固定床反应器经典
固定床反应器工作原理
固定床反应器工作原理
固定床反应器是一种常见的化学反应装置，其工作原理基于固定床的设计和反应物质在固定床中通过反应产生化学变化。
在固定床反应器中，反应物质流经固定在反应器内的催化剂床层。
催化剂床层通常是由均匀分散的催化剂颗粒组成。
当反应物质通过床层时，催化剂与反应物之间发生相互作用，触发化学反应。
固定床反应器的特点在于，反应物的流动与催化剂床层的固定形成了一个逐渐被消耗的反应物质流动带。
反应物质从反应器的进料口进入固定床，并流经床层中的催化剂，同时发生化学反应。
在流动过程中，反应物质的浓度逐渐降低，而生成物的浓度逐渐增加。
由于固定床反应器内的催化剂床层是固定的，反应物质通过床层时，催化剂的活性成分将不断参与化学反应，而不会被带走。
这种催化剂的固定状态在反应器运行期间始终保持稳定，并且能够持续地促进化学反应。
此外，固定床反应器还具备良好的热负荷分布和传热特性。
固定床内的催化剂床层由于较大的表面积，能够提供充足的接触面积来促进热的传导和传热。
这有助于保持反应器内的恒定温度，并提高化学反应的效率。
总的来说，固定床反应器通过将反应物质与催化剂在固定的床层中接触和反应，实现了连续、高效的化学反应过程。
这种反
应器在化工领域中广泛应用于各种反应，如催化裂化、加氢、氧化等，发挥着重要的作用。
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》
设备固定床反应器课件
定期对反应器内部进行清洁，清理积料和 杂质，保持设备内部的清洁度。同时对设 备外部进行保养，保持设备的外观整洁。
更换配件
记录与报告
根据需要，定期更换设备的易损件和磨损 件，如密封圈、加热元件等，确保设备的 正常运行。
对设备的运行情况、维护保养情况、故障 处理情况等进行记录和报告，为设备的维 修和保养提供依据。
异常处理
在反应过程中出现异常情况时，应ห้องสมุดไป่ตู้即采取相应的处理措 施，如降低温度、停止进料、排放有害气体等，确保设备 和人员安全。
操作步骤
按照规定的操作步骤启动反应器，包括加热、加料、调节 参数等，并密切关注反应过程中的温度、压力、流量等关 键参数。
停机操作
在停机时，应按照规定的操作步骤进行，包括关闭加热、 停止进料、冷却设备等，同时做好设备的清洁和保养工作 。
在新能源领域的应用
固定床反应器在新能源领域主要 用于燃料电池和太阳能电池的生
产。
在燃料电池中，固定床反应器能 够实现高效能、低成本的氢气和
氧气分离。
在太阳能电池中，固定床反应器 能够用于硅片的加工和处理，提
高太阳能电池的转换效率。
03
设备固定床反应器的操作与维护
操作规程
启动前检查
在启动固定床反应器之前，应检查设备是否处于良好的工 作状态，包括检查各部件的紧固情况、润滑系统、阀门开 闭状态等。
在气固相催化反应中，固定床反应器能够提供良好的传质和传热性能，提高反应效 率。
在液固相非催化反应中，固定床反应器能够实现连续操作，提高生产效率和产品质 量。
在制药生产中的应用
固定床反应器在制药生产中主 要用于抗生素、生物制品和中 药的生产。
固定床反应器能够提供稳定的 生产条件，保证药品质量和安 全性。
固定床反应器的日常运行与操作
通过优化固定床反应器的操作和催化剂性能，该机构在化 学反应研究和催化剂开发方面取得了重要突破，为相关领 域的发展提供了有力支持。
THANKS
感谢观看
VS
操作员需要通过控制加热和冷却介质 流量来调节反应器的温度。在启动反 应器前，需要预热至适宜的温度，避 免因温度过低导致催化剂失活或因温 度过高导致催化剂烧结。同时，需要 密切关注温度变化，防止因温度过高 或过低对反应结果产生不利影响。
压力调节
压力对固定床反应器的操作具有重要影响，压力波动可能导致催化剂失活或机械 故障。
工作原理
在固定床反应器中，反应物料通过催化剂床层进行化学反应 。催化剂固定在反应器内，不随物料一起流动。反应过程中 ，温度和压力等条件可控制，以获得最佳的反应效果。
流程
固定床反应器的操作流程包括进料、反应、出料等步骤。进 料前需对催化剂进行活化或预处理，出料后通常还需进行后 处理或分离操作。根据不同的化学反应和工艺要求，固定床 反应器的操作参数和流程会有所不同。
03
固定床反应器的操作技巧
进料控制
控制进料流量是固定床反应器操作的关键，流量过快或过慢 都可能影响反应效果。
操作员需要根据反应需求，通过调节进料泵的转速或阀门的 开度，保持稳定的进料流量。同时，需要定期检查进料管线 是否堵塞或泄漏，确保进料流量稳定且符合工艺要求。
温度调节
温度是化学反应的重要参数，对固 定床反应器的温度进行精确控制至关 重要。
优化换热系统
改进换热器设计，提高换 热效率，降低热量损失。
能耗监测与控制
实时监测能耗数据，通过 智能控制技术优化能耗， 降低运行成本。
安全性能提升
安全防护措施
01
安装安全阀、防爆膜等安全设施，预防超压、过热等危险情况。
