固定床气固相催化反应工程
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固定床反应器操作与控制—气固相催化反应过程
速率控制步骤
速率 控制 步骤
最慢
步骤 速率
对动力学起
关键作用
速率控制步骤——动力学控制
反应物的吸附控制 表面化学反应控制
产物的脱附控制
颗粒小、温度低、气速高
速率控制步骤——内扩散控制
颗粒大
温度高 气速高
速率控制步骤——外扩散控制
颗粒小
温度高 气速低
速率控制步骤
思考：
了解气固反应过程
找出速率控制步骤， 指导实际生产。
07
反应产物从催化剂外表面向流体主体传递；
气固相催化反应过程
了解气固反应过程
指导实际生产
思考题
气固相催化反应过程 的总反应速率是七个步骤 的速率之和？
《化学反应器操作与控制》
速率控制步骤
外扩散----内扩散----吸附----表面反应----脱附----内扩散----外扩散
外扩散：1,7 内扩散：2,6 表面过程：3,4,5
《化学反应器操作与控制》
气固相反应
气固相催化反应过程
气固相催化反应过程
外扩散----内扩散----吸附----表面反应----脱附----内扩散----外扩散
外扩散：1,7 内扩散：2,6 表面过程：3,4,5
气固相催化反应过程
气固相催化反应过程经历七个步骤
01
反应组分从流体主体向固体催化剂外表面传递；
02 反 应 组 分 从 催 化 剂 外 表 面 向 催 化 剂 内 表 面 传 递 ；
03
反应组分在催化剂表面的活性中心吸附；
04 在 催 化 剂 表 面 上 进 行 化 学 反 应 ；
05
反应产物在催化剂表面脱附；
06 反 应 产 物 从 催 化 剂 内 表 面 向 催 化 剂 外 表 面 传 递 ；
固定床气固相催化反应工程
固定床气固相催化反应工程引言固定床气固相催化反应工程是一种重要的化学工程领域，广泛应用于石化、生物质转化和环保领域。
本文将介绍固定床气固相催化反应工程的基本概念、原理及其在实际应用中的重要性。
固定床气固相催化反应工程是指在固定床催化剂上进行的气固相催化反应过程，其特点是催化剂稳定性高，反应产物易于分离，反应条件易于控制。
基本概念固定床气固相催化反应工程是指将气体在固定床催化剂上进行气相催化反应的一种工程化技术。
通常，固定床催化反应器由反应器壳体、催化剂床层、进料装置、催化剂床层和出料装置等组成。
固定床催化剂是反应器中的核心部件，其选择应考虑催化剂的活性、选择性、稳定性和成本等因素。
常用的固定床催化剂包括金属催化剂、金属氧化物催化剂、分子筛催化剂等。
在反应过程中，气体通过催化剂床层与催化剂进行接触，发生催化反应，生成所需的产物。
原理固定床气固相催化反应工程的原理基于气体在催化剂床层中与催化剂发生接触与化学反应的过程。
反应过程可以分为吸附、扩散和反应三个步骤。
首先，气体组分通过物理吸附或化学吸附附着在催化剂表面。
随着反应进行，反应物逐渐被吸附到催化剂表面，形成活性吸附物种。
然后，吸附在催化剂表面上的反应物分子通过表面扩散进入催化剂内部，与催化剂中的活性中心发生反应。
在扩散过程中，反应物分子移动到催化剂内部，并在催化剂孔隙中扩散。
最后，反应物在催化剂内部与催化剂活性中心发生反应，生成所需的产物。
反应产物可以通过物理吸附或化学反应从催化剂表面解吸并释放出来。
应用领域固定床气固相催化反应工程广泛应用于石化、生物质转化和环保领域。
具体应用包括以下几个方面：1.石化领域：固定床气固相催化反应工程在石化行业中广泛应用于合成氨、氢气制备、甲醇制备、乙烯制备等重要化学反应过程中。
通过优化反应条件，提高催化剂的活性和选择性，可以提高反应效率，减少能源消耗和废物排放。
2.生物质转化：固定床气固相催化反应工程在生物质转化领域中起到重要作用。
第七章：气固相催化反应固定床反应器.
