固定床反应器
固定床反应器
（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。
（6）列管式固定床反应器，以上（1）~（5） 反应器形式均为绝热时固定床反应器。若化 学反应过程反应热较大，可采用等温反应器 形式，即列管式固定床反应器。如乙烯氧化 制环氧乙烷。
0
dT G c p ( ) B (rA )( H r ) （5-22） dL 2 p u 1 f ( )( 3 ) （5-)
T为催化剂床层热力学温度，K （ H r ）为反应热效应，J/mol 为流体的密度，kg/ m 3 c p 为反应物料的平均比定压热容， J/(kg K) p 为催化剂床层的压强降，kPa d s 为催化剂颗粒粒径，m 为催化剂床层孔隙率，%
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
SO2 氧 固定床反应器广泛应用于氨合成、 化制 SO3 、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。 （1）径向或轴向固定床反应器，大多数反应 器为轴向反应器，但当生产能力大，且压降
f 为摩擦系数，量纲为一。
150 f 1.75 ReM
（5-24）
ReM d s u /[ (1 )] 为修正的雷诺数。 式中： 代入式（5-23），得：
（5-25） 上述数学模型为固定床反应器的设计方程。
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。
固定床反应器培训
故障四
设备振动大。排除方法：检查固定床反应器的安装基础是 否牢固，如有问题及时加固；检查设备部件是否有松动或 损坏，如有及时修复或更换。
04
固定床反应器的优化与改 进
催化剂的优化选择
总结词
催化剂是固定床反应器的核心要素，其选择和优化对反应效果具有决定性影响。
详细描述
在选择催化剂时，需要考虑其活性、选择性、稳定性和成本效益。通过实验研究和模拟计算，可以评 估不同催化剂的性能，并选择最适合特定反应的催化剂。此外，催化剂的优化还可以通过改进制备方 法、添加助剂或进行表面改性来实现。
固定床反应器的基本结构
催化剂
固定床反应器中的催化剂通常 装填在反应器的底部或中部，
以固定床的形式存在。
反应物料
反应物料从反应器的顶部进入 ，通过催化剂层进行化学反应 。
换热器
为了控制反应温度，固定床反 应器通常配备换热器，以便在 必要时对反应物料进行加热或 冷却。
出料口
反应后的物料从反应器的底部 或侧部出料口排出。
证和模拟分析来评估新型反应器的性能。
05
固定床反应器的安全与环 保
安全操作规程
操作人员需经过专业培训，熟悉 固定床反应器的结构、工作原理
和操作规程。
操作过程中应严格遵守安全操作 规程，确保设备运行稳定、安全
可靠。
定期对固定床反应器进行检查和 维护，确保设备处于良好状态。
环保要求与处理措施
固定床反应器应符合环保要求 ，确保废气、废水和固废等污 染物达标排放。
操作条件的优化调整
总结词
操作条件如温度、压力、流量等对固定 床反应器的性能具有重要影响。
VS
详细描述
通过实验确定最佳的操作条件是必要的。 这包括最佳的温度、压力、气体流量等参 数。此外，操作条件的优化还可以通过控 制反应物的浓度、反应时间、反应器内构 件设计来实现。优化后的操作条件可以提 高反应效率、降低能耗和减少副反应的发 生。
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
感谢观看
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。
固定床生物反应器
反应物系沿床层 轴向位置而变化。
反应体系多为 液-固两相体系， 液体通过床层空 隙而流动，床层 压力较大。
床层内可能存在
填充床反应器 PBR
反应物系的扩散
对反应速率的限
制作用。
床层轴向常会存在 宏观混合，即返混。
根据液相物料的 流向方向，填充 床反应器又可分 为上行方式和下 行方式。
填充床生物反应器
1 2 3
葡萄糖异构 化。
青霉素选择 性水解反应。
氨基酸消旋 混合物的选 择性反应分 离。
固定床反应器的应用
以固定化细胞 为催化剂的
固定化酵 母生产乙 醇。
废水的生 物处理。
利用滴流床反应器制备生物柴油的研究
目前制备生物柴油一般 采用间歇式搅拌釜，该工艺 存在原料消耗大、反应耗能 大及反应效率低等问题。张 冠杰等人首次采用自制的滴 流床反应器进行醇解反应制 备生物柴油，实现了改善反 应物接触状况、降低能耗及 连续生产等目的。
床内没有换热装置
特点：反应器结
构简单，生产能 力大。
适合热效应不大、 反应对温度的要求 较宽的反应。
缺点：反应过程
中温度变化较大。
绝热式固定床反应器
多段绝热式固定床反应器
根据段间反应 气体的冷却或加热
特点：催化剂床层
方式，多段绝热床
又分为中间间接换 热式和冷激式。
的温度波动小。
缺点：结构较复杂，催