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6章 固定床反应器
固定床反应器
6.1 固定床反应器的概述 一、固定床反应器的特点 二、固定床反应器的分类
1
一、固定床反应器的特点
水蒸气
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
乙苯
催化剂
图6-1乙苯脱氢的绝热床反应器
G um —— 质量流速；
校正摩擦系数 fm和指数n可由图6-11查取。
28
二、床层压降
29
二、床层压降
影响固定床压力降的因素： 流体的密度 流体 流体的粘度 流体的质量流率 床层的高度
床层
床层的空隙率
流通截面积
颗粒的形状 颗粒 颗粒的粒度 颗粒的表面粗糙度 颗粒的物理特性
例题6-1
30
三、固定床中的传热
+颗粒空隙体积 21
颗粒床层体积 VB =颗粒体积
床层空隙率εB
球形 圆柱形 不规则 粒径/管径（dp/dt）
22
一、粒子直径和床层孔隙率
三、固定床的当量直径 1、床层比表面—单位床层中颗粒的外表面
Se
npap VB
(1 B )VB p a p Vp p ap VB
(1 B )
产品
2
一、固定床反应器的特点
1、固定床反应器的优点是： ①返混小，床层内流体的流动接近平推流。 ②较少的催化剂和较小的反应容积可获得较大的生产能力。 ③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。 ④催化剂机械损耗小。 ⑤结构简单，操作方便。
3
一、固定床反应器的特点
2、固定床反应器的缺点是： ①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出 现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。 ②操作过程中催化剂不能更换。 催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床 反应器或移动床反应器。
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。
精细化工过程与设备_第五课_固定床反应器
（3）空速Sv 单位体积的催化剂在单位时间内所通过的原料标准体积流量称为空 间速率，简称空速，即
Sv =
uoN
VR
式中 Sv
uoN
VR
空速，h-1;
原料气标准体积流量，m3/h; 催化剂堆积体积，m3。
第五章 固定床反应器
SG =
在单位
wG
Ws
式中 SG 催化剂负荷，kg /(kg· h)或kg /(m3· h); WG 单位时间内处理的某一物料量，kg / h。
（6）使用寿命 催化剂的使用寿命是指催化剂 在反应条件下具有活性的使用时间，或活性 下降经再生而又恢复的累计使用时间。它也 是催化剂的一个重要指标，催化剂寿命越长， 使用价值越大，所以高活性、高选择性的催 化剂还需要有长的使用寿命。催化剂的活性 随运转时间而变化。
(b) 沉积沾污
(c) 烧结
(d) 经由气体损失 图5.2 催化剂失活原因图解
③ 烧结、挥发和剥落， 烧结是引起催化剂活性下降 的另一个重要因素，由于催化剂长期处于高温下操 作，金属会融结而导致晶粒长大并减少孔隙，减少 了催化金属的比表面积。烧结过程与时间和温度有 关，在一定的反应条件下催化剂随着使用时间的增 长总会伴有烧结而导致活性下降。化工操作切忌迅 速升温，这样常会导致催化剂的迅速失活。这种情 况常出现在负载催化剂上，因为很多载体是热的不 良导体。工业上使用的催化剂要注意使用的工艺条 件，重要的是要了解其烧结温度，催化剂不允许在 出现烧结的温度下操作。 ④ 沾污， 催化剂表面渐渐沉积铁锈、粉尘、 水垢等非活性物质而导致活性下降的现象。沾污的 影响与积炭相近。
1，活性组分（或主催化剂）， 它是催化剂的主要成分，是起 催化作用的根本性物质，没有它，就不存在催化作用。活性 组分有时由一种物质组成，如乙烯氧化制环氧乙烷的银催化 剂，活性组分就是银单一物质；有时则由多种物质组成，如 丙烯氨化氧化制丙烯腈用的钼-铋催化剂，活性组分就是由氧 化钼和氧化铋两种物质组合而成。 2，助催化剂， 一些本身对某一反应没有活性或活性很小， 但添加少量于催化剂中（一般小于催化剂总量的10%）却能 使催化剂具有所期望的活性、选择性或稳定性的物质称为助 催化剂。例如，用于脱水的AI2O3催化剂可用CaO、MgO、 ZnO作为助催化剂。
13固定床反应器的选择X
反应器-13固定床反应器的选择气固相催化固定床反应器的选择选择固定床反应器的原则－－什么反应需要用固定床反应器？ 气固相催化反应首选－－非常普遍如，合成氨、硫酸、合成甲醇、环氧乙烷乙二醇、苯酐及炼油厂中的铂重整等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达到湍流。
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）。
