固定床反应器介绍
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。
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
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
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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。
化学反应工程：固定床反应器
B
式中，RH —— 水力半径。
6.2.2 床层压降 床层压降是固定床反应器设计的重要参数，要求床层压 降不超过床内压力的15%。 床层压降的计算 （1）
p d S 2 u L m
3 B 150 1 R 1.75 B eM
h0可由经验公式计算
（6-31）
h0 d p
d p e 2 (b) [a1 ] dt y
（6-32） （适用范围：y > 0.2）
式中， y —— 无量纲数
4e L 4(d p / dt )(L / dt )(e / ) y 2 Gcp dt Pr Rep
b —— 无量纲数
（6-44）
其中
Re G /(Se )
6.3 拟均相一维模型
概述
一、拟均相模型 忽略床层中催化剂颗粒与流体之间温度与浓度差别，将气相反应 物与催化剂看成均匀连续的均相物系。 （1）一维拟均相模型 只考虑沿气体流动方向的温度和浓度变化。根据流动形式还可分 为平推流一维模型和轴向分散一维模型。 （2）二维拟均相模型 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。
流体与颗粒间传热温差的计算 热量平衡
H ArA hp am (tG tS ) hp amt
式中，am Se / B —— 单位重量催化剂的外表面积； —— 床层比表面积Se的校正系数。
球形： 1 圆柱形： 0.9 片状： 0.81 无定形： 0.9 ； ； ；
固定床反应器.ppt1
优点
1.化学反应速率较快、在完成同样的生产能力时 所需的催化剂和反应器体积较小。 2.可以严格控制停留时间，调节温度的分布。 3.催化剂可连续使用。 4.可在高温、高压条件下操作。
存在的不足
1.催化剂载体导热性不良，床层中的传热性 能较差。可能出现“飞温”。 2.如果使用的催化剂较小颗粒，会造成流体 阻力增大，破坏正常操作，使得催化剂的 活性内表面得不到充分利用。 3.催化剂的再生、更换不方便。
多段绝热式固定床反应器
﹙a﹚ 中间换 热式
﹙b﹚中间 换热式
﹙c﹚中间 换热式
﹙d﹚冷激式
﹙e﹚ 冷激式
以各种载热体为介质的对外换热式 反应器多为列管是结构如下图所示 类似于列管式换热器
列管式固定床反应器中，合理选择载热体及其温度的控制是保 持反应稳定进行的关键。载热体的温度与反应温度的温差宜小 ，但必须移走反应过程中释放出的大量热量。这就要求有较大 的传热面积和传热系数。
二、固定床反应器的类型与结构 为适应不同的传热要求和传热方式，已 出现多种固定床反应器结构形式。主 要分为绝热式和换热式两类。 绝热式固定床反应器又可以分为单段式 和多段式。 换热式固定床反应器按换热介质不同可 分为对外换热式和自然式。 按照反应气体在催化床中的流动方向， 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绝热式 轴向绝热式和 固定床反应器可分为轴向绝热式和径向 绝热式。 绝热式。
载热体的选择 240 ℃以下 250-300 ℃ 300-500 ℃ 600 ℃以上 加压热水 导热油 熔盐 烟道气
何谓热点？ 一般沿轴 向温度分 布都有一 最高温度 ，称为“ 热点”。 在热点以前放热速率大于移热速率，则床层温度升高，热点过 后恰恰相反，故床层温度逐渐降低。控制热点温度是使反应顺 利进行的关键。热点温度过高，使反应选择性降低催化剂变劣 甚至使反应失去稳定性而产生“飞温”。
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
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
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
固定床反应器培训
固定床反应器培训1. 简介固定床反应器是一种常用的化工反应器，用于进行气相或液相的催化反应。
在固定床反应器中，催化剂被固定在床层中，而反应物则从床层中通过，发生反应后产生产物。
本文档将介绍固定床反应器的工作原理、结构特点、操作要点以及常见故障和维护方法，旨在帮助读者了解和掌握固定床反应器的基本知识。
2. 工作原理固定床反应器的工作原理基于催化剂和反应物之间的相互作用。
催化剂在反应过程中可以降低活化能，促进反应的进行。
反应物进入固定床反应器后，通过催化剂床层，与催化剂发生反应生成产物。
床层中的催化剂可以提供大量活性位点，增加反应速率，同时也保持了反应物和产物与催化剂之间的接触时间，提高了反应的效率。
3. 结构特点固定床反应器的结构特点主要包括床层、催化剂、进料和出料装置以及控制系统。
•床层：床层是固定床反应器中催化剂的载体，通常由陶瓷、金属或活性炭等材料制成。
床层的设计和选择应考虑催化剂的活性、稳定性和寿命，以及反应物和产物的传质和传热性能。
•催化剂：催化剂是固定床反应器中的关键组成部分，它可以提供活性位点促进反应的进行。
选择合适的催化剂应考虑反应的类型、条件和要求，催化剂的选择应具有较高的催化活性、稳定性和选择性。
•进料和出料装置：进料和出料装置用于将反应物引入和产物排出固定床反应器。
进料装置应确保反应物均匀分布到床层中，同时出料装置应能有效排出产物，避免产物积累。
•控制系统：控制系统用于监测和调节固定床反应器的工作参数，包括温度、压力、流量等。
通过合理的控制系统，可以实现反应过程的自动化控制，提高反应的稳定性和可控性。
4. 操作要点在操作固定床反应器时，需要注意以下几个要点：•温度控制：固定床反应器中的温度是反应过程中一个重要的操作参数，过高或过低的温度都可能对反应产生不良影响。
因此，需要对反应器进行良好的温度控制，确保反应过程在适宜的温度范围内进行。
•压力控制：固定床反应器中的压力也是一个重要的操作参数，过高或过低的压力都可能导致反应产物出现问题。
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
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。
固定床反应器
床层入口处的均匀性分布是初始分布， 床层入口处的均匀性分布是初始分布，是关 键，它直接影响到床层中部和出口处的分布 效果。 效果。 在床层入口，无论是轴向分布还是径向分布， 在床层入口，无论是轴向分布还是径向分布， 都取决于气、液分布器。 都取决于气、液分布器。
匀地分布，并径向通过催化剂床层。 匀地分布，并径向通过催化剂床层。