影响滴流床反应器 操作特性的主要因 素有：
1、固定化颗粒床层 所具有的表面积。 2、床层被下降液体 所湿润的程度。 3、气、液的流动模 式。
滴流床反应器
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
固定床 反应器
固定床反应器总结
固定床反应器总结1. 简介固定床反应器是一种常见的化工反应器类型，用于进行气体或液体相的催化反应。
其特点是反应物在反应器中通过固定的催化剂床层流过，反应发生在催化剂颗粒表面上。
2. 反应机理固定床反应器的反应机理主要包括质量传递和化学反应两个过程。
在质量传递过程中，反应物通过流动相与催化剂表面发生质量传递，进而被吸附到催化剂表面。
在化学反应过程中，吸附的反应物分子与催化剂表面上的活性位点发生化学反应，生成产物。
产物再次进行质量传递，在固定床反应器中，通过连续的物质传递和反应过程，在催化剂床层内实现了高效的转化。
3. 设计与操作注意事项在固定床反应器的设计和操作过程中，需要注意以下几个关键问题：3.1 催化剂选择催化剂的选择对反应器的效果具有重要影响。
催化剂应具备高的活性和选择性，并且能够在反应条件下稳定存在。
此外，催化剂的物理性质（如形状、尺寸）也对反应器性能有一定影响。
3.2 催化剂填充方式固定床反应器中，催化剂的填充方式对反应器性能同样有重要影响。
常见的填充方式有堆积填充和捆绑填充。
堆积填充方式简单易行，但容易形成通道，造成反应不均匀。
捆绑填充方式可以有效缓解通道效应，提高反应器利用率。
3.3 反应器温度控制反应器温度是保证反应进行的关键参数之一。
合适的反应温度能够提高反应速率和产物选择性。
在固定床反应器中，常用的温度控制方式有加热管和冷却器。
合理的温度控制方式可以避免温度过高或过低导致的催化剂失活和副反应的发生。
3.4 反应器的压力控制反应器压力对于反应物质传递速率和反应平衡有重要影响。
控制合适的反应器压力可以提高反应速率和产物选择性。
常见的压力控制方式包括调节进料流量和使用压力控制阀等。
4. 应用领域固定床反应器在化工工业中应用广泛，常见的应用领域包括：•石化工业：用于石油裂化、氢化、重整等反应；•化学工业：用于有机合成、氧化、加氢等反应；•环境工程：用于废水处理和废气处理等。
5. 优缺点分析固定床反应器的优点包括：•反应效果好：催化剂床层的连续流动能够实现高转化率和高选择性；•反应物质传递快：固定床反应器可以借助催化剂床层进行物质传递，实现高效反应；•反应器稳定性高：固定床反应器催化剂床层具备良好的稳定性，催化剂寿命相对较长。
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
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
化工反应过程之固定床反应器
化工反应过程之固定床反应器固定床反应器是一种常见的化工反应器，广泛应用于工业生产中的催化反应、气体吸附分离、气体净化等领域。
它的特点是反应物固定在反应器内的催化剂床层上，反应过程中通过流体将反应物质质量传递到催化剂表面进行反应，反应生成物质通过床层离开反应器。
固定床反应器的结构主要由反应器本体、进料管、排料管和反应器床层组成。
反应器本体通常由金属材料制成（如不锈钢），具有良好的发热、承压和耐腐蚀性能。
进料管在反应器底部引入反应物质，排料管则在反应器顶部将反应生成物排出。
床层是固定床反应器的核心部分，通常由催化剂颗粒物质装填而成，具有大的比表面积和较高的孔隙度，以提供足够的反应表面积和反应空间。
固定床反应器在化工生产中具有重要的应用。
首先，它广泛用于催化反应。
在固定床反应器中，催化剂床层有效地提供了反应的活性表面，使得反应速率得以提高。
例如，加氢反应、氧化反应、脱氢反应等都可以使用固定床反应器进行。
其次，固定床反应器也被用于气体吸附分离和气体净化。
吸附剂床层能够吸附特定成分，实现气体组分的分离和纯化。
此外，固定床反应器还适用于颗粒物质的固液分离、固气分离等过程。
固定床反应器的工作原理主要包括质量传递和物质平衡两个方面。
在反应物进入床层前，需要先经过预热区，以使其达到适宜的反应温度。
之后，在床层内发生质量传递过程，即反应物质通过流体传递到催化剂表面，发生化学反应。
在反应过程中，需要保持适宜的温度和压力条件，以提供反应的最佳反应速率和选择性。
反应生成物质则随着流体一起流出固定床反应器。
固定床反应器的优势在于：一、反应物质与催化剂的接触充分，反应效率高；二、催化剂寿命长，催化剂载体不易破碎；三、床层的填料物质易于更换和维护；四、反应器体积相对较小，能够实现高度效能的连续化生产。
然而，固定床反应器也有一些缺点需要克服。
首先，反应床层在长时间运行后会出现积碳、堵塞等现象，需进行定期清洗和更换床层。
其次，固定床反应器对反应物料的物理性质要求较高，如化学性质、颗粒度等。
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
石油化工工厂装备固定床反应器-文档资料
•.