反应量积累量或写成微分的形式
R (1( uC (l
l
C E (l
r
C rE (r
r 1A B A A z
A r
-ε-=∂∂-
∂∂∂∂+
∂∂∂∂如果u , E , E z r为常数
反=dl 1(R (A H (B A t ε--∆-导出dl d T T (h t w 0⋅π-=
h 0—床层对器壁的给热系数⋅⋅s m /J 2
℃
dl d T T (h dl A 1(R (H ( dT T (GC T GC t W 0t B A P P +⋅π-=ε--∆-++-
注意:g t m A u G ρ=
λ的物理意义:
(由x x (T T 0A A 0-λ+=知,当1x ,
0x A 0A ==时
λ=-=∆0max T T T
4.多段绝热反应器的计算最优的进出口T , x
目标函数为催化剂装填量最小。
对第I段反应床
⎰∑ε-=
∑=⎰-ε-=⎰ε-==Aif
Ai Aif
Ai Aif
Ai x x
B 0A 0Ri R x x
第七章:气固相催化反应固定床反应器
7.1流体在固定床内的传递特性
1.床层空隙率与流体的流动空隙率:(利用B B p p v v w ρ=ρ=
111P
B B B P
V V ρερ=
=-
=-=-空隙体积颗粒体积
床层体积床层体积
P
B
, ρρ分别是颗粒密度和颗粒的堆积密度。
2.颗粒的当量直径a .体积当量直径(V d 3
1(3u d 2u d R B g g m S g
g e e ε-μρ=
R (1( uC (l
l
C E (l
r
C rE (r
r 1A B A A z
A r
-ε-=∂∂-
∂∂∂∂+
∂∂∂∂如果u , E , E z r为常数
反=dl 1(R (A H (B A t ε--∆-导出dl d T T (h t w 0⋅π-=
h 0—床层对器壁的给热系数⋅⋅s m /J 2
℃
dl d T T (h dl A 1(R (H ( dT T (GC T GC t W 0t B A P P +⋅π-=ε--∆-++-
注意:g t m A u G ρ=
λ的物理意义:
(由x x (T T 0A A 0-λ+=知,当1x ,
0x A 0A ==时
λ=-=∆0max T T T
4.多段绝热反应器的计算最优的进出口T , x
目标函数为催化剂装填量最小。
对第I段反应床
⎰∑ε-=
∑=⎰-ε-=⎰ε-==Aif
Ai Aif
Ai Aif
Ai x x
B 0A 0Ri R x x
第七章:气固相催化反应固定床反应器
7.1流体在固定床内的传递特性
1.床层空隙率与流体的流动空隙率:(利用B B p p v v w ρ=ρ=
111P
B B B P
V V ρερ=
=-
=-=-空隙体积颗粒体积
床层体积床层体积
P
B
, ρρ分别是颗粒密度和颗粒的堆积密度。
2.颗粒的当量直径a .体积当量直径(V d 3
1(3u d 2u d R B g g m S g
g e e ε-μρ=
化学反应工程-19-第六章-气固相催化反应固定床反应器
2、二维模型中 hW 的计算： 、 的计算： 模型认为温度沿着径向形成了一个分布，故 t m没有意义。 这时床层向壁的传热速率：
dS =
6VS SS
西勒模数就是以d 为定型尺寸的。 西勒模数就是以 S为定型尺寸的。 形状系数的概念， 表示： 形状系数的概念，以 ϕ S 表示：
ϕS =
SV SS
2 SV = πd V （和粒子具有相同体积的球形颗粒的外表面积）
d ϕS = V d a
2
2、粒子群 、 对于大小不等的混合颗粒，平均直径为：
空隙率分布的影响： 空隙率分布的影响：直接影响流体流速的分布，进而使流体与颗 粒、床层与反应器壁之间的传热、传质行为不同，流体的停留时 间也不同，最终会影响到化学反应的结果。
为减少壁效应，要求床层直径（dt）至少为粒径（dP）的八倍以上。
二、颗粒的定型尺寸 颗粒的定型尺寸常用粒径来表示： 1、单个粒子 、 粒径d 粒径 P： 对球形催化剂，应用一个参数dP即可完整描述颗粒的全部几何 性质，即自由度为1； 对规则形催化剂，如圆柱形，用两个参数如h、d即可； 对不规则颗粒，也是用两个参数来描述颗粒的几何性能：一是 当量直径；另一是形状参数。
d S u0 ρ g
6.1.2固定床内的传热 固定床内的传热 床层尺度上的传热过程包括四个方面： 床层尺度上的传热过程包括四个方面： ①颗粒内部的传热 (λ P ) ；
( ②颗粒与流体之间的传热α g ) ；
③床层整体有效导热系数 (λe ) ； ④床层和反应器壁之间的传热 (h0、hW ) 。 对于①中λP，见第十七讲《非等温反应宏观动力学方程》。它的大 小往往由固体颗粒自身的性质粒内孔隙情况决定的，颗粒内的传热主要 是以热传导形式进行的。 对于②中的αg第十七讲中已经讨论过。 现重点讨论③和④ ！ 现重点讨论③
反应工程第二版 第六章气固相催化固定床反应器
dxA RA B
dl
u0cA0
：催化剂堆密度
B
dxA
RA B
dl u0cA0
L 0
dl u0
cA0
xA出 0
dxA
RA B
•
•
对照平推流反应器模型 二者相同
VR V0
cA0
dx xA出
A
0 rA
23
• 热量衡算：（仍然是那块体积）
输入热量－输出热量+反应热效应
=与外界的热交换+积累
x1in,T1in x1out, T2in x2out T3in x3out T4in x4out
35
x
在T－x图上看：
0
二氧化硫氧化反应T－x图示意
T
斜线为段内操作线，斜率为1/λ。 水平线表示段间为间接冷却，只是温度降低，转化率不变。
36
• 调用最优化程序，就可以求得W最小值？
• 可以，但很困难。
输入：G cp T G质量流量, cp恒压热容
输出：G cp(T+dT)
反应热效应：(-RA)(1-εB)(-ΔH)Aidl
热交换：U(T-Tr)πdidl
di反应器直径
积累：0
U:气流与冷却介质之间的换热系数
Tr：环境温度
24
• 将各式代入，得
dT
RA 1 B H U
4 di
T
Tr
