固定床气固相催化反应器
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第五章气固相催化反应器
以是催化剂，也可以是固体反应物。或者
说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。
固定床催化反应器
单段绝热式 绝热式
多段绝热式
连续换热式 外热式 自热式
优缺点： • ①床层内流体流动接近平推流。（返混、催化剂少
和较小的反应器容积来获得较大的生产能力） • ②严格控制停留时间，温度分布可以适当调节，因
• 根据换热介质的不同可分为外热式和自热式。
• 外热式：用某种和反应无关的热载体加热或冷却反应 床层的反应器。它一般用于强放热或强吸热反应。其 型式多用列管式，通常将催化剂放在管内，管间通过 载热体，也有的与之相反。载热体可根据反应过程所 要求的温度，反应热效应，操作压力及过程对温度的 敏感度来选择。一般采用强制循环进行换热。
四、固定床流体力学
1、颗粒的当量直径和形状系数 • （1）体积当量直径dV
Vp=4/3πR3 dV =(6Vp/π)1/3
（2）等外表面积当量直径Dp
Dp
Sp
（3）等比表面积当量直径ds
比表面：SV
Sp Vp
ds2 d 1 3
6s
6 ds
ds
6 SV
6Vp Sp
（4）形状系数（球形系数）
颗粒外表面Sp，等体积球形的外表面积Ss
第五章 气-固相催化反应器
一、反应器类型
反应器的选择：动力学、反应器性能
分为三类： 固定床（最多） 流化床（比较多）：反应器内固体粒子可以象流体一样 被流化起来。 移动床（较少）：固体颗粒自反应器顶部连续加入，自 上而下移动，由底部卸出。反应流体与颗粒逆流接触。
1、固定床反应器
• 反应器内填充有固定不动的固体颗粒，可
固定床气固相催化反应工程
固定床气固相催化反应工程引言固定床气固相催化反应工程是一种重要的化学工程领域，广泛应用于石化、生物质转化和环保领域。
本文将介绍固定床气固相催化反应工程的基本概念、原理及其在实际应用中的重要性。
固定床气固相催化反应工程是指在固定床催化剂上进行的气固相催化反应过程，其特点是催化剂稳定性高，反应产物易于分离，反应条件易于控制。
基本概念固定床气固相催化反应工程是指将气体在固定床催化剂上进行气相催化反应的一种工程化技术。
通常，固定床催化反应器由反应器壳体、催化剂床层、进料装置、催化剂床层和出料装置等组成。
固定床催化剂是反应器中的核心部件，其选择应考虑催化剂的活性、选择性、稳定性和成本等因素。
常用的固定床催化剂包括金属催化剂、金属氧化物催化剂、分子筛催化剂等。
在反应过程中，气体通过催化剂床层与催化剂进行接触，发生催化反应，生成所需的产物。
原理固定床气固相催化反应工程的原理基于气体在催化剂床层中与催化剂发生接触与化学反应的过程。
反应过程可以分为吸附、扩散和反应三个步骤。
首先，气体组分通过物理吸附或化学吸附附着在催化剂表面。
随着反应进行，反应物逐渐被吸附到催化剂表面，形成活性吸附物种。
然后，吸附在催化剂表面上的反应物分子通过表面扩散进入催化剂内部，与催化剂中的活性中心发生反应。
在扩散过程中，反应物分子移动到催化剂内部，并在催化剂孔隙中扩散。
最后，反应物在催化剂内部与催化剂活性中心发生反应，生成所需的产物。
反应产物可以通过物理吸附或化学反应从催化剂表面解吸并释放出来。
应用领域固定床气固相催化反应工程广泛应用于石化、生物质转化和环保领域。
具体应用包括以下几个方面：1.石化领域：固定床气固相催化反应工程在石化行业中广泛应用于合成氨、氢气制备、甲醇制备、乙烯制备等重要化学反应过程中。
通过优化反应条件，提高催化剂的活性和选择性，可以提高反应效率，减少能源消耗和废物排放。
2.生物质转化：固定床气固相催化反应工程在生物质转化领域中起到重要作用。
6气固相催化反应固定床反应器
常数k为常数，计算大大简。化
28
• 2绝热：若绝热，则T=Tr，或者认为U=0。
• 此时，将物料衡算式与热量衡算式合并， 可得：
d T H u 0 cA 0A i F A 0 H d x upc g A i m p c
• λ：绝热温升，如果在一定范围内视物性 为常数， λ将不随x及T变化。则：
第二段：
1 x 2out
r x 2in
体积：(非球形颗粒折合成同体积的球形
颗粒应当具有的直径）
1
外球 表面积形 ： V (非S体 球6 π 形d3 颗 积 粒折合： 成 6 相V πS同 3 外 表dV
面积的球形颗粒应当具有的直径） 1
球形外SS表 6 πd2面 积 S π S： 2da
若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒的床 层，其空隙率与颗粒大小无关。
4
壁效应：靠近壁面处的空 隙率比其它部位大。
为减少壁效应的影响，要 求床层直径至少要大于颗 粒直径的8倍以上。
5
