第6章固定床反应器.

对外换热式反应器
气体自上而下流过床层 催化剂床层内的流动是通过颗粒 之间的空隙进行的，易达到湍流， 但与圆管内的流动状况不完全相 同
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。
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
6-9填充床的空隙率
床层空隙率εB
球形
圆柱形 不规则
三、固定床的当量直径 1、床层比表面
Se n p a p
(1 B ) p Vp p
a p (1 B )
ap Vp
6(1 B ) / d S
式中，np ——单位体积床层中颗粒的个数。
εB——床层空隙率 Vp ——非中空颗粒等体积的圆球体积
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、不同当量粒径的关系 颗粒的形状系数（球形系数）：φs 等体积球形粒子的外表面积与非球颗粒的外表积之比。
S aS / a p
S dV d S 6VP / aP
S (dV / da )
颗粒的形状系数
2
S 1
球体的形状系数＝1，非球体的形状系数<1
3、混合颗粒的平均直径 对于大小不等的混合粒子，其平均直径可用筛分分析数据
ReM 修正雷诺准数
ຫໍສະໝຸດ Baidue
d eu

2 d s um 2 Rem 3 (1 B ) 3
f '与Rem的经验关联式： 150 f 1.75 Rem
'
2 u 1 B dp 150 m 得Ergun方程： 1.75 3 dl Rem d B s
第六章
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
常用的Δp计算公式：
2 f mG L( 1 B ) p 3 n 3 d p s B
2
3 n
式中：dp —— 体积相当直径；
G um —— 质量流速。
fm和n可由图6-11查取。
图6-11 固定床的摩擦系数
推导>>在化工原理中：
l u2 p f de 2
p
B —— 床层堆积密度；
—— 颗粒视密度。
注意：颗粒视密度与真密度之 间的区别。
床层堆积密度
是单位体积颗粒床层的固体质量，颗粒床层体积是颗粒体
积与颗粒之间空隙的总和。若催化剂质量为m，堆体积为 VB，则堆密度ρB=m/VB。同一种颗粒，其真密度不变，但 当床层的空隙率不同时，颗粒床层的堆密度不同。 颗粒视密度又称颗粒密度。即单个颗粒的密度。若单个催 化剂颗粒质量为m，颗粒体积为V粒，则视密度ρp=m/V粒
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 )
原料 产品 原料 产品 原料
冷 激 剂
产品
间接换热 原料冷激 多段固定床绝热反应器 非原料冷激
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
二、换热式
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。 对外换热式固定床反应器 列管式固定床反应器:通常是在管内放催化剂，管间走热载 体
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 d S u 2 m L
摩擦系数
B 150 1 . 75 1 R B em
3
150 f 1.75 Rem
修正雷诺数：
d S um Rem ( 1 B )
um —— 平均流速(空床气速)； L —— 床层高度；
拉西环
金属环矩鞍
6 . 2 固定床中的传递过程 6.2.1 粒子直径和床层空隙率 定型尺寸：最能代表颗粒性质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，以当量直径表 示。主要有三种表示：体积相当直径、外表面积相当直径 和比表面积相当直径。
一、颗粒直径的表示方法
1、表示方法
B
dp 1 u2 将d e、um 代入式 f 中得 dl de 2
' 2 u dp 3(1 B ) (um / B ) 1 B m ' f f 3 dl 2 B d s 2 ds B 2
3 其中：f f f ( ReM ) 4
反应器与换热式反应器
? Q0
绝热式固定床反应器和换热式固定床反应器的区别在与其 与外界交换的热能Q是否等于零。
一、绝热式
单段绝热式
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。 适合热效应不大、反应 对温度的要求较宽的反 应
6-2甲醇氧化制甲醛的反应器
多段绝热床
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。 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。
按下式求出：
n xi dd 1 / i 1 d i
大小不等且形状也各异的混合颗粒，其形状系数由待
测颗粒所组成的固定床压力降来计算。同一批混合颗 粒，平均直径的计算方法不同，计算出来的形状系数
也不同。
非球形颗粒的形状系数 物料
鞍形填料 拉西环 烟道尘
形状
－ － 球状 聚集态
为内扩散控制。
内扩散不仅影响反应速率，而且影响复合反应的选择性。 工业上减少内扩散影响的办法：选用工业上适宜的催化剂 颗粒尺寸；必须采用细颗粒时，可以考虑改用径向反应器
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 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
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
床层空隙率εB
0.4
0
0.5
1
1.5
2
2.5
2
3.5
4
4.5
5
按混合颗粒的平均直径计算离壁距离
空管内 湍流
2
空管内层流
填充层内 气体流动
1
填充层内液体 流动
0
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%。
气体流动通过催化剂床层的压力降厄根(Ergun)方程计算式：
逆流 反应器温升快，且下降也快 热点靠近反应器进口 反应后期易过冷
并流 相反 热点靠近反应器出口 前期升温较慢，后期易过热
可逆放热反应
不可逆放热反应
催化剂的粒径取值 催化剂的粒径 25 -30mm
催化剂的粒径<管径1/8
粒径↓阻力↑ ，粒径↑η↓ 当η≈1时，反应过程为动力学控制，当η＜1时，反应过程
固定床的空隙率是颗粒物料层中颗粒间自由体积与整个
床层体积之比，它是固定床的重要特性之一。空隙率对 流体通过床层的压力降、床层的传热都有重大的影响。 颗粒形状、颗粒的粒度分布、充填方式、颗粒直径与容 器直径之比都影响空隙率。固定床中同一截面上的空隙
率也不相同，近壁处较大，中心处较小。一般工程上认
为当床层直径与颗粒直径之比达 8 时，可不计壁效应。 壁效应影响是指靠近器壁的空间结构与其他部分有很大 差别，器壁处的流动状况、传质、传热状况与主流体中 也有很大差别。当采用实验规模的小型设备研究传质、 传热、反应的规律时，器壁的影响远比大型设备为大。
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。

dp 1 u2 f dl de 2
流通截面积 4 B de 4 润湿周边 (1 B ) SV
de：当量床层直径 dp/dl：床层高向的压强变化 ρ：流体密度 u：实际流速，通常以空塔气速um=u/εB表示
2 B 2 B d e 4 RH 4 d S dV S Se 3 1 B 3 1 B
1.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，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。
2.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。
体积相当直径 面积相当直径 比表面相当直径
dV (6VP / )1/ 3 1/ 2 da (aP / ) d S 6 / SV 6VP / aP
式中：SV=ap/Vp， ——颗粒的比表面积 ap ——与非中空颗粒等外表面积的圆球外表面积 Vp ——非中空颗粒等体积的圆球体积 注意：三种方法的计算结果不同
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

B
Se
3、固定床的径向流速分布 尽管在近壁处空隙率较大，但壁摩擦阻力使流速将低到 接近0。一般工程上认为当床层直径与颗粒直径之比dt / ds=8 时，可不计壁效应。
1
距壁4个颗粒直径处，床层空隙率和流
0.8
速分布趋平坦，因此一般工程上认为当 床层直径与颗粒直径 之比值达 8 时可 不计壁效应。
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