固定床反应器
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》
固定床反应器
B
床 层 粒 子 总 质 量 m cat
B
床 层 总 体 积
vR
(2) 催化剂粒子直径
① 球型粒子 dP ② 非球型粒子,用相当直径来表示:
A. 体积相当直径 dV ：即采用体积相同的球形颗粒直径来表示。
dv
( ) 6Vp
1 3
VP为非球形颗粒粒子体积 (6-1)
Vp
1 6
dv3
B. 面积相当直径da ：即采用外表面积相同的球形颗粒直径表示。
床层压降计算式：（经验关联式）
P L
f
( )( ) um 2 ds
1B B 3
(6-11)
式中：
f
150 ReM
1.75
ReM
ds um (1B )
为修正雷诺数
(6-12)
代入上式得：
( )( )( ) P d s
3 B
u m 2 L 1 B
1 5 0d (s 1 u m B) 1 .7 5
床 层 比 表 面 积 Se
6(1B)
S
为单位体积催化剂床层所具有的外表面积:
e
Se (1B)a vpp 6(1B)/ds
(6-9)
4 d sB
d e 4 R H 6 (1 B )
d ssd v
2B
3 (1 B ) sd v(6-10)
(5) 床层压降
流体通过催化剂床层产生压降的原因主要来自两个方面： (1) 流体与粒子间摩擦阻力（低流速下主要受其影响）； (2) 流体在孔道中流动时突然扩大，缩小，撞击产生的阻力。 （高流速时主要受此项影响）。
① 颗粒密度(又称假密度) p: 包括粒内微孔在内的全部颗粒的密度。
② 骨架密度p(又称粒 真子 密体 度粒 积 子 )包 质 :括 量 粒孔 子容 骨积 架 （包m vp p 括粒内微孔）密度。
化学反应工程 第六章 固定床反应器
一、颗粒层的若干物理特性参数
密度
– 颗粒密度ρp
• 包括粒内微孔在内的全颗粒密度；
– 固体真密度ρs
• 除去微孔容积的颗粒密度；
– 床层密度/堆积密度ρB
• 单位床层容积中颗粒的质量（包括了微孔和颗粒 间的空隙）；
p s (1 p ) B p(1 B )
一、颗粒层的若干物理特性参数
i
Wi FA0
i
xi dx A
r xi1
i
也即
Z 0 Ti
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A
0
i 1,2, N
min
Z 0
xi
1 ri
xA xi
1 ri 1
xA xi
0
i 1,2, N 1
对 Z 0 的处理 Ti
Z
Ti Ti
xi dx A
r xi1
i
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A
0
i 1,2, N
按中值定理：
Z
Ti
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A
（xi
x
i
1
)
Ti
• 双套管式、三套管式
流体流向：轴向、径向
固定床反应器的数学模型
拟均相数学模型：
忽略床层中颗粒与流体之间温度和浓度的差别 –平推流的一维模型 –轴向返混的一维模型 –同时考虑径向混合和径向温差的二维模型
第九章 固定床反应器
在非球颗粒充填的床层中，同一截面上的ε值， 除壁效应影响所及的范围外，都是均匀的。 但球形或圆柱形颗粒充填的床层，在同一横截面 上的 ε 值，除壁效应影响所及的范围外，还在一 平均值上下波动。 由于壁效应的影响，床层直径与颗粒直径之比越 大，床层空隙率的分布越均匀。 通常所说的床层空隙率指的是平均空隙率。
• 9.3固定床反应器内的传质与传热
• 9.4 固定床反应器的计算方法
5
9.1固定床反应器的特点及结构
• 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臵都称作固定
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。
6
9.1.1固定床反应器的特点及工业应用
• 自热式反应器示意图
21
• 优、缺点：
• 逆流：优点是原料气进入床层后能较快地升温而接 近最佳温度，缺点是反应后期易于过冷。
• 无论逆流还是并流，反应前期放热速率都最大。 • 有些并流式催化反应器中设臵一绝热床，经预热后 的原料气先进入绝热床中反应，使反应气体迅速升 温，然后再进入与原料气进行换热的催化剂管中反 应，这样做既保留并流式后期降温速度慢的优点， 又克服了原料气进入床层后升温速度慢的缺点。
32
图9-6消除初始动能的方法示意图
33
图9-7附加导流装臵示意图
34
9.2.3固定床反应器的床层压力降
• 流过床层的流体，其径向流速分布是不均匀的。
• 径向流速分布：从床层中心处算起，随着径向位臵的增大， 流速增加，在离器壁的距离等于1～2倍颗粒直径处，流速最 大，然后随径向位臵的增大而降低，至壁面处为零。床层直 径与颗粒直径之比越小，径向流速分布越不均匀。
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。
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6章固定床反应器.