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。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。
dP dl
150 Re m
1
.75
1
3 B
B
g
u
2 m
ds
式中：Re m
: 修正的雷诺数，Re m
dsum g
g 1 B
u
：平均流速
m
空塔气速
l：床层高度
ds : 颗粒当量直径
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
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
化学反应工程_第五章__气-固相催化反应工程
（6）径向位置：中心处ε↓，近壁处ε↑。
7、固定床的空隙率及径向流速分布
◆壁效应
器壁对空隙率的影响以及由此造成的对“三传、一 反”的影响，称为壁效应。 dt/dp ↓，壁效应↑，于是在反 应器设计时为了减小壁效应，应使dt/dp＞8。 ◆流速分布：流速分布图见图5-14。
二、单相流体在固定床中的流动及压力降
原料气冷激
非原料气冷激
单段绝热式
x
平衡温度线
最佳温度线
T
多段固定床绝热反应器 产 品 原 料 （a）间接换热式 Ⅰ Ⅱ Ⅲ x
平衡温度线
最佳温度线
Ⅳ
T
多段固定床绝热反应器 产 品 原 料 （b）原料气冷激式
Ⅰ x Ⅱ
平衡温度线
Ⅲ
Ⅳ
最佳温度线
T
多段固定床绝热反应器 原 料 Ⅰ Ⅱ x
平衡温度线
VS s B 床层空隙体积 VB VS 1 1 1 W 整个床层体积 VB VB S W
B
7、固定床的空隙率及径向流速分布 ◆影响ε的因素
（1）颗粒形状：φs↑ε↓； （2）粒度分布：分布宽， ε↓
（3）表面粗糙度：粗糙度↑ε↑；
（4）填充方式：紧填充， ε↓ （5）dp / dt ： dp / dt ↑ε↑；
列管式反应器优点：
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。 适用于原料成本高，副产物价值低以及分离不是十分 容易的情况。
三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况
拟均相模型：化学动力学控制，不考虑颗粒内部
反应工程第二版 第六章气固相催化固定床反应器
dxA RA B
dl
u0cA0
：催化剂堆密度
B
dxA
RA B
dl u0cA0
L 0
dl u0
cA0
xA出 0
dxA
RA B
•
•
对照平推流反应器模型 二者相同
VR V0
cA0
dx xA出
A
0 rA
23
• 热量衡算：（仍然是那块体积）
输入热量－输出热量+反应热效应
=与外界的热交换+积累
x1in,T1in x1out, T2in x2out T3in x3out T4in x4out
35
x
在T－x图上看：
0
二氧化硫氧化反应T－x图示意
T
斜线为段内操作线，斜率为1/λ。 水平线表示段间为间接冷却，只是温度降低，转化率不变。
36
• 调用最优化程序，就可以求得W最小值？
• 可以，但很困难。
输入：G cp T G质量流量, cp恒压热容
输出：G cp(T+dT)
反应热效应：(-RA)(1-εB)(-ΔH)Aidl
热交换：U(T-Tr)πdidl
di反应器直径
积累：0
U:气流与冷却介质之间的换热系数
Tr：环境温度
24
• 将各式代入，得
dT
RA 1 B H U
4 di
T
Tr
dl
ucp g
粒径 ds/mm 质量分率 w
3.40 0.60
4.60 0.25
6.90 0.15
• 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。
第五章 固定床气-固相催化反应器
连续换热式固定床催化反应器的分类
⑴按反应管的形式，可分为：单管式、双套管 式和三套管式 ⑵按热源，可分为：外热式和自热式，又分有 内冷自热式、外冷列管式、外部供热管式三 种。 ⑶按冷热气体的流向，可分为：并流式和逆流 式 ⑷按反应气体在催化床中的流动方向，可分为： 轴向反应器和径向反应器。
自热式反应器
缺点：结构较复杂，设备费用高。 适用: 能适用于热效应大的反应。原料成本高，副 产物价值低以及分离不是十分容易的情况。
加压热水作载热体的反应装置
以加压热水作载热体的固定床反应装置示意图
1-列管上花板；2-反应列管；3-膨胀圈；4-汽水分离器；5-加压热水泵
用有机载热体带走反应热的反应装置：
反应器外设置载热体冷却器，利用载热体移出的反 应热副产中压蒸汽。 1-列管上花板； 2、3-折流板； 4-反应列管；
外冷列管式催化床
用于放热反应，催化剂装载在管内， 以增加单位体积催化床的传热面积。载热 体在管间流动或汽化以移走反应热。 载热体的选择：合理地选择载热体是 控制反应温度和保持稳定操作的关健。载 热体的温度与催化床之间的温差宜小，但 又必须移走大量的反应热。反应温度不同， 选用的热载体不同。
