绝热式固定床反应器
关于绝热式固定床MTP反应器温度控制的探讨
1 引言煤炭属低效、高污染能源，而我国的资源条件又属于缺油、少气、富煤类型[1]，因此发展以煤为原料的清洁煤化工产业在我国切实可行，同时以煤为原料的 MTP 技术可以拓宽丙烯原料来源，降低由于石油资源紧张、油价上涨所带来的风险。
Lurgi 公司基于由德国南方化学公司提供的改ZSM-5分子筛催化剂开发了一种转化甲醇成丙烯的工艺(MTP)，采用固定床反应器[2]。
此工艺的主产物为丙烯,同时得到副产物汽油、液化石油气(LPG)、燃料气等以及少量乙烯[3]。
2 工艺介绍鲁奇公司甲醇制丙烯工艺中的MTP 反应器是一个多级绝热式固定床反应器，有六个催化剂床层，厚度自上而下依次增加。
第一级床层由顶部直接进料，进料包括二甲醚(DME)、工艺蒸汽和由精制单元循环回的C2、C4、C5/C6组分组成的循环烃。
二到六级床层除了来自上一级床层的物料，还有侧线进料用以控制床层温度。
MTP 反应器内发生的主反应是甲醇在DME 反应器中发生脱水反应生成的二甲醚以及少量未反应的原料甲醇进行的催化裂解反应。
nCH 3OH →C n H 2n +nH 2O+Q n CH 3OCH 3→2C n H 2n +nH 2O+Q(n=2-8)3 方法探讨(1)一级原料气温度。
MTP 反应器一级进料原料气的温度靠一台原料气加热炉来控制，在催化剂运行初期，活性较强，通常保持相对较低的进料温度，而在运行后期，由于催化剂的活性下降，要适当提高反应器的进料温度以保证转化率，尤其在运行末期需要维持高温度运行以避免反应器温度下降导致出口转化率的下降引起系统的波动。
由于一级进料中含有大量的蒸汽及循环烃且一级床层较薄，其反应剧烈程度较低，因此在反应器每一周期运行过程中也要根据具体情况适当调整一级进料温度，原则上在二到六级床层温度处于可控范围内时，应尽量提高进料温度使一级床层温度满足工艺要求。
(2)循环烃及工艺蒸汽量。
循环烃和工艺蒸汽与DME 一起以气相形态由MTP 反应器一级进入，适当增加循环烃的量可以抑制副反应的进行，且这些烃类在床层中会发生吸热反应，循环烃量的增加也能提高空速，减少物料在反应器中的停留时间并使物料在床层中的分布更为均匀，有助于控制各床层的温度。
项目三固定床反应器的计算.详解
若采用正三角形排列，则：
AR Nt 2 sin 600
4 AR D
12
2e
三、催化剂床层传热面积的计算
催化剂床层所需的传热面积为：
A Q Kt m
床层传热面积校核：
A A需
数学模型法
根据反应动力学可分为非均相与拟均相两类；根据催化床中温度分布可
分为一维模型和二维模型；根据流体的流动状况又可分为理想流动模型（包 括理想置换和理想混合流动模型）和非理想流动模型。
SG WW WS WG WS
在单位时间内单位质量（体积）催化剂由于反应消耗的原料质量， 5. 床层线速度与空床速度 床层线速度是指在规定条件下，气体通过催化剂床层自由截面积的流 速，即： u 即： u 0
V0 AR
V0 AR
空床速度是在规定条件下，气体通过（空）床层截面积的流速，
固定床反应器参数敏感性
在反应操作过程中，当反应系统中某一个参数的微小变化引起其它参数
发生了重大变化，这种现象称为参数的灵敏性。
一、绝热式固定床反应器的参数灵敏性
绝热式固定床反应器的返混很小，不存在反应器的整体的热稳定性。反 应器各处状态仅决定于进口条件，因此，绝热式固定床反应器床内参数的灵 敏性是一个重要的问题。
数学模型法的工作步骤：
① 通过实验和其他途径深入认识实际过程，把握过程的物理实质和影响 因素，并尽可能区分主次；
② 根据研究的目的，对实际过程做出不同程度的简化，建立物理模型；
③ 对物理模型进行数学描述，建立模型方程（组）； ④ 通过实验测定和参数估值确定模型方程中所含模型参数的数值；
⑤ 进行模拟计算，将计算结果和实验结果进行比较。准体积流量，即:
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
绝热式固定床反应器
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。
（三） 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。
练一练
1. 固定床反应器内的催化剂可以长 期使用的原因。 2.分析为什么列管内催化剂颗粒不 宜过大 ， 也不宜过小？
小结 固定床反应器的分类； 固定床反应器的结构； 固定床催化反应器的特点 。
作业布置
1. 固定床反应器可分为哪几种？ 2. 简述不同类型固定床反应器的结构 及 特点。 3. 简述固定床催化反应器的优缺点。
（二）列管式固定床反应器
乙炔法合 氯乙烯反应器
列管式固定床反应器的特点 ◆ 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。 ◆ 反应器由多根反应管并联构成 , 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 , 如下 图。
固定床反应器
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。
固定床反应器的结构
固定床催化反应器
传热方 式不同
绝热式 换热式 自热 式
（一）绝热式固定床反应器
绝物热料式的反温应度器将又降分低为,单称段为和“绝多热段温绝降热 式” 两类 , 反应时不与外界进行任何热量交换。 放热反应 , 反应中多放出的热量完全用来 加热物料本身 , 物料的温度将升高 , 称之 为“绝热温升 ”。反之 , 为吸热反应时,
应用化工技术专业《气固相固定床催化反应器的结构》
二、气固相固定床催化反响器的结构〔一〕绝热式固定床反响器绝热式固定床反响器内部无换热构件，只有一段催化剂床层的称为单段绝热式，有多段催化剂床层的称为多段绝热式。
绝热式反响器结构简单、造价低、反响器内体积可以充分利用，一般用于反响热较小，反响温度允许波动范围较宽的场合。
1. 单段绝热式固定床反响器单段绝热式固定床反响器是在一个中空圆筒的底部放置搁板〔支撑板〕，在搁板上堆积固体催化剂。
反响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响，反响后的气体由下部引出，如图9所示。
这类反响器结构简单，生产能力大。