dl
ucp g
粒径 ds/mm 质量分率 w
3.40 0.60
4.60 0.25
6.90 0.15
• 催化剂为球体，空隙率εB=0.44。在反应 条 件 下 气 体 的 密 度 ρg=2.46kg.m-3 ， 粘 度 μg=2.3×10-5kg.m-1s-1 ， 气 体 的 质 量 流 速 G=6.2kg.m-2s-1。求床层的压降。
第五章 固定床气-固相催化反应器
（b）原料气冷激式
Ⅰ Ⅱ
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
x
平衡温度线
Ⅲ Ⅳ
最佳温度线
大型合成氨厂中的合成反应器，常使用此型
T
(c)非原料气冷激式
冷激用的冷流体如果是非关键组分的反应物， 称为非原料气冷激式。如一氧化碳变换反应器采用 过热水蒸汽冷激。冷激后，平衡温度曲线向着同一 温度下提高平衡转化率的方向移动；最佳温度曲线 也随之变动； 【冷激式反应器的特点】 冷激式反应器结构简单,便于装卸催化剂，内 无冷臂，避免由于少数冷管损坏而影响操作，特别 适用于大型催化反应器。 下图是可逆放热单反应四段原料气冷激式操作 状况。
5-折流板固定棒；
6-人孔； 7-列管下花板； 8-载热体冷却器
以油作载热体的固定床反应装置示意图
以熔盐作载热体冷却装置在器内的反应装置:
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 以熔盐为载热体的反应装置示意图
（2）三套管并流式催化反应器
内冷自热式
催化剂装载在冷管间，与冷管内未反 应气体连续换热，未反应气体经冷管预热 至催化床入口气体温度（高于催化剂的起 始活性温度），故称自热式。 适用于反应热不太大而又在高压下进 行的放热过程。如：中、小型氨合成及甲 醇合成使用此型。
自热式反应器的特点
• 将绝热式和换热式反应器结合起来使用，绝热层 中反应气体借助反应热迅速地升温到理想的反应 温度；然后进入换热段（冷却层）中，反应气体 被冷却而接近最佳温度曲线。自热式反应器只适 用于反应热不太大的放热过程。自热式反应器既 省了外来热源，也可设计出较好的轴向温度分布， 使其更接近于最佳温度分布曲线，因此操作稳定 性更好。但自热式反应器，因其对原料气有热量 反馈，常常会有多重定态现象。开工时，如原料 气不经预热，反应器就会总量处于转化率为零的 低温定态现象。因此对于自热式反应器必须在反 应床层外设置开工加热器。在开工时，必须使原 料气能越过不稳定的定态，当达到转化率高的高 温定态后，再逐步停用开工加热器，使其保持高 温定态反应。 • 氨合成塔及甲醇合成塔就属于这种类型。
化学反应工程-21-第六章-气固相催化反应固定床反应器
同样可写出：
C0,n1 C0,n
R A aV 1 B 4 E r l 2 C1,n C0,n l 8 u r u
T
R
0
2rdr 2 T 2 2 R R
R
0
Trdr
说明： 2rdr E t dt，即分布密度函数。 R 2
CA
R
0
2rdr 2 CA 2 2 R R
R
0
C A rdr
二、数学模型求解
1、显式差分法 上述方程组（3）、（4）没有解析解，只能求其数值解： 方程的自变量为r、l，其定义域就是整个反应器，即是圆柱形 的反应床，为求得定义域上因变量CA、T的分布规律，数值 解的基本思路是：
2点：气流主体由l+dl面离开微元体带出的热量：
g u 2rdr C P Tl dl，J s 1
3点：由轴向热传导自l面而传入微元体的热量：
T 1 eZ 2rdr，J s l l
4点：由轴向热传导自l+dl面离开而传出的热量：
T 1 eZ 2rdr，J s l l dl
6点：A自r+dr面由径向扩散而离开微元体的量：
C Er A 2 r dr dl， s 1 mol r r dr
2 mol s 1 7点：微元体中A的反应量： R A 1 B r dr dl r dl ， 2
R A aV 1 B H rA
g uCP
l 1 2 Tm1,n 2Tm,n Tm1,n Tm 1,n Tm,n g uCP r m l 5
5固定床气-固相催化反应工程
规律充分了解的基础上建立的），因次可以高 倍数放大，它可以进行设计放大，也可以对现 有的设备进行校核，实现最佳控制。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
4、几个基本概念：
1）非均相模型：颗粒内部和相间的传热，传质 计入模型。
2）拟均相模型：化学动力学控制，不考虑颗粒 内部及相间传递。
确定，反应器及换热器工艺尺寸的计算。 ※机械设计：机械结构设计和强度设计。 ※设计前具备条件： ①热力学数据及有关物性数据。 ②反应动力学及传递过程模型及数据。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
※反应器设计应遵循的原则： ①根据工艺特点和工程实际情况，确定最佳工艺
条件，而且要有一定的操作弹性。 ②反应器的类型和结构要考虑工艺条件，设备制
第5章 固定床气-固相催化反应工程
目录
5.1 固定床气-固相催化反应工程 5.2 固定床流体力学 5.3 固定床热量与质量传递过程 5.4 绝热式固定床催化反应器 5.5 连续换热内冷自热式催化反应器 5.6 连续换热外冷及外热管式催化反应器 5.7 薄床层催化反应器
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
造、检修、cat.的装卸。 ③反应器的内、外件要合理放置，使气流分布均
匀， ④机械结构要可靠。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
二 固定床催化反应器的数学模型
1、定义：它是用数学方程式表示实际过程中各 个参数的关系，用电子计算机进行设计放大的 方法。
2、建立数学模型的步骤 对过程进行解析（研究它的微观动力学，传递过
3）一维模型：dT dC 0 ，只考虑轴相变化。
dr dr