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。
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：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具有的直径）外表面积： (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）形状系数：用体积相同的球形颗粒的外表面积比上非球形颗粒的外表面积。
比表面积： (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）－颗粒密度－床层堆积密度，床层体积颗粒体积床层体积空隙体积P B PBB P B 111ρρρρε-=-=-==V V V31S 3S π66πd V d V =⎪⎭⎫ ⎝⎛⇒=球形体积：a21S 2S ππd S d S =⎪⎭⎫⎝⎛⇒=球形外表面积：1≤≡PS SA A ϕ混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子直径的加权平均）流体通过固定床的压力降:压降产生原因：摩擦阻力ΔP 1：由于流体颗粒表面之间的摩擦产生。
局部阻力ΔP 2：流体在孔道内的收缩、扩大及再分布所引起的。
压降计算通常利用厄根（Ergun ）方程:压降的计算 ΔP=ΔP 1+ ΔP 2= Pa简化式当 时：ΔP=ΔP 1 当R eM >103时：ΔP=ΔP 2设计要求：ΔP ≤15%P 操 工业上降低压力降的办法： ↑ε、↓L 0、↓u OG 、↑d S 等。
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。
第五章 固定床气-固相催化反应器
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；
（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
见。
列管式固定床反应器外冷列管式、外 部供热管式二种。
外部供热管式催化床
用于吸热反应，催化剂装 载在管内，管外用热载体，如 烟道气，温度可高达600～ 700℃左右。
列管式固定床反应器：外冷列管式
原料 催化剂
蒸汽 调节阀
补充水
产物
外部供热管式
列管式反应器优点
①传热面积大，传热效果好，易控制催化剂床层 温度，反应速率快，选择性高。 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
（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。 多段绝热催化床可以分为间接换热式和冷激式。
固定床列管式反应器的设计03(决赛国学改)
2.3 换热面积
................................................................................................................................. 17
三 设备尺寸计算 ............................................... 18
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。在温度为 325℃时候单程的丙烯醛收率为 90.2％，丙烯酸的收率为 6.0％，总收率为 96.2％。原料组成反应器一的物料衡算表格可 以确定。反应温度控制在 320℃左右，出料温度为 250℃，该反应是放热反应，反应产生 的热量要及时通过熔盐经熔盐换热器带走。 反应温度 反应温度对选择性、空时收率及出口气中各组分气体含量有一定关系。当选择操作温 度比较低时，反应的选择性较好，但空时收率较低；随着温度的升高，反应选择性略有下 降，与此同时空时收率在逐渐提高。温度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ续升高，由于完全氧化副反应的加剧，使得反 应选择性明显下降，而且因为大量的氧气被消耗在完全氧化副反应上，使得反应器出口气 中氧气的含量大幅度地减少，并有一定量的一氧化碳生成，而一氧化碳的存在可使催化剂
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
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
固定床反应器介绍
按换热方式分类有绝热式、对外换热式和自热式；
以反应器的结构形式又可分为釜式、管式、塔式、 固定床和流化床等反应器。
返回
气-固相催化反应器的特点
