂外表面向流体主体之间传热速率方程：
q hpam (ts tG )
q 传热速率 kcal/kgcat.h；
a单m 位质量催化剂床层的外表面积 m2/kgcat；
是外表面积校正系数，催化剂点接触，线接触，面接 触引起面积减少修正项(球形颗粒 =1；圆柱形
固定床反应器设计
3.床层空隙率及径向流速分布
如果固定床与外界换热，床层非恒 温，存在着径向温度分布，则床层 中径向流速分布的变化比恒温时还 要大；当管内数增大时，径向流速 分布要趋向平坦。 如图所示。管式催化床内直径一般 为25～40mm，而催化剂颗粒直 径一般为5～8mm，即管径与催 化剂颗粒直径比相当小，此时壁效 应对床层中径向空隙率分布和径向 流速分布及催化反应性能的影响必 须考虑。
d S S dV S 2 d a
3
2.混合颗粒的平均直径及形状系数
当催化剂床层由大小不一、形状各异的颗粒组成时，计算混合颗粒的平均 粒度及形状系数。 混合颗粒平均直径：算术平均直径法、调和平均直径法 。 算术平均直径法 n d P xi d i
i 1
调和平均直径法 ：
固定床反应器内的传热过程
（1）反应热由催化剂内部向外表面传递； （2）反应热由催化剂外表面向流体主体传递； （3）反应热少部分由反应后 的流体沿轴向带走，主 要部分由径向通过催化剂和流体构成的床层传递至 反应器器壁，由载热体带走。 注意：上述的每一步传热过程都包含着传导、对流 和辐射三种传热方式。 传热过程处理和计算方法
空隙率的定义：催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比 。
1 B S
讨论空隙率的意义：催化剂床层的重要特性之一，它对流体通过床层的压力降、 床层的有效导热系数及比表面积都有重大的影响。 影响床层空隙率大小的因素：颗粒形状、颗粒的粒度分布、颗粒表面的粗糙度、 充填方式、颗粒直径与容器直径之比等。 壁效应 ：器壁对空隙率分布的这种影响及由此造成对流动、传热和传质的影 响。 一般工程上：达 d t / d P 达8时，可不计壁效应，故工业上通常要求d t 8d P 。
固定床反应器结构和工作原理
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。
它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。
固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烧类蒸汽转化炉等。
用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。
涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。
（一）轴向绝热式固定床反应器流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。
奋箜舞¾b同坨超土屋是小反应λ⅛奉位它的结构简单，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反应就可以了。
(≡)径向绝热式固定床反应器流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。
径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短,流道截面积较大,流体的压力降较小。
但径向反应器的结构较轴向反应器复杂。
以上两种形式都属绝热反应器,适用于反应热效应不大,或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。
由多根反应管并联构成。
管内或管间置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在25~50mm之间，管数可多达上万根。
列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。
此外，尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。
例如：当反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热反应器串联成多级绝热式固定床反应器,反应器之间设换热器或补充物料以调节温度，以便在接近于最佳温度条件下操作。
（五）多段绝热式固定床反应器。
第六章_固定床反应器
SS da π
29
• 比表面积当量直径： (非球形颗粒折合成相 同比表面积的球形颗粒应当具有的直径）
SS πd 2 6 VS 6 SV dS 6 3 VS πd d SV SS 6 • 混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒
子直径的加权平均，xi 是直径为d i 的粒子的 1 质量分率）。 d m xi di
如体积、外表面积、比表面积当量直径。28
• 体积当量直径：(非球形颗粒折合成同体积 的球形颗粒应当具有的直径）
π 3 球形体积：VS d 6
6VS dV π
1
3
• 外表面积当量直径： (非球形颗粒折合成 相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS πd
1.898 10 Pa
5
40
甲醇制烯烃项目：
改性的 ZSM-5 催化剂其中催化剂的比表面积为 300~600m2/g，孔容体积为 0.3~0.8cm3/g
反应器结构的计算
• 1 催化剂的填充量
• 反应管长度的计算
• 管束尺寸和反应管的排列
pb u 2 fm o H dp
1 b b
39
③ 计算床层压降
150 um g 1 B p L 3 Re 1.75 d B m S
2
150 G 2 1 B L 3 Re 1.75 d m S g B
2 150 6 . 2 1 0.44 1.75 4 3 3 1903 3.96 10 2.46 0.44
冷激，以控制反应温度在一定的范围内 。
图 (c) 是用于 SO2 转化的多段绝热反应器，
固定床反应器介绍
单段绝热式
2021/3/10
返9回
多段绝热式
2021/3/10
返10回
对外换热式
2021/3/10
返11回
对外换热式结构
2021/3/10
返12回
加氢反应器结构示意图
2021/3/10
13
固定床反应器实物
2021/3/10
返14回
固定床反应器
一、固定床反应器的工业背景 二、固定床反应器的工作原理
1、固定床反应器的工作原理 2、固定床反应器的原理动画
三、固定床反应器的结构形式 四、固定床反应器的工艺仿真说明
1、固定床反应器的DCS图 2、固定床反应器的现场图
2021/3/10
1
固定床反应器的工业背景
反应器是化工生产中的关键设备，是人们通过一定 的手段抑制副反应、提高转化率、提高生产能力的化学 反应设备。
凡是流体通过静态固体颗粒形成的床层而进行 化学反应的设备都称作固定床反应器。
分为气-固相催化反应器和液-固相催化反应器 两种。
其中以气态反应物料通过由固体催化剂所构成 的床层进行化学反应的气-固相催化反应器在化工 生产中应用最为广泛。
2021/3/10
返4回
固定床反应器的原理动画
2021/3/10
催化剂用量少，反应器体积小，催化剂的颗粒不 易磨损，可在高温高压下操作等。
主要缺点
流体流速不能太快，传热性能差，温度分布不易 控制均匀.