4）二维模型：dT 0, dr
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
4、几个基本概念：
1）非均相模型：颗粒内部和相间的传热，传质 计入模型。
2）拟均相模型：化学动力学控制，不考虑颗粒 内部及相间传递。
确定，反应器及换热器工艺尺寸的计算。 ※机械设计：机械结构设计和强度设计。 ※设计前具备条件： ①热力学数据及有关物性数据。 ②反应动力学及传递过程模型及数据。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
※反应器设计应遵循的原则： ①根据工艺特点和工程实际情况，确定最佳工艺
条件，而且要有一定的操作弹性。 ②反应器的类型和结构要考虑工艺条件，设备制
第5章 固定床气-固相催化反应工程
目录
5.1 固定床气-固相催化反应工程 5.2 固定床流体力学 5.3 固定床热量与质量传递过程 5.4 绝热式固定床催化反应器 5.5 连续换热内冷自热式催化反应器 5.6 连续换热外冷及外热管式催化反应器 5.7 薄床层催化反应器
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
造、检修、cat.的装卸。 ③反应器的内、外件要合理放置，使气流分布均
匀， ④机械结构要可靠。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
二 固定床催化反应器的数学模型
1、定义：它是用数学方程式表示实际过程中各 个参数的关系，用电子计算机进行设计放大的 方法。
2、建立数学模型的步骤 对过程进行解析（研究它的微观动力学，传递过
3）一维模型：dT dC 0 ，只考虑轴相变化。
dr dr
4）二维模型：dT 0, dr
6气固相催化反应固定床反应器
解： ①求颗粒的平均直径。
0.60 0.25 0.15 3 dS 3.96mm 3.9610 m xi 3.40 4.60 6.90 d i 1
1
②计算修正雷诺数。
dSG 3.96103 6.2 Re m 1906 5 g 1 B 2.3 10 1 0.44
2、径向传质 对于实际反应器，由于存在径向温度分布和径向流速 分布，因而径向必然存在浓度分布和扩散。 同时，流体撞击固体颗粒时，将产生再分散，改变 流体流向，从而造成返混。
Per d p um / Er
Er值应在5~13之间，在不同Re下近于常数。 在多数反应器内，流体处于充分湍流状态，Per=10。
主要固定床催化反应过程
基本化学工业
烃类水蒸气转化 一氧化碳变换 一氧化碳甲烷化 氨合成 二氧化硫氧化 甲醇合成
石油化学工业
催化重整 二氯化烷 丁二烯 苯酐 苯乙烯 异构化 醋酸乙烯酯 顺酐 环已烷 加氢脱烷基
气固相催化反应固定床反应器
[学习目的] 掌握一维拟均相理想流动模型及其应用； 了解流体在固定床内的传递特性、固定床催化 反应器的特点、一维拟均相非理想流模型等其 它模型。 [重点与难点] 流体在固定床内的传递特性； 采用一维拟均相理想流动模型对反应器进行设 计。
工业应用： 石油的连续催化重整、二甲苯异构化、连续法离子交换水处理
优点： A、固体物料可以连续进出反应器，而且可以在 较大范围内独立改变固体和流体的停留时间， 对固体物料性状以中等速度变化的反应过程也 能适用； B、固体和流体的运动均接近活塞流，返混较小， 对固相加工过程，固相转化率比较均匀，对气 相加工过程，则可达到较高的单位体积生产能力。
气固相催化反应工程
性物料来稀释催化剂
合用 原料成本高，副产物价值低以及分离不 是十分轻易旳情况。
三套管并流式冷管催化床温度分布及操作情况
反应进度 床层深度
温度
温度
轴向反应器VS径向反应器
Rp kv
3 Deff
ζ=
1
1
th(3
)
1
3
VS
固定床反应器优缺陷
① 固定床中催化剂不易磨损； ② 床层内流体旳流动接近于平推流，与返混式旳 反应器相比，可用较少许旳催化剂和较小旳反应 器容积来取得较大旳生产能力。 ③ 因为停留时间能够严格控制，温度分布能够合 适调整，所以尤其有利于到达高旳选择性和转化 率，在大规模旳化工生产中尤为主要。
L0
L Lmf
流体 流体 流体 流体 流体 流体
流化床反应器
fluidized reactor
5-3 催化反应器旳数学模型
1，非均相 拟均相 2，一维模型 二维模型 3，理想流动 非理想流动
拟均相合用情况：1，化学动力学控制 2，活性较正系数（无宏观动力学资料）
一维 二维：轴向浓度差、温度差；轴径向浓度差、温度差 理想流动：不考虑返混（PFR）； 非理想流动：考虑返混（扩散）
原料气
x
平衡温度线
催化剂 产物
最佳温度线
T
2，多段固定床绝热反应器
（a）间接换热式 Ⅰ
Ⅱ
x
平衡温度线
Ⅲ
最佳温度线
Ⅳ
T
2，多段固定床绝热反应器
Ⅰ
（b）原料气冷激式
Ⅱ
Ⅲ
x
平衡温度线
Ⅳቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
最佳温度线
T
2，多段固定床绝热反应器
Ⅰ (c)非原料气冷激式
合用 原料成本高，副产物价值低以及分离不 是十分轻易旳情况。
三套管并流式冷管催化床温度分布及操作情况
反应进度 床层深度
温度
温度
轴向反应器VS径向反应器
Rp kv
3 Deff
ζ=
1
1
th(3
)
1
3
VS
固定床反应器优缺陷
① 固定床中催化剂不易磨损； ② 床层内流体旳流动接近于平推流，与返混式旳 反应器相比，可用较少许旳催化剂和较小旳反应 器容积来取得较大旳生产能力。 ③ 因为停留时间能够严格控制，温度分布能够合 适调整，所以尤其有利于到达高旳选择性和转化 率，在大规模旳化工生产中尤为主要。
L0
L Lmf
流体 流体 流体 流体 流体 流体
流化床反应器
fluidized reactor
5-3 催化反应器旳数学模型
1，非均相 拟均相 2，一维模型 二维模型 3，理想流动 非理想流动
拟均相合用情况：1，化学动力学控制 2，活性较正系数（无宏观动力学资料）