一般反应温度在200—250℃时，采用加压 热水汽化作载热体而副产中压蒸汽； 反应温度在250~300℃时，可采用挥发性 低的有机载热体如矿物油，联苯—联苯醚 混合物； 反应温度在300℃以上时，采用熔盐作载 热体，熔盐吸收的反应热都用来产生蒸汽。 无机熔盐(硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混 合物, KNO353%，NaNO37%，NaNO240% ) 可用于300～400℃的情况。
（1）列管式固定床反应器 这种反应器由多根管径通常为25~50㎜ 的反应管并联构成，但不小于25mm。管数可 能多达万根以上。管内装催化剂，催化剂粒 径应小于管径的8倍，通常固定床用的粒径 约为2～6mm，不小于1.5mm。载热体流经管 间进行加热或冷却。在管间装催化剂的很少
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
5固定床气-固相催化反应工程
规律充分了解的基础上建立的），因次可以高 倍数放大，它可以进行设计放大，也可以对现 有的设备进行校核，实现最佳控制。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
4、几个基本概念：
1）非均相模型：颗粒内部和相间的传热，传质 计入模型。
2）拟均相模型：化学动力学控制，不考虑颗粒 内部及相间传递。
确定，反应器及换热器工艺尺寸的计算。 ※机械设计：机械结构设计和强度设计。 ※设计前具备条件： ①热力学数据及有关物性数据。 ②反应动力学及传递过程模型及数据。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
※反应器设计应遵循的原则： ①根据工艺特点和工程实际情况，确定最佳工艺
条件，而且要有一定的操作弹性。 ②反应器的类型和结构要考虑工艺条件，设备制
第5章 固定床气-固相催化反应工程
目录
5.1 固定床气-固相催化反应工程 5.2 固定床流体力学 5.3 固定床热量与质量传递过程 5.4 绝热式固定床催化反应器 5.5 连续换热内冷自热式催化反应器 5.6 连续换热外冷及外热管式催化反应器 5.7 薄床层催化反应器
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
造、检修、cat.的装卸。 ③反应器的内、外件要合理放置，使气流分布均
匀， ④机械结构要可靠。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
二 固定床催化反应器的数学模型
1、定义：它是用数学方程式表示实际过程中各 个参数的关系，用电子计算机进行设计放大的 方法。
2、建立数学模型的步骤 对过程进行解析（研究它的微观动力学，传递过
3）一维模型：dT dC 0 ，只考虑轴相变化。
dr dr
4）二维模型：dT 0, dr
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
4、几个基本概念：
1）非均相模型：颗粒内部和相间的传热，传质 计入模型。
2）拟均相模型：化学动力学控制，不考虑颗粒 内部及相间传递。
确定，反应器及换热器工艺尺寸的计算。 ※机械设计：机械结构设计和强度设计。 ※设计前具备条件： ①热力学数据及有关物性数据。 ②反应动力学及传递过程模型及数据。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
※反应器设计应遵循的原则： ①根据工艺特点和工程实际情况，确定最佳工艺
条件，而且要有一定的操作弹性。 ②反应器的类型和结构要考虑工艺条件，设备制
第5章 固定床气-固相催化反应工程
目录
5.1 固定床气-固相催化反应工程 5.2 固定床流体力学 5.3 固定床热量与质量传递过程 5.4 绝热式固定床催化反应器 5.5 连续换热内冷自热式催化反应器 5.6 连续换热外冷及外热管式催化反应器 5.7 薄床层催化反应器
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
造、检修、cat.的装卸。 ③反应器的内、外件要合理放置，使气流分布均
匀， ④机械结构要可靠。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
二 固定床催化反应器的数学模型
1、定义：它是用数学方程式表示实际过程中各 个参数的关系，用电子计算机进行设计放大的 方法。
2、建立数学模型的步骤 对过程进行解析（研究它的微观动力学，传递过
3）一维模型：dT dC 0 ，只考虑轴相变化。
dr dr
4）二维模型：dT 0, dr
第七章：气固相催化反应固定床反应器.