主要优点 床内流体呈理想置换流动，流体停留时间可严格 控制，温度分布可适当调节。 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。
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
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。 在反应器内不仅有化学变化过程，还有传质和穿热 过程。 按反应物系聚集状态可分为均相和非均相反应器；
固定床反应器的工作原理
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。
返回
固定床反应器的原理动画
返回
固定床反应器的结构形式
固定床反应器实物
返回
管式固定床反应器 径向固定床反应器一 径向固定床反应器二 单径绝热反应器 单段绝热式 多段绝热式
第六章 固定床反应器
漳州师范学院化学与环境科学系
陈建华
6ห้องสมุดไป่ตู้1概述 概述
一:固定床反应器 固定床反应器 定义： 1. 定义：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。 的床层而进行反应的装置。 2.优缺点： 催化剂不易磨损。 2.优缺点：①催化剂不易磨损。 ②床层内流体 优缺点 平推流，较少量催化剂可获较大生产能力。 →平推流，较少量催化剂可获较大生产能力。 传热较差。 ③传热较差。
• 颗粒的定型尺寸－－最能代表颗粒性质 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。 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， 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、 直径表示。方法有三，体积、外表面积、 比表面积。 比表面积。 • 体积：(非球形颗粒折合成同体积的球形 体积： 非球形颗粒折合成同体积 折合成同体积的球形 1 颗粒应当具有的直径） 颗粒应当具有的直径） π 3 6VS 3 球 体 ： S= d ⇒ 形 积 V = dV 6 π • 外表面积： (非球形颗粒折合成相同外 外表面积： 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 应当具有的直径） 表面积的球形颗粒应当具有的直径）1 SS 2 2 球 外 面 ：SS = πd ⇒ 形 表 积 = da π
空 隙体 积 颗 粒体 积 VP ρB =1− =1− =1− εB = 床层体积 床 层体 积 VB ρP
ρB－床层堆积密度，ρP－颗粒密度
• 若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒的床 若不考虑壁效应， 其空隙率与颗粒大小无关。 层，其空隙率与颗粒大小无关。
• 壁效应：靠近壁面处的空 壁效应： 隙率比其它部位大。 隙率比其它部位大。 • 为减少壁效应的影响，要 为减少壁效应的影响， 求床层直径至少要大于颗 粒直径的8 以上。 粒直径的8倍以上。
石油化工工厂装备-08固定床反应器-概述PPT课件
固定床反应器的缺点
传热差，可能出现“飞温”（温度失去控 制，急剧上升，超过允许范围 ）
操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要 频繁再生的反应一般不宜使用
•5
固定床反应器是石油化工中应用最为普遍的 反应器之一
乙烯氧化制取环氧乙烷 脱除乙烯中的乙炔 乙苯脱氢制苯乙烯
反应区均为流体相，催化剂为固体
•11
结论：
绝热床反应器主要用于结构简单，催化剂 装填量大，属高温、高压大型反应器。
•12
•6
二、固定床反应器的结构
绝热式固定床反应器
固定床反应器
换热式固定床反应器
轴向反应器
径向反应器自然式ຫໍສະໝຸດ 外热式单段绝热床反应器
多段绝热床反应器
•7
(1)单段绝热式固定床反应器
结构简单，反 应器体积利用 率高 ，适用于 热效应不大， 温度要求不严， 单程转化率低 的反应
•8
单段式固定床反应器串联
•9
(2)多段绝热式固定床反应器
适用于热效 应较大，速 度慢的反应
•10
（3）径向反应器
反应器由顶部进入，沿径向经催化剂床层，反应 物进入中心管集合，再从底部流出
优点： <1>气体流程短，压降小，可使用较细催化剂，
提高利用率 <2>减少二次反应，提高反应选择性 <3>减少床层顶部的催化剂，因进料冲击而磨损
鼓泡塔
固定床
•1
第五章 固定床反应器
第一节 概述
•2
一、固定床反应器的特点及工业应用
“固定床”名称中 “固定”的是什么？ 固定的是催化剂 床层
定义：反应物料在静止的催化剂床层上进行反应的装置
•3
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