一维 二维：轴向浓度差、温度差；轴径向浓度差、温度差 理想流动：不考虑返混（PFR）； 非理想流动：考虑返混（扩散）
原料气
x
平衡温度线
催化剂 产物
最佳温度线
T
2，多段固定床绝热反应器
（a）间接换热式 Ⅰ
Ⅱ
x
平衡温度线
Ⅲ
最佳温度线
Ⅳ
T
2，多段固定床绝热反应器
Ⅰ
（b）原料气冷激式
Ⅱ
Ⅲ
x
平衡温度线
Ⅳቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
最佳温度线
T
2，多段固定床绝热反应器
Ⅰ (c)非原料气冷激式
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。
固定床气-固相催化反应工程
一 固定床气-固相催化反应器的基本类型
进行气—固相催化反应器的装置主要有固定床和 流化床两大类。
◆固定床反应器（Fixed Bed Reactors） 1、定义：气体通过由静止的催化剂颗粒构成的床
层而进行反应的装置。 2、应用：炼油工业：裂解、重整、异构化、加氢
精制 无机化工：合成氨、硫酸生产 有机化工：乙烯氧化制环氧乙烷、氯乙烯的合成 乙烯水合成制乙醇。
重。 ④由实验室工业化，放大效应大，放大周期长，放
大费用高，丙烯腈放大5年。 (Ф300-Ф3000)
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
4、流化床类型：
※按操作气速分类：鼓泡床、湍动床、快速硫化 床，提升管。
※按cat受力方式分类：流体流化床，磁控流化床 ，离心流化床。
※按相态分类：两相床，三相床。
4.1按换热方式的不同可分为： 绝热式、换热式 1）绝热式 单段：由反应物到产物一次完成。图5-1 它适用于热效应小，单程转化率低，s对T不敏感
的反应。 多段：反应 换热 反应 换热 ...... 即由反应物到产物多次完成。图5-2 它可分为
间接换热式
原料气冷激
直接换热式（冷激式 ）
非原料气冷激
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况
反应进度 床层深度
温度
温度
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
4．2 按流体流动方向（反应气体的流动方向）分类 1)轴向固定床，用的最多，不特殊说明，均指轴向床
。
进行气—固相催化反应器的装置主要有固定床和 流化床两大类。
◆固定床反应器（Fixed Bed Reactors） 1、定义：气体通过由静止的催化剂颗粒构成的床
层而进行反应的装置。 2、应用：炼油工业：裂解、重整、异构化、加氢
精制 无机化工：合成氨、硫酸生产 有机化工：乙烯氧化制环氧乙烷、氯乙烯的合成 乙烯水合成制乙醇。
重。 ④由实验室工业化，放大效应大，放大周期长，放
大费用高，丙烯腈放大5年。 (Ф300-Ф3000)
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
4、流化床类型：
※按操作气速分类：鼓泡床、湍动床、快速硫化 床，提升管。
※按cat受力方式分类：流体流化床，磁控流化床 ，离心流化床。
※按相态分类：两相床，三相床。
4.1按换热方式的不同可分为： 绝热式、换热式 1）绝热式 单段：由反应物到产物一次完成。图5-1 它适用于热效应小，单程转化率低，s对T不敏感
的反应。 多段：反应 换热 反应 换热 ...... 即由反应物到产物多次完成。图5-2 它可分为
间接换热式
原料气冷激
直接换热式（冷激式 ）
非原料气冷激
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况
反应进度 床层深度
温度
温度
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
4．2 按流体流动方向（反应气体的流动方向）分类 1)轴向固定床，用的最多，不特殊说明，均指轴向床
。
化学反应工程-20-第六章-气固相催化反应固定床反应器
∂V R v0 C A0 ∂ x Aif − 1 ∂ (− R A ) = dx A ∫x 2 ∂Ti 0 1 − ε B ∂Ti 0 Ai 0 (− R A ) ∂Ti 0
1 ∂ (− RA ) 即： ∫ dx A = 0 LL (7 ) 2 x Ai 0 ( − RA ) ∂Ti 0
2 dP 150 1 − ε B ρ g u0 = LL (3) − Re + 1.75 ε 3 dS B dl m dx (− RA )(1 − ε B ) LL (4) A= u m 0C A0 dl dT (− ∆H )(− R )(1 − ε ) rA A B LL (5) = u0 ρ g C P dl T L = 0时 P = P0，x A = 0， = T
6.3.2单层绝热反应床的设计计算 单层绝热反应床的设计计算 一、平衡温度及最优温度分布 可逆放热反应： A + B ⇔ R + S 设动力学方程： r1 = k1 f 1 (C A、C B )， r2 = k 2 f 2 (C R、C S )
k = k0e
−
E RT
平衡温度 Teq： (r1 = r2 )
S t u m 0 C A0 VRi = S t Li = 1− ε B
整个催化剂体积：
v 0 C A0 dx A ∫x Ai0 (− R A ) = 1 − ε B
x Aif
dx A ∫x Ai0 (− R A )
x Aif
vC VR = ∑ VRi = 0 A0 1− ε B i
dx A ∑ ∫x Ai0 (− R ) i =1 A
(
)
λ 式中： 为绝热温升，在一定工况下，近似为常数；
第五章气固反应
第三节 固定床热量与质量传递过程
三、床层与器壁间的给热系数 h0 一维模型中，床层与器壁间传热速率为
q h0 A(tm tW ) t m ：床层平均温度; tW ：器壁温度;
h0可由经验公式计算