在放热反应中，换热式反应器轴向位置存在“热 点”，易造成“飞温”；
不能使用细颗粒的催化剂，且催化剂的再生和更
换不便。 2021/ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ/10
3
固定床反应器的工作原理
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23
列管式反应器优点： • 传热较好，管内温度较易控制； • 返混小、选择性较高；
• 只要增加管数，便可有把握地进行放大；
• 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。
作反应物 作催化剂
固定床外形
圆柱状，高 径比介于釜 式反应器与 塔式反应器 之间。内有 流体分布装 置和固体支 撑装置。
4
固定床主要组成部分
（P44图4-2）圆筒状的外壳 、气体分布装置、催化剂支 撑装置等。
气体分布器作用：气体分布均匀， 强化传质、传热。
主要固定床催化反应过程如下表
基本化学工业 烃类水蒸气转化 一氧化碳变换 石油化学工业 催化重整 二氯化烷 异构化 醋酸乙烯酯
自上而下流过床层进行反应，床层同 外界无热交换。
15
(2)径向绝热式固定床反应器
如图 (b) ，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
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。
28
b.自热式固定床催化反应器
只适用于
放热反应。
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。
第四章 固定床反应器 (1)
1
气固相催化反应器可分三大类： 固定床反应器； 流化床反应器； 移动床反应器。
固体催化剂颗粒堆积起来所形成的
固定床层静止不动，气体反应物自上 而下流过床层，进行反应的装置称作
固定床反应器。
固定床反应器类型
• 固定床非 催化反应器
• 固定床催 化反应器
固 体 颗 • 粒
结构简单，床层横截面温度均匀。单位体
积内催化剂量大，即生产能力大。但只适 用于热效应不大的反应。
8
绝热式固定床反应器类型
绝热式固定床反应器按床层分类， 可分为： 单段绝热式固定床反应器；
多段绝热式固定床反应器。
原料气
催化剂
单段绝热式固定床反应器
产物
10
特点：
单段绝热式固定床反应器
该反应器结构简单，体积利 用率高，但催化剂层上下温差 大，适用于反应热效应小、催 化剂允许温度波动范围宽等场 合。
，管径一般为 25 ~30㎜，管数可达万根以上
。管内装催化剂，传热介质流经管间进行加
热或冷却。
反应管
• 列管式固定床反应器具有良好的传热性能 ，单位床层体积具有较大的传热面积，可用 于热效应中等或稍大的反应过程。反应器由 成千上万根“单管”组成。一根单管的反应
性能可以代表整个反应器的化反应器 a. 对外换热式固定床催化反应 器：适用于放热反应+吸热 反应，多为列管式结构
19
体
列管式 固定床 反应器
列管式固定床反应器
热效应较大，不宜采用绝热式反应器，可
采用换热式固定床反应器，此设备如同列管
式换热器，又称为列管式固定床反应器。
如图所示，反应器由多根反应管并联构成
段间的换热方式有间接换热式 和直接换热式两种(p44最后一段)
间接换热式：反应混合物的温度（ T）发生改变，组成不变； 直接换热式：反应混合物的温度（
T）和组成均发生改变。
14
(1)轴向绝热式固定床反应器
如图 (a) ， 这种反应器结构最简单， 实际上是一个容器，催化剂均匀堆置
于床内，预热到一定温度的反应物料
一氧化碳甲烷化
氨合成 二氧化硫氧化 甲醇合成
丁二烯
苯酐 苯乙烯
顺酐
环已烷 加氢脱烷基
6
4.2 固定床反应器分类
固定床反应器形式多种多样，按反应
过程是否换热分类，可有以下几类：
绝热式固定床催化反应器；
换热式固定床催化反应器。
1.绝热式固定床催化反应器
反应器外壳包裹绝热保温层，使催化剂床
层与外界没有热量交换；中空圆筒的底部 放置搁板，上面堆放固体催化剂；气体从 上而下通过催化剂床层。
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℃
27
3.熔盐：温度范围300℃～400℃，由无机熔
11
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）冷激， 以控制反应温度在一定的范围内
多段绝热式固定床反应器
特点：
该反应器每段催 化剂层上下温差 小，但体积利用 率低，适用于反 应热效应大和催 化剂允许温度波 动范围窄等场合。
13
多段绝热式固定床反应器
但其结构较复杂，操作弹性较小，启动
反应时常用电加热。
29
本课小结
• 固定床反应器的含义； • 固定床反应器的构成部分； • 固定床反应器的分类： 按床层
单段
多段
按是否
绝热式
换热
换热式
30