]dl T T (d h 4
1(R (H [(C u 1dl
dT w t
0B A P
g m --ε--∆-ρ=
边界条件0A 0T T ,
0X ,
P P ,
0L ====
2.等温反应器的计算
0dl
dT =
(反应速率常数k为定值
出口压力3
B
B S g 2
m em 01d u 75. 1R 150
(L P P εε-⋅ρ+-=床层高度(由
7.2— 5
/1S
v V 6(
d π
= d 6
1V (3
v s π=
式中S V为颗粒的体积。b.面积当量直径(a d 2
/1S
a S
(
d π
= d S (2
a s π=
式中S S为颗粒的外表面积。c.比表面积当量直径(S d
即与颗粒具有相同比表面积的球体直径S
S
V
S S
V 6
S
6d ==
d 6R
3V S S (s
反=dl 1(R (A H (B A t ε--∆-导出dl d T T (h t w 0⋅π-=
h 0—床层对器壁的给热系数⋅⋅s m /J 2
℃
dl d T T (h dl A 1(R (H ( dT T (GC T GC t W 0t B A P P +⋅π-=ε--∆-++-
注意:g t m A u G ρ=
=-∆H-ε--=
由于X随l不是线性变化,因此床壁温度沿床高亦非线性变化,而需按一定的规律加以改变,因此实际上很难做到。3.单层绝热床的计算绝热操作时的数学模型
3
B
1(R (H [(C u 1dl
dT w t
0B A P
g m --ε--∆-ρ=
边界条件0A 0T T ,
0X ,
P P ,
0L ====
2.等温反应器的计算
0dl
dT =
(反应速率常数k为定值
出口压力3
B
B S g 2
m em 01d u 75. 1R 150
(L P P εε-⋅ρ+-=床层高度(由
7.2— 5
/1S
v V 6(
d π
= d 6
1V (3
v s π=
式中S V为颗粒的体积。b.面积当量直径(a d 2
/1S
a S
(
d π
= d S (2
a s π=
式中S S为颗粒的外表面积。c.比表面积当量直径(S d
即与颗粒具有相同比表面积的球体直径S
S
V
S S
V 6
S
6d ==
d 6R
3V S S (s
反=dl 1(R (A H (B A t ε--∆-导出dl d T T (h t w 0⋅π-=
h 0—床层对器壁的给热系数⋅⋅s m /J 2
℃
dl d T T (h dl A 1(R (H ( dT T (GC T GC t W 0t B A P P +⋅π-=ε--∆-++-
注意:g t m A u G ρ=
=-∆H-ε--=
由于X随l不是线性变化,因此床壁温度沿床高亦非线性变化,而需按一定的规律加以改变,因此实际上很难做到。3.单层绝热床的计算绝热操作时的数学模型
3
B
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。
化学反应工程 第五章 气-固相催化反应工程
第五章
气－固相催化反应工程
第一节 概述 5－1 气－固相催化反应器的基本类型 5－2 反应器设计原则 5－3 催化反应器的数学模型 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节 固定床的三传特性
各类固定床及其数学模型
流化床及其数学模型 催化反应过程进展
第一节
5－1
概述
气－固相催化反应器
床 层 深 度
反 应 进 度
温度
温度
轴向反应器VS径向反应器
Rp 3 kv Deff
1 1 1 ζ= th(3 ) 3
VS
固定床反应器优缺点
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，在大规模的化工生产中尤为重要。 ① 固定床中的传热较差； ② 催化剂的更换必须停产进行。
原料气
x
平衡温度线
催化剂
最佳温度线
产物
T
2，多段固定床绝热反应器 （a）间接换热式
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
x
平衡温度线
最佳温度线
Ⅳ T
2，多段固定床绝热反应器
Ⅰ Ⅱ