对于反响热效应不大，反响过程允许温度有较宽变动范围的反响过程，常采用此类反响器。
一个典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯，反响需热140kJ/mol，这是靠参加2.6倍〔质量〕于乙苯的高温水蒸气〔710℃〕来供给的。
乙苯与水蒸气混合后在630℃入催化剂床层，而离床时那么因反响吸收热量而降到565℃。
单段绝热式一般适用于绝热温升较小的反响。
以天然气为原料的大型氨厂中的一氧化碳中〔高〕温变换及低温变换甲烷化反响都采用单段绝热式。
对于热效应较大的反响只要对反响温度不很敏感或是反响速率非常快的过程，有时也使用这种类型的反响器。
例如甲醇在银或铜的催化剂上用空气氧化制甲醛时，虽然反响热很大，但因反响速率很快，那么只用一薄薄的催化剂床层即可，如图10所示。
此一薄层为绝热床层，下段为一列管式换热器。
反响物预热到383K，反响后升温到873~923K，就立即在很高的混合气体线速度下进人冷却器，防止甲醛进一步氧化或分解。
单段绝热式固定床反响器的缺点是反响过程中温度变化较大。
当反响热效应较大而反响速率较慢时，绝热升温必将使反响器内温度的变化超出允许范围。
多段绝热式固定床反响器是为弥补此缺乏而提出的。
2. 多段绝热式固定床反响器多段绝热式固定床反响器中，反响气体通过第一段绝热床反响至一定的温度和转化率时，将反响气体冷却至远离平衡温度曲线的状态，再进行下一段的绝热反响。
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
列管式固定反应器
固定床反应器有三种基本形式：①轴向绝热式固定床反应器(图1)。
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。
②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。
③列管式固定床反应器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。
编辑本段特点固定床反应器的优点是：①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，固定床反应器当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。
②催化剂机械损耗小。
③结构简单。
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。
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。
编辑本段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。
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
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 。
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
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。
- 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)。
小结
固定床反应器的分类；
固定床反应器的结构； 固定床催化反应器的特点 。
作业布置
1. 固定床反应器可分为哪几种？
2. 简述不同类型固定床反应器的结构及 特点。
3. 简述固定床催化反应器的优缺点。
1.单段绝热式固定床反应器
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。
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。
原料气
绝热式
催化剂 固定床 反应器
产物
固定床反应器
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。
固定床反应器的结构
固定床催化反应器
传热方 式不同
绝 热 式
换 热 式
自 热 式
（一）绝热式固定床反应器
绝热式反应器又分为单段和多段绝热式 两类，反应时不与外界进行任何热量交换。 放热反应，反应中多放出的热量完全用来加 热物料本身，物料的温度将升高，称之为 “绝热温升”。反之，为吸热反应时，物料 的温度将降低，称为“绝热温降”
结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵 金属催化剂； 反应器的操作方便、操作弹性较大。
固定床反应器缺点
催化剂颗粒较大，有效系数较低； 催化剂床层的传热系数较小，容易产生局
部过热；
催化剂颗粒的更换费事，不适于容易失活
的催化剂。
练一练
1.固定床反应器内的催化剂可以长 期使用的原因。 2.分析为什么列管内催化剂颗粒不 宜过大，也不宜过小？
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。
二、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；
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；
剂，传热介质流经管间进行加热或冷却，如下
图。
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。
（三）自热式反应器
（二）列管式固定床反应器
原料 催化剂 补充水 蒸汽 调节阀
产物
乙炔法合成氯乙烯反应器
列管式固定床反应器的特点
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。
反应器由多根反应管并联构成，管径一般
为 25-30㎜，管数可达万根以上。管内装催化
多段绝热式反应器
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 。 下图是用于 SO2 转化的多段绝热反应器， 段间引入冷空气进行冷激。对于这类可逆放 热反应过程，通过段间换热形成先高后低的 温度变化，提高转化率和反应速率。