ρ、μ—— 流体的密度和粘度；
ds —— 比表面当量直径。
p d S 2 u m L
B 150 1 . 75 1 R B em
3
Rem<10，层流，上式中右边第二项可忽略； Rem>1000，湍流，上式中右边第一项可忽略。
B
床层比表面积：
S e 6( 1 B ) / d S
d s S dV
有效截面积 床层空隙体积 B 水力半径：RH 润湿周边 总的润湿面积 S e 而比表面当量直径：d s 6 / SV
B d e 4 RH 4 4 [ ds ] Se 6(1 B ) 2 B ds 3 (1 B )
φs
0.3 0.3 0.89 0.55
物料
砂 各种形状平均 硬砂 砂 砂 碎玻璃屑
形状
φs
0.75
尖状 尖片状 圆形 有角状 尖角状
0.65 0.43 0.83 0.73 0.65
天然煤灰 大至 10mm 0.65 破碎煤粉 0.75
二、床层空隙率 床层空隙率：粒子间的空隙所占床层容积的分率
式中
空隙体积 颗粒体积 VP B B 1 1 1 床层体积 床层层体 VB P
2、床层当量直径
2 B 2 B d e 4 RH 4 dS S dV Se 3 1 B 3 1 B
B
式中，RH —— 水力半径。 根据水力半径的定义有：
RH
有效截面积
润湿周边
＝
床层的空隙体积
总的润湿面积
p
B —— 床层堆积密度；
—— 颗粒视密度。
固定床反应器
四,固定床反应器的结构? 固定床反应器的结构?
1.绝热式固定床反应器 绝热式固定床反应器 1.1单段绝热式 单段绝热式
催化剂 冷却器 1-矿渣棉 瓷环 催化剂 1-催化剂 2-冷却器 矿渣棉2-瓷环 矿渣棉 瓷环3-催化剂
1.2多段绝热床 多段绝热床
(a),(b),(c)中间换热式 中间换热式;(d),(e)冷激式 中间换热式 冷激式
2,换热式固定床反应器 换热式固定床反应器 2.1,对外换热式固定床反应器 对外换热式固定床反应器
列管式固定床反应器
以加压热水作载热体的固定床反应装置 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
以道生油作载热体的固定床反应装置 1-列管上花板 列管上花板;2,3-折流板 折流板;4-反应列管 反应列管; 列管上花板 折流板 反应列管 5-折流板固定棒 折流板固定棒;6-人孔 人孔;7-列管下花板 列管下花板; 折流板固定棒 人孔 列管下花板 8-载热体冷却器 载热体冷却器
三,固定床反应器的分类及其应用? 多段绝热式 二段 反应 三段 特征 四段 段间反应 原料气冷激式 气冷却或 加热方式 冷激式 非原料气冷激式 加压热水(< 加压热水(<240℃) (< 换 热 式 对外换热式 导热油(250~300 ℃) 导热油( 熔盐(> 熔盐(>300 ℃) (> 自热式 轴向流动固定床反应器 径向流动固定床反应器 中间间接换热式
二,固定床反应器的特点? 固定床反应器的特点?
1.固定床反应器的优点是:①返混小,流体同催化剂可进 固定床反应器的优点是: 返混小, 固定床反应器的优点是 行有效接触,当反应伴有串联副反应时可得较高选择性. 行有效接触,当反应伴有串联副反应时可得较高选择性. 催化剂机械损耗小. 结构简单. ②催化剂机械损耗小.③结构简单. 2.固定床反应器的缺点是:①传热差,反应放热量很大时, 固定床反应器的缺点是: 传热差,反应放热量很大时, 固定床反应器的缺点是 即使是列管式反应器也可能出现飞温(反应温度失去控制, 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 急剧上升,超过允许范围).②操作过程中催化剂不能更 催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用, 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. 流化床反应器或移动床反应器.
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
化工反应过程之固定床反应器
热传导、 热对流、 热辐射。
热传导、 热对流
傅立叶定律：
dQ dl T
z
牛顿冷却定律：
dQ dA T
z
一般情况下，可以把催化剂颗粒看成是等温体，忽略颗粒内
部、颗粒在流体间和床层径向传热阻力，床层的传热阻力全
部集中在管壁处。这样传热过程的计算就可简化成床层与器
壁之间的传热计算
固定床中的传质传热
固 传热速度方程为 dQ t Tm Tw dF
为了消除壁效应，一般，管径与粒径之比应 大于8。
催化剂床层特性
固定床的当量直径de为水力半径RH的四倍
固 定 床
流道有效截面积 4
de
4RH
4 流道润湿周边长
Se
当 量 直
Se
（1 ）AP
VP
（6 1 ）
dS
径
de
4RH
4
Se
2 3 1
dS
流体在固定床中的流动特性
在固定床中，流体在颗粒间的空隙中流动，流动通 道是弯曲、变径、相互交错的，流体撞击颗粒后分 流、混合、改变流向，增加了流体的扰动程度。
绝热式固定床反应器
中间换热式
多 段
进料
绝
热
式
固
催化剂
定
床
反
应
器
催化剂
中间换热式是指冷、 热流体是通过段间的 换热器管壁进行热量 的交换。其作用是将 换 上一段的反应气体冷 热 却至适宜温度后再进 器 入下一段反应，反应 气体冷却所放出的热 量可用于对未反应的 原料气体预热或通入 外来换热介质移走。 而换热设备可以放在 反应器外
截面积的流速。
u0
V0 AR
固定床的经验法计算
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。
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
石油化工工厂装备固定床反应器-文档资料
•.