（b）原料气冷激式
Ⅲ Ⅳ
x
平衡温度线
最佳温度线
T
2，多段固定床绝热反应器 Ⅰ
Ⅱ
(c)非原料气冷激式
Ⅲ Ⅳ
x
平衡温度线
最佳温度线
T
二、连续换热式固定床催化反应器
ΔP 500
流化床反应器 fluidized reactor
气－固相催化反应工程
第一节 概述 5－1 气－固相催化反应器的基本类型 5－2 反应器设计原则 5－3 催化反应器的数学模型 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节 固定床的三传特性
各类固定床及其数学模型
流化床及其数学模型 催化反应过程进展
第一节
5－1
概述
气－固相催化反应器
床 层 深 度
反 应 进 度
温度
温度
轴向反应器VS径向反应器
Rp 3 kv Deff
1 1 1 ζ= th(3 ) 3
VS
固定床反应器优缺点
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，在大规模的化工生产中尤为重要。 ① 固定床中的传热较差； ② 催化剂的更换必须停产进行。
原料气
x
平衡温度线
催化剂
最佳温度线
产物
T
2，多段固定床绝热反应器 （a）间接换热式
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
x
平衡温度线
最佳温度线
Ⅳ T
2，多段固定床绝热反应器
Ⅰ Ⅱ
（b）原料气冷激式
Ⅲ Ⅳ
x
平衡温度线
最佳温度线
T
2，多段固定床绝热反应器 Ⅰ
Ⅱ
(c)非原料气冷激式
Ⅲ Ⅳ
x
平衡温度线
最佳温度线
T
二、连续换热式固定床催化反应器
ΔP 500
流化床反应器 fluidized reactor
化学反应工程-20-第六章-气固相催化反应固定床反应器
∂V R v0 C A0 ∂ x Aif − 1 ∂ (− R A ) = dx A ∫x 2 ∂Ti 0 1 − ε B ∂Ti 0 Ai 0 (− R A ) ∂Ti 0
1 ∂ (− RA ) 即： ∫ dx A = 0 LL (7 ) 2 x Ai 0 ( − RA ) ∂Ti 0
2 dP 150 1 − ε B ρ g u0 = LL (3) − Re + 1.75 ε 3 dS B dl m dx (− RA )(1 − ε B ) LL (4) A= u m 0C A0 dl dT (− ∆H )(− R )(1 − ε ) rA A B LL (5) = u0 ρ g C P dl T L = 0时 P = P0，x A = 0， = T
6.3.2单层绝热反应床的设计计算 单层绝热反应床的设计计算 一、平衡温度及最优温度分布 可逆放热反应： A + B ⇔ R + S 设动力学方程： r1 = k1 f 1 (C A、C B )， r2 = k 2 f 2 (C R、C S )
k = k0e
−
E RT
平衡温度 Teq： (r1 = r2 )
S t u m 0 C A0 VRi = S t Li = 1− ε B
整个催化剂体积：
v 0 C A0 dx A ∫x Ai0 (− R A ) = 1 − ε B
x Aif
dx A ∫x Ai0 (− R A )
x Aif
vC VR = ∑ VRi = 0 A0 1− ε B i
dx A ∑ ∫x Ai0 (− R ) i =1 A
(
)
λ 式中： 为绝热温升，在一定工况下，近似为常数；
第五章气固反应
第三节 固定床热量与质量传递过程
三、床层与器壁间的给热系数 h0 一维模型中，床层与器壁间传热速率为
q h0 A(tm tW ) t m ：床层平均温度; tW ：器壁温度;
h0可由经验公式计算
h0 d p
d p e 2 (b) [a1 ] dt y
（适用范围：y > 0.2）
第五章 固定床气-固相催 化反应工程
覃吴
内
容
第一节 固定床气固相催化反应器的基本类型和数学模型
第二节 固定床流体力学
第三节 固定床热量与质量传递过程 第四节 绝热式固定床反应器 第五节 连续换热内冷自热式催化反应器 第六节 连续换热外冷及外热管式催化反应器
第七节 薄床层催化反应器
第一节 固定床气固相催化反应器的基本类型和数学模型