h0 d p
d p e 2 (b) [a1 ] dt y
（适用范围：y > 0.2）
第五章 固定床气-固相催 化反应工程
覃吴
内
容
第一节 固定床气固相催化反应器的基本类型和数学模型
第二节 固定床流体力学
第三节 固定床热量与质量传递过程 第四节 绝热式固定床反应器 第五节 连续换热内冷自热式催化反应器 第六节 连续换热外冷及外热管式催化反应器
第七节 薄床层催化反应器
第一节 固定床气固相催化反应器的基本类型和数学模型
hrV
第三节 固定床热量与质量传递过程
颗粒的辐射给热系数： h
rs
3
Tm 2 hrs 0.227 [W/(m K)] 2 100
式中，
—— 粒子表面的热辐射率；
Tm —— 床层的平均温度； hrs —— 颗粒辐射给热系数；
—— 颗粒接触点处流体薄膜对导热的影响。
(3) 混合颗粒平均直径
n x d p =1/ ∑ i ) （ i= d i 1
(4) 固定床当量直径及空隙率 de=4RH=4/Se=2/3*(ε/1-ε)*ds (5)空隙率及径向流速 了解即可
第二节 固定床流体力学
2. 单相流体在固定床中的流动及压降 p (1) 流动(了解即可) 固定床压降表示： (2) 压降 2
绝 热 式 多段绝热式
非原料气冷激式 加压热水（＜240℃） 导热油（250~300 ℃） 熔盐（＞300 ℃）
气固相催化反应固定床装置操作说明
气固相催化反应固定床装置一、前言本装置由管式炉加热固定床、流化床催化反应器组成，是有机化工、精细化工、石油化工等部门的主要实验设备，尤其在反应工程和催化工程及化工工艺、生化工程、环境保护专业中使用的相当广泛。
该实验装置可进行加氢、脱氢、氧化、卤化、芳构化、烃化、歧化、氨化等各种催化反应的科研与教学工作。
它能准确地测定和评价催化剂活性、寿命、找出最适宜的工艺条件，同时也能测取反应动力学和工业放大所需数据，是化工研究方面不可缺少的手段。
本装置由反应系统和控制系统组成：反应系统的反应器为管式反应器和流化床反应器，由不绣钢材料制。
气固相催化反应固定床装置是管式反应器，床内有直径3mm的不绣钢套管穿过反应器的上下两端，并在管内插入直径1mm的垲装热电偶，通过上下拉动热偶而测出床层各不同高度的反应温度。
加热炉采用三段加热控温方式，上下段温度控制灵活，恒温区较宽。
控制系统的温度控制采用高精度的智能化仪表，有三位半的数字显示,通过参数改变能适用各种测温传感器，并且控温与测温数据准确可靠。
气固相催化反应流化床是一种在反应器内由气流作用使催化剂细粒子上下翻滚作剧烈运动的床型。
流化床也为不锈钢制，床下部有填装的陶瓷环做预热段，中下部为流化膨胀的催化剂浓相段，中上部为稀相段，顶部为扩大段。
也采用三段控温方法。
控制系统的温度控制采用高精度的智能化仪表，有三位半的数字显示，通过参数改变能适用各种测温传感器，并且控温与测温数据准确可靠。
它的换热效果比固定床优越，能及时把反应热移走，床层温度均匀，避免产物产生过热现象，提高了催化剂的反应效率。
故流化床在许多有机反应中得到应用，如丙烯氨氧化制丙烯晴、丁烷或苯氧化制顺酐、二甲苯或萘氧化制苯酐、乙烯氯化、石油催化裂化、烷烃催化脱氢、二氧化硫氧化等都有工业规模生产，在实验室用流化床研究催化剂和工艺条件对产品开发有重大作用。
整机流程设计合理，设备安装紧凑，操作方便，性能稳定，重现性好。
此外，还有与计算机联机的接口，可安装软件能在计算机上显示与存储有关数据,实现计算机控制。
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温度线
T
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
(2) 多段固定床绝热反应器
产
品
Ⅰ
（a）间接换热式
原
x Ⅱ
料
平衡温度线
Ⅲ
最佳温度线
Ⅳ T
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
产 品
Ⅰ
原 料
Ⅱ
Ⅲ
（b）原料气冷激式
x
平衡温度线
最佳温度线
Ⅳ T
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
缺点：u ，△P
2)径向固定床。图5-9。流道短，压降小。径向床设 计要求较高，分布流道的制造使气体均布。
3)轴径向固定床。图5-12
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
Rp kv
3 Deff
ζ=
1
1
th(3
)
1
3
VS
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
③适应性强，生产规模可大可小，操作灵活（可 调），可在高压、高温下操作。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
缺点：①最大的缺点是床层的传热性能差。 原因: a.床层中装有固定不动的cat，影响流体
的径向流动 b. 由于受△P的限制，u ，传热速率 c. cat颗粒多是导热性差的物质，如活性
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
3、特点
优点：①传热效率高，温度分布均匀，于是特别适 用于对T敏感的反应。
②固体cat具有流动性，更换和再生容易，适用于 cat容易失活需及时更换再生的反应，如催化裂 解等。
③用dp 的cat ,ζ ④ u . 生产能力
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
缺点：①偏离活塞流程度大，转化率低 ②粒子的损失和带出严重，于是必须附设粒子回收
装置，如旋风分离器等。 ③由于粒子的湍动，对床层内壁和内部构件磨损严
重。 ④由实验室工业化，放大效应大，放大周期长，放
大费用高，丙烯腈放大5年。 (Ф300-Ф3000)
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