•4
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
•.
•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
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
鼓泡塔
固定床
•.
•1
第五章 固定床反应器
第一节 概述
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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
•.
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固定床反应器的优点
流体接近活塞流，反应速度快，返混小 结构简单，制造便宜，操作方便 催化剂颗粒静止，磨损率低，寿命长
•.
•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•.源自•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，
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
过大，催化剂的填充应力求消除颗粒搭桥形 成的空穴和短路等不均匀现象。因此，在固 定床催化反应器的设计中，就有了列管式和 多层式等多种结构形式。
三、固定床催化反应器的数学模型
大多数研究与设计多采用拟均相一维模
型，在定常态条件下，固定床中进行绝热催
化反应，其物料衡算式、热量衡算式和动量
衡算式如下：
L0LdLuB
固定床反应器
一、固定床反应器的分类 二、固定床反应器放大应考虑的问题 三、固定床反应器的数学模型
一、固定床反应器的分类
固定床反应器广泛应用于氨合成、SO 2 氧
化制 SO 3 、甲烷蒸汽转化、加氢脱硫、丁烯 氧化脱氢、乙烯氧化制环氧乙烷、甲醇氧化 制甲醛、乙醇氧化制乙醛、甲醇合成等工业 过程。
根据以上工艺，固定床反应器大致有一下 一些形式。
（3）间接换热式或冷激式 ，中小型规模采 用的合成塔为间接换热式，大型合成氨厂基 本上采用冷激式合成塔。
（4）多个固定床反应器串联 ，在轻汽油馏 分催化重整中，反应是吸热反应，为使温度 控制在480~500℃ ，防止绝热温降过大，故 采用多个固定床反应器串联。
（5）薄层反应器，对于反应速率非常快的情 况，宜在薄层反应器中进行，如甲醇氧化制 甲醛。
dc cA,0
A
cA (rA)
（5-21）
Gcp(d dT )LB(rA) (Hr) （5-22）
p L
f
(u2
ds
)(13)
（5-23）
式中：L为催化剂床层高度，m；
u为反应器内物料的平均流速，m/s；
c
B为催化剂床层的颗粒堆积密度,kg/m A 为反应物组分A的浓度，kmol/m 3
3
G为单位时间反应物通过单位床层面 积上的质量流量，kg/(m 2 s)
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
固定床反应器的结构
随着化工生产的发展，已出现多种固定床反应器的结构形式，以适 应不同的转热要求和转热方式。主要分为绝热式和换热式两大类。
绝热式固定床反应器结构简单，催化剂均匀堆置于床内，一般有 下列特点：床层直径远大于催化剂颗粒直径；床层高度与催化剂颗粒 直径之比一般超过100；与外界没有热量交换，床层温度沿物料的流 向而变化。
固定床反应器之所以成为气固相反应器的主要形式，是 和它具有下述优点分不开的： （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 其化学反应速度较快，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）适宜于在高温高压下操作。
固定床反应器的数学模型
固定床反应器是研究得比较充分的一种多相反应 器，描述固定床反应器的数学模型有多种，大致 分为拟均相模型（不考虑流体和固体间的浓度、 温度差别）和多相模型（考虑到流体和固体间的 浓度、温度差别）两类，每一类又可按是否计及 返混，分为无返混模型和有返混模型，按是否考 虑反应器径向的浓度梯度和温度梯度分为一维模 型和二维模型。
列管式固定床反应器
以联苯道生油作载 热体的固定床反应 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，产生中压 蒸汽。
以联苯道生油作载热体的 固定床反应装置 1，列管上花板；2、3,折流板；4，反应列 管 5，折流板固定棒；6，人孔；7，列管下花 板； 8，载热体冷却器
（二）自热式固定床反应器 自热式固定床反应器是采用上部为绝热层，下部为催化剂装
(a)
固定床反应器培训
故障四
设备振动大。排除方法：检查固定床反应器的安装基础是 否牢固，如有问题及时加固；检查设备部件是否有松动或 损坏，如有及时修复或更换。
04
固定床反应器的优化与改 进
催化剂的优化选择
总结词
催化剂是固定床反应器的核心要素，其选择和优化对反应效果具有决定性影响。