hrV
第三节 固定床热量与质量传递过程
颗粒的辐射给热系数： h
rs
3
Tm 2 hrs 0.227 [W/(m K)] 2 100
式中，
—— 粒子表面的热辐射率；
Tm —— 床层的平均温度； hrs —— 颗粒辐射给热系数；
—— 颗粒接触点处流体薄膜对导热的影响。
(3) 混合颗粒平均直径
n x d p =1/ ∑ i ) （ i= d i 1
(4) 固定床当量直径及空隙率 de=4RH=4/Se=2/3*(ε/1-ε)*ds (5)空隙率及径向流速 了解即可
第二节 固定床流体力学
2. 单相流体在固定床中的流动及压降 p (1) 流动(了解即可) 固定床压降表示： (2) 压降 2
绝 热 式 多段绝热式
非原料气冷激式 加压热水（＜240℃） 导热油（250~300 ℃） 熔盐（＞300 ℃）
化学反应工程_气固相催化固定床反应器
22
• 热量衡算：（仍然是那块体积） 输入热量－输出热量+反应热效应 =与外界的热交换+积累 输入：G cp T G质量流量, cp恒压热容 输出：G cp(T+dT) 反应热效应：(-RA)(1-εB)(-ΔH)Aidl 热交换：U(T-Tr)πdidl di反应器直径 积累：0 U:气流与冷却介质之间的换热系数 Tr：环境温度
16
• • • • • • • • •
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。
17
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。 18
150 G 2 1 B L 3 Re 1.75 d m S g B
2
6.2 1 0.44 150 1.75 4 3 3 1903 3.96 10 2.46 0.44 1.898 105 Pa
1
• ②计算修正雷诺数。
d SG 3.96 10 3 6.2 Re m 1906 5 g 1 B 2.3 10 1 0.44
11
• ③计算床层压降。
2 u 150 m g 1 B p L 3 Re 1.75 d B m S
• 热量衡算：（仍然是那块体积） 输入热量－输出热量+反应热效应 =与外界的热交换+积累 输入：G cp T G质量流量, cp恒压热容 输出：G cp(T+dT) 反应热效应：(-RA)(1-εB)(-ΔH)Aidl 热交换：U(T-Tr)πdidl di反应器直径 积累：0 U:气流与冷却介质之间的换热系数 Tr：环境温度
16
• • • • • • • • •
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。
17
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。 18
150 G 2 1 B L 3 Re 1.75 d m S g B
2
6.2 1 0.44 150 1.75 4 3 3 1903 3.96 10 2.46 0.44 1.898 105 Pa
1
• ②计算修正雷诺数。
d SG 3.96 10 3 6.2 Re m 1906 5 g 1 B 2.3 10 1 0.44
11
• ③计算床层压降。
2 u 150 m g 1 B p L 3 Re 1.75 d B m S
第六章 气固相催化反应器设计
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。
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（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。
连续换热式固定床催化反应器的分类
⑴按反应管的形式，可分为：单管式、双套管 式和三套管式
⑵按热源，可分为：外热式和自热式，又分有 内冷自热式、外冷列管式、外部供热管式三 种。
⑶按冷热气体的流向，可分为：并流式和逆流 式
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。
（1）单段绝热式（适用于放热和吸热反应）
