【学习课件】第六章固定床反应器
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固定床和流化床反应器ppt课件
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。
• 当流体通过床层的速度逐渐提高到某值时，颗粒 出现松动，颗粒间空隙增大，床层体积出现膨胀。 如果再进一步提高流体速度，床层将不能维持固 定状态。此时，颗粒全部悬浮与流体中，显示出 相当不规则的运动。随着流速的提高，颗粒的运 动愈加剧烈，床层的膨胀也随之增大，但是颗粒 仍逗留在床层内而不被流体带出。床层的这种状 态和液体相似称为流化床。其中，流化床的种类 有：最小流化床，鼓泡流化床，腾涌流化床。
固定床反应器的结构
1.绝热式固定床反应器 1.1单段绝热式
1-矿渣棉2-瓷环3-催化剂 1-催化剂 2-冷却器
固定床反应器有三种基本形式
• 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。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
固定床反应器
• 固定床反应器又称填充床反应器，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。
固定床 反应器
分类及其应用
不同 的传 热要 求和 传热 方式
单段绝热式
二段
绝 热 式 多段绝热式
真思考如何为以后的发展开好头。
Thank you
流化床反应器的结构
流化床反应器类型 ➢ 按固体颗粒是否在系统内循环分
• ③列管式固定床反应器。
• 当流体通过床层的速度逐渐提高到某值时，颗粒 出现松动，颗粒间空隙增大，床层体积出现膨胀。 如果再进一步提高流体速度，床层将不能维持固 定状态。此时，颗粒全部悬浮与流体中，显示出 相当不规则的运动。随着流速的提高，颗粒的运 动愈加剧烈，床层的膨胀也随之增大，但是颗粒 仍逗留在床层内而不被流体带出。床层的这种状 态和液体相似称为流化床。其中，流化床的种类 有：最小流化床，鼓泡流化床，腾涌流化床。
固定床反应器的结构
1.绝热式固定床反应器 1.1单段绝热式
1-矿渣棉2-瓷环3-催化剂 1-催化剂 2-冷却器
固定床反应器有三种基本形式
• 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。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
固定床反应器
• 固定床反应器又称填充床反应器，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。
固定床 反应器
分类及其应用
不同 的传 热要 求和 传热 方式
单段绝热式
二段
绝 热 式 多段绝热式
真思考如何为以后的发展开好头。
Thank you
流化床反应器的结构
流化床反应器类型 ➢ 按固体颗粒是否在系统内循环分
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》
第六章 固定床
水力半径
• 湿周---在总流的有效截面上，流体与固体壁面的接 触长度称为湿周，用字母L表示。
• 水力半径---总流的有效截面积A和湿周L之比。用字
母RH表示
RH = A / L
44
• 对于圆形截面的管道，其几何直径用水力半径表示 时可表示为
• A=(1/4)×πd2 • L=πd • 则 R=A/L=(1/4)×d → d = 4 R
当ReM>1000 湍流, 局部阻力损失为主, f≈1.75 , 略去第一项
结论： 对ΔP影响最大的是ε和u
49
Pf L
'(duSm 2 )(1B3B)
f ' 1501.75 ReM
一般床压不宜超过床内压力的15%，所以颗粒不 能太细，应做成圆球状。
50
➢ 压降的计算 ΔP=ΔP1+ ΔP2
= 15fu 0 OG L 0(1)21.75fuO 2 G L 0(1)
dS 2
3
dS
3
Pa
式中混合物的粘度
1
yi
fi M
2 i
f
1
yiM
2 i
kg/m.s
51
6.3 固定床中的传热
传热包括： 粒内传热，颗粒与流体间的传热，床层与器壁的传热
给热系数 αP 给热系数αW ,λer 总给热系数α t
当单纯作为换热装置时，以床层的平均温度tm与 管壁温差为推动力-----总给热系数αt
n
算术平均直径： d xWidi i1
调和平均直径：
1 n xWi
d
d i1 i
几何平均直径：
di
didi
30
6.2.3 床层空隙率及分布
固定床反应器 ppt课件
3
cp
1/
3
0.094
d pG
0.8
cp
0.4
适用范围： d pG / 40
a12 , (b) —— 是b的函数，由图6-16查取。
（6-40）
图6-16
ppt课件
21
[例6-2]
解：（1）
ppt课件
22
6.2.4 固定床中的传质与混合
B
1
B p
B —— 床层堆积密度；
p —— 颗粒视密度。
注意：颗粒视密度与真
密度之间的区别。
讨论：
（1）床层空隙率与颗粒
形状和尺寸的关系。
（2）壁效应及流体均布。
图6-9 填充床的空隙率
ppt课件
10
三、固定床的当量直径
（1）床层比表面
Se
npap
(1 B ) p Vp p
A
C
A A
B
111/ 2 1
1/ 2
pA
yA pt
yA0
1
1
A
xA yA0
计算传质系数的经验关联式
JD
kC
G
D
2/3
kG P GM
D
2/3
（6-43）
式中, SC / D 称为施密特数； JD —— 传质因子。
J D 0.84Re0.51 0.05 Re 50 J D 0.57Re0.41 50 Re 1000
（6-59）
式（6-55）和（6-59）分别积分并整理得：
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
第六章-固定床pppt课件
当ReM>1000 湍流, 局部阻力损失为主, f≈1.75 , 略去第一项
结论： 对ΔP影响最大的是ε和u
.