详细描述
在选择催化剂时，需要考虑其活性、选择性、稳定性和成本效益。通过实验研究和模拟计算，可以评 估不同催化剂的性能，并选择最适合特定反应的催化剂。此外，催化剂的优化还可以通过改进制备方 法、添加助剂或进行表面改性来实现。
固定床反应器的基本结构
催化剂
固定床反应器中的催化剂通常 装填在反应器的底部或中部，
以固定床的形式存在。
反应物料
反应物料从反应器的顶部进入 ，通过催化剂层进行化学反应 。
换热器
为了控制反应温度，固定床反 应器通常配备换热器，以便在 必要时对反应物料进行加热或 冷却。
出料口
反应后的物料从反应器的底部 或侧部出料口排出。
证和模拟分析来评估新型反应器的性能。
05
固定床反应器的安全与环 保
安全操作规程
操作人员需经过专业培训，熟悉 固定床反应器的结构、工作原理
和操作规程。
操作过程中应严格遵守安全操作 规程，确保设备运行稳定、安全
可靠。
定期对固定床反应器进行检查和 维护，确保设备处于良好状态。
环保要求与处理措施
固定床反应器应符合环保要求 ，确保废气、废水和固废等污 染物达标排放。
操作条件的优化调整
总结词
操作条件如温度、压力、流量等对固定 床反应器的性能具有重要影响。
VS
详细描述
通过实验确定最佳的操作条件是必要的。 这包括最佳的温度、压力、气体流量等参 数。此外，操作条件的优化还可以通过控 制反应物的浓度、反应时间、反应器内构 件设计来实现。优化后的操作条件可以提 高反应效率、降低能耗和减少副反应的发 生。
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4.2.3 固定床反应器的常见结构
固定床反应器的结构型式主要分为绝热式和换热式两类，以适应不同的传热要求和传热方式。
1.绝热式固定床反应器
1.1单段绝热式
绝热式固定床反应器甲醇氧化的薄层反应器
1-矿渣棉2-瓷环3-催化剂 1-催化剂 2-冷却器
特点：反应器结构简单，生产能力大。
缺点：反应过程中温度变化较大。
应用：适用于反应热效应不大的放热反应，反应过程允许温度有较宽变动范围的反应；热效应较大的，但对反应温度不很敏感或是反应速率非常快的过程也可适用。
1.2多段绝热床
多段绝热式固定床反应器
(a)、(b)、(c)中间换热式；(d)、(e)冷激式
根据段间反应气体的冷却或加热方式，多段绝热床又分为中间间接换热式和冷激式。
中间间接换热式
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
冷激式
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
2、换热式固定床反应器
按换热介质不同，可分为对外换热式固定床反应器和自热式固定床反应器。
2.1、对外换热式固定床反应器
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，类似于列管式换热器。
列管式固定床反应器
特点：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。
缺点：结构较复杂，设备费用高。
应用：能适用于热效应大的反应。
载热体的选择：一般反应温度在240℃以下宜采用加压热水作载热体；反应温度在250℃～300℃可采用挥发性低的导热油作载热体；反应温度在300℃的则需用熔盐作载热体，如KNO353%，NaNO37%，NaNO240%的
混合物。
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。
以道生油作载热体的固定床反应装置示意图
1-列管上花板；2、3-折流板；4-反应列管；5-折流板固定棒；6-人孔；7-列管下花板；8-载热体冷却器以熔盐作载热体冷却装置在器内的反应装置。
以熔盐为载热体的反应装置示意图
1-原料气进口；2-上头盖；3-催化剂列管；4-下头盖；
5-反应气出口；6-搅拌器；7-笼式冷却器
2.2自热式固定床反应器
如图是三套管并流式催化床的气体温度分布和操作状况图。
三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况
特点：反应床层中温度接近最佳温度曲线、反应过程中热量自给。
缺点：结构复杂，造价高，催化剂装载系数较大。
应用：只适用于较易维持一定温度分布的热效应不大的放热反应，能适用于高压反应。
2.3其他型式固定床反应器
气固相固定床催化反应器除以上几种主要型式外，近年来又发展了径向反应器。
按照反应气体在催化床中的流动方向，固定床反应器可分为轴向流动与径向流动。
轴向流动反应器中气体流向与反应器的轴平行，而径向流动催化床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，如图所示
径向固定床催化反应器示意图
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。
径向流动反应器的设计关键是合理设计流道使各个横截面上的气体流量均等，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。