0.078 床层主体空隙率 Z D 1.80
Zr
2r Dt
12.98 2.61 Z D 13.0 Z D 3.156 2.932 Z D 9.864 0.724 ZD Z D 13.0
J 0 Bessel函数
ห้องสมุดไป่ตู้
2017/5/8
版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系
2017/5/8 版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系 4
Mueller(1991年)提出关联式，适用
ZD
Dt 2.61 dP
r
b J0 (a zr )(1 b )ebz
其中，
b 0.379
a 8.243 a 7.383 b 0.304
单参数模型本来更简单，但有效导热系数的径向变化使模 型处理复杂化，边界条件处理不合理，丧失模型简单的优点。 两维模型参数关联式
0 er er
0.0025 Re P 1 46(d P / Dt ) 2 Dt Re P dP
模型参数分为静态 和动态两部分
0 hw hw 0.00152
( B1)
换热介质能量衡算方程
dTc 4U uc cCPc (T Tc ) dz Dt
(C1)
流动阻力方程
gu2 dP fk dz dP
版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系
(D1)
2017/5/8
18
模型方程求解时的边界条件
绝热反应器
z 0处，CA CA0，T T0，P P 0
反应物流和载热体并流时
z 0处，CA CA0，T T0，Tc Tc0，P P 0
常微分方程初值问题求解
反应物流和载热体逆流时
z 0处，CA CA0，T T0，P P 0 z L处，Tc Tc 0
常微分方程两点边值问题求解
2017/5/8 版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系 19
固定床反应器中由于 催化剂粒子使流体的径 向混合局限在颗粒尺度 范围内，造成径向有较 大温度分布，如右图。 均相的假设不合理。
2017/5/8 版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系 11
一、简化一维模型传热参数
简化一维传热模型
w 一维模型传热参数
dQ w (Tb Tw )dA
er 为径向位置的函数
2017/5/8
Z 0, T T0 T r 0, 0 r r 1, T Tw
版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系
13
两参数模型物理意义明确，要求流型符合平推流，Yagi和 Kunii通过实验证实两参数模型与实际过程吻合。在轴向无传热 时，径向温度成对数分布关系，且离壁一薄层温度变化剧烈。
两维模型与一维模型参数转换关系
1
w
2017/5/8
R 4er
1 hw
版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系 14
5.2 固定床反应器的数学模型
A.拟均相模型
T TS C CS
一 维
AⅠ: 理想流动 基础模型
即同PFR计算方法相同, 但反应速度采用宏观反 应速率 o (rA ) 径向温度和浓度相同,轴 向引入有效导热系数 和 有效扩散系数Dez ,表面壁 面传热系数ho 引入径向有效导热 和扩散系数 er , Der
dCi dz dT u g CP (T0 T ) ea dz dCi dT z L处 = =0 dz dz z 0处 u (Ci 0 Ci ) Dea
当活化能高、强放热和返混影响显著 时，反应器可能存在多重定态问题
2017/5/8
模型参数轴向有效扩 散和导热系数不仅和 物性有关，还与颗粒 形状和堆叠方式、流 动状况有关
工业固定床反应器由于流速很高，通常可满足
2017/5/8 版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系 21
5.2.3 拟均相二维模型AⅢ
列管式固定床反应器的管径较粗或反应热效应较 大时，管内径向梯度较大。
C A 2C A 1 C A u Der ( 2 ) B (rA ") z r r r T 2T 1 T u g CP er ( 2 ) B (rA ")(H ) z r r r
Tb , Tw 主体平均温度和壁面温度
固体催化剂的存在，使传热系数远大于空管，且于粒径有关
固定床同空管传热系数对比
d P / Dt
0.05 5.5
0.10 7.0
0.15 7.8
0.20 7.5
0.25 7.0
0.30 6.6
w /
De Wasch和Froment关联式
0 wd P w dP 0.024 ReP g g
2017/5/8
版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系