49
Pf L
'(duSm 2 )(1B3B)
f ' 1501.75 ReM
一般床压不宜超过床内压力的15%，所以颗粒不
能太细，应做成圆球状。
.
50
➢ 压降的计算 ΔP=ΔP1+ ΔP2
一局部物料由反响器顶部气体入口分布器进入; 另一局部物料由反响器催化剂两段之间参加。 物料沿径向做到浓度均匀、温度均匀、速度均匀 ，获 得均匀的流量分配 。
.
12
2．换热式－对外换热式, 自动换热式
• 对外换热式－以各种载热体为换热介质。 • 注: 载热体温度与反响温度之差不宜过大，以免
造成靠近管壁的催化剂失效。
• 即圆形截面的管道几何直径为4倍的水力半径。 • 对于与圆形管道相类比，非圆形截面管道的当量直
径de也可以用4倍的水力半径表示 de = 4 A / L = 4 R
.
45
• 流体在空圆管道中等温流动时，计算压力降的公式为： • 欧根式：
.
46
.
47
.
48
当ReM<10 层流时, 磨擦损失为主, f≈150/Re , 略去第二项;
.
19
1-原料气进口；2-上头盖； 3-催化剂列管；4-下头盖； 5-反响气出口；6-搅拌器； 7-笼式冷却器
以熔盐为载热体的示意图
.
20
径向固定床催化反响器示意图 甲苯歧化制苯就采用径向反响器
提高催化剂有效系数； 减少床层压降
.
21
6.2 固定床反响器内的流体流动
结论： 对ΔP影响最大的是ε和u
.
49
Pf L
'(duSm 2 )(1B3B)
f ' 1501.75 ReM
一般床压不宜超过床内压力的15%，所以颗粒不
能太细，应做成圆球状。
.
50
➢ 压降的计算 ΔP=ΔP1+ ΔP2
一局部物料由反响器顶部气体入口分布器进入; 另一局部物料由反响器催化剂两段之间参加。 物料沿径向做到浓度均匀、温度均匀、速度均匀 ，获 得均匀的流量分配 。
.
12
2．换热式－对外换热式, 自动换热式
• 对外换热式－以各种载热体为换热介质。 • 注: 载热体温度与反响温度之差不宜过大，以免
造成靠近管壁的催化剂失效。
• 即圆形截面的管道几何直径为4倍的水力半径。 • 对于与圆形管道相类比，非圆形截面管道的当量直
径de也可以用4倍的水力半径表示 de = 4 A / L = 4 R
.
45
• 流体在空圆管道中等温流动时，计算压力降的公式为： • 欧根式：
.
46
.
47
.
48
当ReM<10 层流时, 磨擦损失为主, f≈150/Re , 略去第二项;
.
19
1-原料气进口；2-上头盖； 3-催化剂列管；4-下头盖； 5-反响气出口；6-搅拌器； 7-笼式冷却器
以熔盐为载热体的示意图
.
20
径向固定床催化反响器示意图 甲苯歧化制苯就采用径向反响器
提高催化剂有效系数； 减少床层压降
.