二、流化床反应器：（Fluidized Bed Reactors）
1、定义：气体通过由处于流化状态的催化剂颗粒 构成的床层而进行反应装置。
注意：这里的“固定”与“流化”都是对催化剂颗 粒所处状态而言的。
2、应用：石油、化工、冶金、煤炭等部门。 气—固催化反应、矿石焙烧（冶金）、固体干燥
（物理过程）、沸腾床（流化床）燃烧锅炉（电 力部门）。
一 固定床气-固相催化反应器的基本类型
进行气—固相催化反应器的装置主要有固定床和 流化床两大类。
◆固定床反应器（Fixed Bed Reactors） 1、定义：气体通过由静止的催化剂颗粒构成的床
层而进行反应的装置。 2、应用：炼油工业：裂解、重整、异构化、加氢
精制 无机化工：合成氨、硫酸生产 有机化工：乙烯氧化制环氧乙烷、氯乙烯的合成 乙烯水合成制乙醇。
原 料
Ⅰ
(c)非原料气冷激式
Ⅱ
x
平衡温度线
冷 激
Ⅲ
剂
Ⅳ
平衡温度线 最佳温度线
产
T
品
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
2）换热式 这类反应器类型很多，常用的型式是列管式图5-6，
套管式图5-7。 ◆按换热介质不同可分为： ※自身换热：以原料气为换热介质，自身换热，主
要用于热效应不太大的高压反应，如合成氨和合 成甲醇等。 ※对外换热式：由热载体移出热量，按热载体的循 环方式可分为：沸腾式、内循环式、外循环式。
炭，硅藻土等。 ②为使△P ,dp=2-6mm,dp ,ζ ③cat的更换和再生困难。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
4 反应器分类 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
多段绝热 单段绝热 内冷式
外冷(热)
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
第5章 固定床气-固相催化反应工程
目录
5.1 固定床气-固相催化反应工程 5.2 固定床流体力学 5.3 固定床热量与质量传递过程 5.4 绝热式固定床催化反应器 5.5 连续换热内冷自热式催化反应器 5.6 连续换热外冷及外热管式催化反应器 5.7 薄床层催化反应器
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
催化剂
原料
蒸汽 调节阀
补充水
产物
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况
反应进度 床层深度
温度
温度
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
4．2 按流体流动方向（反应气体的流动方向）分类 1)轴向固定床，用的最多，不特殊说明，均指轴向床。
4、流化床类型：
※按操作气速分类：鼓泡床、湍动床、快速硫化 床，提升管。
※按cat受力方式分类：流体流化床，磁控流化床， 离心流化床。
※按相态分类：两相床，三相床。
※按Geldart分类：A、B、C、D。一般教科书的 讨论只限于鼓泡床。流化床是反应工程学科最 活跃的领域，发展较快，中国有“颗粒学会”， 定期召开全国流态化会议。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
3 优缺点
优点：①当床层不是太厚（L/dp>100），流速 不是太低（Re>10），流体的轴向流动可视为 活塞流，因此具有PFR的特点，cA ,rA ,xAf
②由于床层中的颗粒是静止不动的，于是cat不 易磨损，这样降低cat消耗，降低了成本，提高 了经济效益，尤其是对比较贵重的金属cat，更 是如此。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
三、复合床：
1、流化床 固定床，流化床换热，固定床反应。 2、固定床反应（管内），流化床换热（管间）。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
反应器设计原则 反应器设计：化工工艺设计、机械设计 ※化工工艺设计：反应器造型，工艺操作条件的
4.1按换热方式的不同可分为： 绝热式、换热式 1）绝热式 单段：由反应物到产物一次完成。图5-1 它适用于热效应小，单程转化率低，s对T不敏感
的反应。 多段：反应 换热 反应 换热 ...... 即由反应物到产物多次完成。图5-2 它可分为
间接换热式
原料气冷激
直接换热式（冷激式） 非原料气冷激
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
T
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
(2) 多段固定床绝热反应器
产
品
Ⅰ
（a）间接换热式
原
x Ⅱ
料
平衡温度线
Ⅲ
最佳温度线
Ⅳ T
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
产 品
Ⅰ
原 料
Ⅱ
Ⅲ
（b）原料气冷激式
x
平衡温度线
最佳温度线
Ⅳ T
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
缺点：u ，△P
2)径向固定床。图5-9。流道短，压降小。径向床设 计要求较高，分布流道的制造使气体均布。
3)轴径向固定床。图5-12
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
Rp kv
3 Deff
ζ=
1
1
th(3
)
1
3
VS
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
③适应性强，生产规模可大可小，操作灵活（可 调），可在高压、高温下操作。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