原料气
x
平衡温度线
催化剂
最佳温度线
T
产物
单段绝热式固定床反应器，实际上就是一个容器，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。适用于绝热温升较小的反应。
特点：催化剂床层的温度波动小。 缺点：结构较复杂，催化剂装卸较困难 应用：适用于放热反应
Ⅰ
x
Ⅱ
平衡温度线
Ⅲ
最佳温度线
Ⅳ T
（b）原料气冷激式
如果段间用冷流体与上一段出口反应气体混合，称为 冷激式。
【冷激式反应器的特点】
冷激式反应器结构简单,便于装卸催化剂，内无冷臂， 避免由于少数冷管损坏而影响操作，特别适用于大型催化 反应器。
⑵床层内流体的流动接近活塞流，可用较少量的催化剂和较 小的反应器容积获得较大的生产能力，当伴有串联副反 应时，可获得较高的选择性。
• 缺点：
⑴固定床内传热较差，而催化剂的载体又往往是热不良导体。 多数化学反应又伴有热效应，传热和控温就成了难题。
⑵催化剂的更换必须停产进行。为了减少催化剂更换造成的 经济损失，要求催化剂要有足够的寿命。
下表中列出了一些主要的固定床催化反应过程。
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 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
固定床反应器的主要优点及缺点：
• 优点：
⑴由于催化剂固定不动，因此其结构简单，操作方便，催化 剂在床层内不易磨损 。
如：以天然气为原料的大型合成氨厂中的一氧化碳中（高）温变 换及低温变换、甲烷化反应都是使用的单段绝热式固定床反应器。
（2）多段固定床绝热反应器
由多个绝热床组成，段间可以进行间接换热，或 直接引入气体反应物（或惰性组分）以控制反应器 内的轴向温度分布。对于可逆放热反应过程，可通 过段间换热形成先高后低的温度序列利于提高转化 率。
冷激式反应器结构简单,便于装卸催化剂，内 无冷臂，避免由于少数冷管损坏而影响操作，特别 适用于大型催化反应器。
下图是可逆放热单反应四段原料气冷激式操作 状况。
(c)非原料气冷激式
Ⅰ
x
Ⅱ
平衡温度线
Ⅲ
最佳温度线
Ⅳ T
如一氧化碳变换反应器采用过热水蒸汽冷激
2、连续换热式固定床催化反应器
优点：连续换热式反应器中，催化床中反应 与换热过程同时进行，催化床层的温度较 易控制，可使反应在最佳温度范围内进行， 反应速率较快，催化剂利用充分，反应的 选择性也较高。因此，比绝热式反应器应 用更普遍。
⑷按反应气体在催化床中的流动方向，可分为： 轴向反应器和径向反应器。
自热式反应器
• 综合连续换热式反应器和绝热式反应器的特 点，对于某些反应热不太大而在高压下进行 的反应，要求高压容器的催化剂装载系数较 大和每立方米催化床每日的生产能力或空时 产率较高，常采用催化床上部为绝热层，下 部为催化剂装在冷管间而连续换热的催化床， 末反应的气体经冷管而被预热，这种连续换 热式反应器称为自热式。
固定床反应器的分类
• 固定床反应器，按催化剂床层是否与外界进行热量交 换可分为：绝热式和连续换热式两类。
固定床
绝热式
单段绝热式 多段绝热式源自间接换热式 冷激式外冷（热）式 连续换热式
内冷式
原料气冷激 非原料气冷激
1、绝热式固定床催化反应器
绝热式固定床催化反应器：绝热式如 不计入热损失则与外界不换热，对于可逆 放热反应，依靠本身放出的反应热而使反
冷激用的冷流体如果是尚未反应的原料气，称为原料 气冷激式。
下图是可逆放热单反应四段原料气冷激式操作状况。 由于冷激气是原料气，过程的平衡温度曲线和最佳温度曲 线在冷激前后都不变，但是冷激后下一段入口气体的转化 率比上一段出口转化率降低，这相当于段间有部分返混。 被冷激气体的转化率越高，冷激后所造成的返混影响就越 大。因此催化床体积比其他条件相同的间接换热式增大。
多段绝热催化床可以分为间接换热式和冷激式。
（ a ）间接换热式：换热器是列管式，部分反应气 体在管内流动而被冷却，冷却过程中气体的组成 不变。 下图是可逆放热单反应四段间接换热式的操作 状况，在转化率—温度图上有平衡曲线和最佳温 度曲线 。
二氧化硫氧化和乙苯脱氢过程常用多段间接换热式
（a）间接换热式