21
6.2 固定床反响器内的流体流动
固定床反应器-2022年学习资料
二、床层空隙率-单位体积床层中，颗粒之间的空隙所占的体积分率。-Pp-球形：1光滑，均一尺寸，2光滑，-式 -非均一尺寸，3粘土-可柱形：光滑，均-尺寸：刚玉；--e-PB一床层堆积密度；-均一尺时64英寸陶质拉西 。-不规则形：？熔融磁铁，8熔避利玉-0.5-e3-0.7-9铝砂-0.25-P。—一颗粒视密度。-.0意：颗粒视密度与真-0.6-2.0-10.75-密度之间的区别。-3.0-1.5-4.0-曾--6.0-讨 ：-8.0-1床层空隙率与颗粒-02503-形状和尺寸的关系。-0.20.3-粒径/管径dp/d）.-2壁 应及流体均布。-图6-9填充床的空隙率-ppt课件
表6-1非球形颗粒的形状系数-物-料-9-找-按形填料-0.3-砂-0.75-拉西环-斧种形找，平-尖角状 0.65-烟（边）尘-球状-0.89-硬形-尖片状-0,43-聚集状-0.55-圆形-0.83-天然煤东至10毫米-有角状-0.73-破碎煤粉-碎求瑞屏-0,65-3混合粒子的平均直径-da-式中，x是直径为d 子在全部粒子中所占的质量分数，可采用-标准筛进行筛分分析得到。标准筛的规格见表6-2。-ppt课件
二、固定床反应器的种类-1绝热式反应器-矿渣棉-原料气-产物-瓷环-H-测温口-化剂-XXXXX7-XMX X-冷藏气-e-间接换热式-冷激式-图6-1绝热床反应器-图63多段绝热床反应器-ppt课件
2对外换热式反应器-蒸汽-原料气-补充水-催化剂-葺-产物-加压水-a-b-c-图6-4对外换热式反应器点：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。-ppt课件
第六章固定床反应器-ppt课件-1
重要过程：-6.1概述-·丙烯氧化制丙烯酸-·乙块HCI制氣乙烯-·乙烯环氧化制环氧乙烷-流体通过固定的固 物料所形成的床层。-·烃类加氢-固定床反应器的特点-·乙苯脱氢制苯乙烯-·煤气化-●-结构简单-高空速-很 催化剂损耗-Fluid gas or liquid-很小气固返混-Granules-较长的扩散时间及距离床层压降-Inert beads-Monolith-Catalyst-床内取热供热困难-催化剂取出更新困难 Multi-lobe-催化剂颗粒大，效率低-Foam-ppt课件-.2
第六章_固定床反应器详解
25
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
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
第六章固定床反应器
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 如图(a)所示。这种反应器结构最简单，实
际上是一个容器，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。
10
(2)径向绝热式固定床反应器 如图 (b) 所示。径向反应器的结构较轴向
空隙率ε B = 0.44。在反应条件下气体的密度 ρ g = 2.46 kg∙m-3，粘度 μg = 2.3×10-5 kg∙m-1s-1，气体的质 量流速 G = 6.2kg ∙ m-2s-1。求床层的压降。
38
解： ① 求颗粒的平均直径
dS
1 xi
0.60 0.25 0.15 1 3.40 4.60 6.90
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） 冷激，以控制反应温度在一定的范围内 。
• C2H4+1/2O2
C2H4O
• △H1= -103.4kJ/mol(25℃)
• C2H4+3O2
CO2+2H2O
• △H1= 1323kJ/mol(25℃)
•根据下列给出中试的数据，估算第一反应器尺寸。
• （1）进入第一反应器的原料气组成为：
组成
C2H4 O2
CO2
N2 C2H4Cl2
固定床反应器
=0.9；片状 =0.81；无定形颗粒 =0.9)； t催s 化剂外表面温度；
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
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》课件
编辑ppt
原料气 催 化 剂
产物
4
多段绝热床反应器
l 实际是单段绝热式的改进型， 原料气 在段间设置热交换装置，既
保持了单段结构简单等优点，
每一段的过程完全类似于单 催
层式，又能在一定程度上调
化 剂
节反应温度。换热装置的设
置有多种方式，根据具体反
应选择。如CO与H2合成反应
器。
编辑ppt
产物
5
外热式固定床反应器
原料气 催化 剂
产物
编辑ppt
9
6.2 固定床中的传递过程
l 颗粒层的若干物理特性参数
(1) 催化剂密度表征 ① 颗粒密度(又称假密度) : 包括粒内微孔在内的全部颗粒的密度。
② 骨架密度(又称真密度) : 粒子骨架(包括粒内微孔)密度。
③ 床层密度 (又称堆密度) : 单位体积催化剂床层具有的质量。
差异程度(P162表6-1列出了一些粒子的球形系数)。
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12