12
二、两维模型传热参数
依据对径向温度分布的不同有两类模型，两参数模型认为 径向温度在壁面发生不连续变化，单参数模型认为径向温度 在壁处是连续变化，但有效导热系数随径向变化。 (1) 两参数模型 Z 0, T T
0
CP G
因此
d u l2 Der P 2 D 8
Peclet数为
Pe r
d Pu 8 Der
实验平均值 Pe
2017/5/8 版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系
r
10
9
(2) 轴向扩散
假设流体在轴向的扩散距离平均值等于粒径，有 则
d u l2 Der P 2 D 2
2017/5/8 版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系 17
物料衡算方程
dFi i dVR uSdCi i Sdz
dCi u B" i dz
( A1)
能量衡算方程
m dT 4U " u g CP B rj (H j ) (T Tc ) dz Dt j 1
• 5.3 拟均相一维模型的求解 • 5.4 固定床反应器的热特性
2017/5/8 版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系 3
5.1 固定床中的传递过程
5.1.1 床层空隙率分布与径向速度分布
由于管壁的约束作用，催化剂装填时会形成一定的排列结 构，使空隙率形成径向分布，进而影响到流动速度而形成速 度分布。 1. 空隙率分布 实验研究表明球体催化剂填 充固定床反应器中空隙率分 布如图示，靠近壁面处表现 出衰减振荡特征，直到离开 壁面4-5个粒径后消失。 Benenati和Brosilow介绍实验测定空隙率的方法。
l dP D dP / u
Peclet数为
Pe a
d Pu 2 Der
实验测量结果
Pea 1 2
2017/5/8 版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系 10
5.1.4 固定床中的热量传递过程
均相反应器设计中，反应器内部的径向混合可认为 很好，热阻集中在管壁附近，器内温度认为是平坦的 ，仅在壁面处不连续变化， 可用一维模型描述。
高等反应工程
第五章 固定床反应器
主要优点：
流体流动为平推流，反应物浓度较高 流体的停留时间可严格控制，控制串联副反应 操作弹性大，增大管径可增大管数
反应器型式：
连续换热的反应器，列管式 多段绝热固定床反应器，段间换热 自热式反应器 轴向温度曲线，床层压降(径向流动反应器)，非线性 严重的系统，考虑热稳定性和参数敏感性。
2017/5/8 版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系 2
第五章 固定床反应器
• 5.1 固定床中的传递过程 • 5.2 固定床反应器的数学模型
5.2.1 拟均相基本模型 5.2.2 拟均相轴向分散模型 5.2.3 拟均相二维模型 5.2.4 考虑颗粒界面梯度的活塞流非均相模型 5.2.5 考虑颗粒界面梯度和颗粒内梯度的活塞流非均相模型 5.2.6 非均相二维模型
5.2.2 拟均相基本模型AⅡ
基本模型+轴向返混扩散 物料衡算方程 d 2C
Dea dz
2
i
u
dCi B" i dz
( A2)
能量衡算方程
边界条件
m d 2T dT 4U ea 2 u g CP B rj" (H j ) (T Tc ) ( B 2) dz dz Dt j 1
a
因传质扩散系数与Peclet数成反比，轴向扩散比径向扩散大6倍 (1) 径向扩散 l2 爱因斯坦关系式 Der 2 D 扩散系数是扩散距离与扩散时间函数，流体 每运动一个扩散长度约为颗粒半径，运动时间 和流体经过一层填料时间数量级相同
l dP / 2 D dP / u
2017/5/8 版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系 8
T 1 T T er 2 Z r r r
2
T 0 r T r 1, er hw (T Tw ) r r 0,
er 为常数，hw为壁给热系数，反映壁处气膜对传热的影响
(2) 单参数模型
2T 1 T er T T CP G er 2 + Z r r r r r
版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系 16
5.2.1 拟均相基本模型AⅠ
拟均相：将非均相反应系统简化为均相系统处理， 认为流体和固体相间无浓度和温度梯度。 模型适用： (1) 反应为速率控制步骤，流-固相间和固体内部的传 递阻力均很小，流体相、固体外表面、固体内部 的浓度和温度认为接近相等。 (2) 各相间存在浓度和温度梯度，其影响已被包括在 表观动力学模型中。 一维模型：仅考虑轴向的梯度，径向无梯度 活塞流假设：即轴向不存在返混