•径向反应器的最大优点是： 径向反应器的最大优点是： •能大幅度地降低压降，从而允许采用颗粒小、 能大幅度地降低压降，从而允许采用颗粒小、
活性高的催化剂。 活性高的催化剂。
•降低能耗。 降低能耗。
径向反应器
径向反应器特点： 径向反应器特点： 为绝热、活塞流通过催化剂床层， 为绝热、活塞流通过催化剂床层，产品转化率 随径向历程增加，温度逐渐下降（吸热反应） 随径向历程增加，温度逐渐下降（吸热反应） 或增高（放热反应）。 或增高（放热反应）。 目前，径向反应器已大量应用到催化重整、异 目前，径向反应器已大量应用到催化重整、 构化等石油化工领域。在径向反应器的设计上， 构化等石油化工领域。在径向反应器的设计上， 主要考虑： 主要考虑： 气流均布； 气流均布； 流体在分、集气管内的流动状态； 流体在分、集气管内的流动状态； 与静压差有关的动量交换系数。 与静压差有关的动量交换系数。
鼓泡床反应器
•鼓泡床反应器的作用 •使气体通过气体分布器在液相中鼓泡，产生 使气体通过气体分布器在液相中鼓泡，
气、液接触界面和湍动。 液接触界面和湍动。 •这类反应器结构简单，造价低，特别适用于 这类反应器结构简单，造价低， 少量气体和大量液体（高持液量）的反应。 少量气体和大量液体（高持液量）的反应。 •鼓泡床反应器的特点 •高的液-气体积比，故单位反应器体积的气高的液-气体积比，故单位反应器体积的气液接触比其他类型反应器的大。 液接触比其他类型反应器的大。 •气泡运动导致液体充分混合，促使整个反应 气泡运动导致液体充分混合， 器内的温度较为均匀。 器内的温度较为均匀。 •对温度敏感的反应系统控制收率是合适的。 对温度敏感的反应系统控制收率是合适的。
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
固定床反应器§5.1 固定床反应器的特点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，在工业生产中应用最为广泛。
如乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯、乙烯水合制乙醇等反应都在固定床反应器中进行。
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。
固定床反应器由于固体催化剂在床层静止不动，也存在一些缺点：（1）化学反应总是伴随着热效应，温度对反应速度影响很大，反应过程要求及时移走或供给热量，但在固定床内，由于催化剂载体往往导热性不良，流体流速受压降限制又不能太大，这就造成了传热和温度控制上的困难。
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，反应速度降低，反应速度减慢，使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，称为“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。
所以，固定床反应器从结构到操作控制所作的种种改进，大多数是为了解决这个问题。
（2）不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，破环了正常操作，所以催化剂的活性内表面得不到充分利用。
固定床反应器的类型和结构
固定床反应器的类型和结构1、绝热式固定床反应器对于单段绝热式，这种反应器是在一个中空圆筒的底部放置搁板（支撑板），在隔板上堆积固体催化剂。
反应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应，反应后的气体由下部引出，2、换热式固定床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。
按换热介质不同，可分为对外换热式固定床反应器和自然式固定床反应器。
以各种载热体为换热介质的对外换热式固定床反应器多为列管式结构，如下图，类似于列管式换热器。
在管内装填催化剂，壳层通入载热体。
列管式固定床反应器1-列管上花板；2-反应列管；3-膨胀圈；4-汽水分离器；5-加压热水泵上图为以加压热水作载热体的反应装置。
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-载热体冷却器上图是用有机载热体带走反应热的反应装置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-笼式冷却器上图是以熔盐作载热体冷却装置在器内的反应装置三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况自热式固定床反应器是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。
绝热层中反应气体迅速升温，冷却层中反应气体被冷却而接近最佳温度曲线，未反应气体经过床外换热器和冷管预热到一定温度而进入催化床。
如上图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。
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
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对外换热式
有利于提高床层温度，提高反应速率，缺点结构复杂，费用较高。
对外换热式结构
加氢反应器结构示意图
催化剂评价装置
固定床反应器实物
结
束
谢
谢
！
径向固定床反应器
床层同外界无热交换，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复杂。
单段绝热式
应器结构简单，生产能力大,适用于绝热温升较小的反应 ,缺点是反应 过程中温度变化较大。
多段绝热式
多段绝热式固定床反应器适应反应热效应较大、反应速率较慢的反应, 结构简单，操作方便，能适应大系统生产的特点，
气-固相催化反应器的特点
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。
固定床反应器的原理
固定床反应器的结构形式
管式固定床反应器
径向固定床反应器 单段绝热式
多段绝热式
对外换热式
对外换热式结构
固定床反应器的实物
管式固定床反应器
列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应,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。
固定床反应器的介绍
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；
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。
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。