④ 各种相当直径的关系
(6-6) (6-7)
则有： 所以有：
在固定床流体力学研究中，常采用比表面相当直径；在传热传质 研究中，常采用面积相当直径。
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13
⑤ 混合粒子的平均粒径：采用调和平均法计算
(6-8)
为直径为 的粒子所占的重量分率。
6-20)
为以单位质量催化剂来定义的反应速率 床层的比表面积，上式整理可得：
(
6-21)
称为传热数
对气相： Pr = 0.6~1.0 ；液相： Pr = 2~400
l 是传热数Q、Pr 、Re的函数，见P167 关联图6-12 。实际上，一 般 均很小，催化剂外表面与气流主体的温度可看作为近似相等。
原料气 催 化 剂
产物
4
多段绝热床反应器
l 实际是单段绝热式的改进型， 原料气 在段间设置热交换装置，既
保持了单段结构简单等优点，
每一段的过程完全类似于单 催
层式，又能在一定程度上调
化 剂
节反应温度。换热装置的设
置有多种方式，根据具体反
应选择。如CO与H2合成反应
器。
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产物
5
外热式固定床反应器
原料气 催化 剂
产物
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9
6.2 固定床中的传递过程
l 颗粒层的若干物理特性参数
(1) 催化剂密度表征 ① 颗粒密度(又称假密度) : 包括粒内微孔在内的全部颗粒的密度。
② 骨架密度(又称真密度) : 粒子骨架(包括粒内微孔)密度。
③ 床层密度 (又称堆密度) : 单位体积催化剂床层具有的质量。
差异程度(P162表6-1列出了一些粒子的球形系数)。
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12
④ 各种相当直径的关系
(6-6) (6-7)
则有： 所以有：
在固定床流体力学研究中，常采用比表面相当直径；在传热传质 研究中，常采用面积相当直径。
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13
⑤ 混合粒子的平均粒径：采用调和平均法计算
(6-8)
为直径为 的粒子所占的重量分率。
6-20)
为以单位质量催化剂来定义的反应速率 床层的比表面积，上式整理可得：
(
6-21)
称为传热数
对气相： Pr = 0.6~1.0 ；液相： Pr = 2~400
l 是传热数Q、Pr 、Re的函数，见P167 关联图6-12 。实际上，一 般 均很小，催化剂外表面与气流主体的温度可看作为近似相等。
固定床反应器
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固定床 反应器
不同 的传 热要 求和 传热 方式
单段绝热式
二段
绝 热 式 多段绝热式
反应 特征
三段
四段
段间反应 中间间接换热式
气冷却或
原料气冷激式
加热方式 冷激式 非原料气冷激式
加压热水（＜240℃）
换 列管式反应器 导热油（250~300 ℃）
热 式
熔盐（＞300 ℃）
自热式
反应气的 流动方向
乙炔法合成氯乙烯反应为放 热反应109kJ/mol，利用高位 槽或加压泵强制循环换热， 水温靠调节阀控制压力来调 节。
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固定床反应器
热载体：水、高压水：100~300℃ 导生油：200~350℃
熔盐：300~500℃ 烟道气：600~700℃
特点：换热效果好、床温均匀，但结构较复杂。
应用：热效应大、温度要求均匀控制的场合
产品 原料
原料
间接换热
冷 激 剂
产品
原料冷激
非原料
多段固定床绝热反应器
固定床反应器类型
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列管式 固定床 反应器
编辑ppt
逆流
并流
不同流向的自热式固定床反应器的轴向温度分布示意图
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固定床反应器类型
（a）
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（b）
固 定 床 反 应 器 类 型
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6.2 固定床的传递特性
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产品 原料
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产品 原料
原料
间接换热
冷 激 剂
产品
原料冷激
非原料
多段固定床绝热反应器
固定床反应器类型
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固定床反应器类型
固定床 反应器
不同 的传 热要 求和 传热 方式
单段绝热式
二段
绝 热 式 多段绝热式
反应 特征