缺点：①最大的缺点是床层的传热性能差。 原因: a.床层中装有固定不动的cat，影响流体
的径向流动 b. 由于受△P的限制，u ，传热速率 c. cat颗粒多是导热性差的物质，如活性
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
3、特点
优点：①传热效率高，温度分布均匀，于是特别适 用于对T敏感的反应。
②固体cat具有流动性，更换和再生容易，适用于 cat容易失活需及时更换再生的反应，如催化裂 解等。
③用dp 的cat ,ζ ④ u . 生产能力
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
缺点：①偏离活塞流程度大，转化率低 ②粒子的损失和带出严重，于是必须附设粒子回收
装置，如旋风分离器等。 ③由于粒子的湍动，对床层内壁和内部构件磨损严
重。 ④由实验室工业化，放大效应大，放大周期长，放
大费用高，丙烯腈放大5年。 (Ф300-Ф3000)
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
二、流化床反应器：（Fluidized Bed Reactors）
1、定义：气体通过由处于流化状态的催化剂颗粒 构成的床层而进行反应装置。
注意：这里的“固定”与“流化”都是对催化剂颗 粒所处状态而言的。
2、应用：石油、化工、冶金、煤炭等部门。 气—固催化反应、矿石焙烧（冶金）、固体干燥
（物理过程）、沸腾床（流化床）燃烧锅炉（电 力部门）。
一 固定床气-固相催化反应器的基本类型
进行气—固相催化反应器的装置主要有固定床和 流化床两大类。
◆固定床反应器（Fixed Bed Reactors） 1、定义：气体通过由静止的催化剂颗粒构成的床
层而进行反应的装置。 2、应用：炼油工业：裂解、重整、异构化、加氢
精制 无机化工：合成氨、硫酸生产 有机化工：乙烯氧化制环氧乙烷、氯乙烯的合成 乙烯水合成制乙醇。
原 料
Ⅰ
(c)非原料气冷激式
Ⅱ
x
平衡温度线
冷 激
Ⅲ
剂
Ⅳ
平衡温度线 最佳温度线
产
T
品
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
2）换热式 这类反应器类型很多，常用的型式是列管式图5-6，
套管式图5-7。 ◆按换热介质不同可分为： ※自身换热：以原料气为换热介质，自身换热，主
要用于热效应不太大的高压反应，如合成氨和合 成甲醇等。 ※对外换热式：由热载体移出热量，按热载体的循 环方式可分为：沸腾式、内循环式、外循环式。
炭，硅藻土等。 ②为使△P ,dp=2-6mm,dp ,ζ ③cat的更换和再生困难。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
4 反应器分类 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
多段绝热 单段绝热 内冷式
外冷(热)
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
第5章 固定床气-固相催化反应工程
目录
5.1 固定床气-固相催化反应工程 5.2 固定床流体力学 5.3 固定床热量与质量传递过程 5.4 绝热式固定床催化反应器 5.5 连续换热内冷自热式催化反应器 5.6 连续换热外冷及外热管式催化反应器 5.7 薄床层催化反应器
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
催化剂
原料
蒸汽 调节阀
补充水
产物
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况
反应进度 床层深度
温度
温度
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
4．2 按流体流动方向（反应气体的流动方向）分类 1)轴向固定床，用的最多，不特殊说明，均指轴向床。
4、流化床类型：
※按操作气速分类：鼓泡床、湍动床、快速硫化 床，提升管。
※按cat受力方式分类：流体流化床，磁控流化床， 离心流化床。
※按相态分类：两相床，三相床。
※按Geldart分类：A、B、C、D。一般教科书的 讨论只限于鼓泡床。流化床是反应工程学科最 活跃的领域，发展较快，中国有“颗粒学会”， 定期召开全国流态化会议。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
3 优缺点
优点：①当床层不是太厚（L/dp>100），流速 不是太低（Re>10），流体的轴向流动可视为 活塞流，因此具有PFR的特点，cA ,rA ,xAf
②由于床层中的颗粒是静止不动的，于是cat不 易磨损，这样降低cat消耗，降低了成本，提高 了经济效益，尤其是对比较贵重的金属cat，更 是如此。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
三、复合床：
1、流化床 固定床，流化床换热，固定床反应。 2、固定床反应（管内），流化床换热（管间）。
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型
反应器设计原则 反应器设计：化工工艺设计、机械设计 ※化工工艺设计：反应器造型，工艺操作条件的
4.1按换热方式的不同可分为： 绝热式、换热式 1）绝热式 单段：由反应物到产物一次完成。图5-1 它适用于热效应小，单程转化率低，s对T不敏感
的反应。 多段：反应 换热 反应 换热 ...... 即由反应物到产物多次完成。图5-2 它可分为
间接换热式
原料气冷激
直接换热式（冷激式） 非原料气冷激
5.1 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型