三段
四段
段间反应 中间间接换热式
气冷却或
原料气冷激式
加热方式 冷激式 非原料气冷激式
加压热水（＜240℃）
换 列管式反应器 导热油（250~300 ℃）
热 式
熔盐（＞300 ℃）
自热式
反应气的 流动方向
乙炔法合成氯乙烯反应为放 热反应109kJ/mol，利用高位 槽或加压泵强制循环换热， 水温靠调节阀控制压力来调 节。
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固定床反应器
热载体：水、高压水：100~300℃ 导生油：200~350℃
熔盐：300~500℃ 烟道气：600~700℃
特点：换热效果好、床温均匀，但结构较复杂。
应用：热效应大、温度要求均匀控制的场合
产品 原料
原料
间接换热
冷 激 剂
产品
原料冷激
非原料
多段固定床绝热反应器
固定床反应器类型
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列管式 固定床 反应器
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逆流
并流
不同流向的自热式固定床反应器的轴向温度分布示意图
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固定床反应器类型
（a）
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（b）
固 定 床 反 应 器 类 型
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6.2 固定床的传递特性
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产品 原料
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产品 原料
原料
间接换热
冷 激 剂
产品
原料冷激
非原料
多段固定床绝热反应器
固定床反应器类型
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固定床反应器类型
化学反应工程 第六章 固定床反应器
是流体静止时管壁的给热系数，按下式计算：
计算
的另一较简便的式子是
此式适用范围为：
化学反应工程
6.2.3 固定床中的传热
例6-2 在内径10cm的圆管内置有直径为4.0mm的球形颗
粒，已知床层的平均空隙率
，辐射率 ，求在 效热导率
，平均温度120℃，
， 下，（１）床层的有 ；（３）床层总
；（２）管壁给热系数
化学反应工程
6.3.2 单层绝热床的计算
将此式与式（J）结合就可以算出第二级中的详细结果，列
于计算结果表的右侧，从上述结果，可以看到第二级中转化率
虽只提高了18％，但所需催化剂量却约为第一级的3.4倍，尤其 是从98％转化到99％，这1％的转化率所需的催化剂占13.7％。
化学反应工程
6.3.3 多层绝热床的计算
化学反应工程
6.3.4 多层床的最优化问题
对于反应 分别写成： 如向右的正反应和向左的逆反应速率式可
化学反应工程
6.3.4 多层床的最优化问题
对于第i段而言，该段所需的催化剂用量
可根据式（6-56）写出为
化学反应工程
6.3.5 自己换热式反应器的设计方法
（详见教材P179）
化学反应工程
6.3.5 自己换热式反应器的设计方法
则另有下列二式可供计算之用：
或
化学反应工程
6.2.3 固定床中的传热
（３）床层与器壁间的给热系数 及 在一维模型中，给热速度式以床层平均温度 差来定义，即 与壁温 之
化学反应工程
6.2.3 固定床中的传热
在二维模型中，以靠近壁处流体温度
，即
与壁温之差来定义
化学反应工程
6.2.3 固定床中的传热
计算
的另一较简便的式子是
此式适用范围为：
化学反应工程
6.2.3 固定床中的传热
例6-2 在内径10cm的圆管内置有直径为4.0mm的球形颗
粒，已知床层的平均空隙率
，辐射率 ，求在 效热导率
，平均温度120℃，
， 下，（１）床层的有 ；（３）床层总
；（２）管壁给热系数
化学反应工程
6.3.2 单层绝热床的计算
将此式与式（J）结合就可以算出第二级中的详细结果，列
于计算结果表的右侧，从上述结果，可以看到第二级中转化率
虽只提高了18％，但所需催化剂量却约为第一级的3.4倍，尤其 是从98％转化到99％，这1％的转化率所需的催化剂占13.7％。
化学反应工程
6.3.3 多层绝热床的计算
化学反应工程
6.3.4 多层床的最优化问题
对于反应 分别写成： 如向右的正反应和向左的逆反应速率式可
化学反应工程
6.3.4 多层床的最优化问题
对于第i段而言，该段所需的催化剂用量
可根据式（6-56）写出为
化学反应工程
6.3.5 自己换热式反应器的设计方法
（详见教材P179）
化学反应工程
6.3.5 自己换热式反应器的设计方法
则另有下列二式可供计算之用：
或
化学反应工程
6.2.3 固定床中的传热
（３）床层与器壁间的给热系数 及 在一维模型中，给热速度式以床层平均温度 差来定义，即 与壁温 之
化学反应工程
6.2.3 固定床中的传热
在二维模型中，以靠近壁处流体温度
，即
与壁温之差来定义
化学反应工程
6.2.3 固定床中的传热