•4
固定床反应器的缺点
传热差，可能出现“飞温”（温度失去控 制，急剧上升，超过允许范围 ）
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
•.
•5
固定床反应器是石油化工中应用最为普遍的 反应器之一
乙烯氧化制取环氧乙烷 脱除乙烯中的乙炔 乙苯脱氢制苯乙烯
反应区均为流体相，催化剂为固体
•.
•6
二、固定床反应器的结构
绝热式固定床反应器
固定床反应器
换热式固定床反应器
轴向反应器
径向反应器
自然式
外热式
单段绝热床反应器
多段绝热床反应器
•.
•7
(1)单段绝热式固定床反应器
结构简单，反 应器体积利用 率高 ，适用于 热效应不大， 温度要求不严， 单程转化率低 的反应
•.
•8
单段式固定床反应器串联
鼓泡塔
固定床
•.
•1
第五章 固定床反应器
第一节 概述
•.
•2
一、固定床反应器的特点及工业应用
“固定床”名称中 “固定”的是什么？ 固定的是催化剂 床层
定义：反应物料在静止的催化剂床层上进行反应的装置
•.
•3
固定床反应器的优点
流体接近活塞流，反应速度快，返混小 结构简单，制造便宜，操作方便 催化剂颗粒静止，磨损率低，寿命长
•.
•9
(2)多段绝热式固定床反应器
适用于热效 应较大，速 度慢的反应•.源自•10（3）径向反应器
反应器由顶部进入，沿径向经催化剂床层，反应 物进入中心管集合，再从底部流出
优点： <1>气体流程短，压降小，可使用较细催化剂，
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
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
固定床反应器
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。
编辑ppt
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
编辑ppt
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
编辑ppt
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
编辑ppt
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
编辑ppt
固定床反应器类型
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径向固定床反应器
第二节 催化剂及其作用
一、催化剂与催化作用 二、催化剂的制备
一、催化剂与催化作用
（一） 催化剂
①改变反应速度：催化剂本身在反应前后无组成变化。 ②催化作用不能改变化学平衡（和反应热）： ③催化剂对催化反应具有选择性（特定的 Cat 只能催化特 定的反应）
1. 气体分布不均匀性的原因 2. 提高气体分布均匀性的方法
流体流过固定床的压力降
（三）床层压降
f u 0 L1 f m dS 3
2
150 fm 1.75 RM
三、固定床反应器中的传质与传热
（一）固定床中的传质 1. 内扩散过程
（1）气体在催化剂孔道内的扩散系数
（二）催化剂的组成： ①活性组分； ②助催化剂；③载体 （三）催化作用 （四）催化剂性能
二、催化剂的制备
（一）催化剂的制备方法 （二）催化剂的活化及钝化 （三）催化剂的失活 （四）催化剂的再生
催化剂的制备方法
（1）浸渍法 （2）沉淀法 （3）混合法
催化剂的失活
①分子扩散；②克努森扩散；③过渡区扩散 （2）内扩散过程的传质速度 （3）催化剂的有效系数
2. 外扩散过程
（二）固定床中的传热
1. 催化剂颗粒与流体间的传热 2. 床层的传热 3. 床层对壁总给热系数
四、固定床反应器的设计计算
（一）催化剂用量的计算 1. 空间速度： 2. 停留时间 3. 空时收率 4. 催化剂负荷 5. 床层线速度与空床速度
ka K kbKrKAKB
；
第四节 固定床催化反应器的生产原理
一、催化剂的装填特性 （一）颗粒直径与形状 （二）床层空隙率 （三）固定床的当量直径 （四）催化剂的装填
催化剂的装填特性
颗粒直径 床层空隙率 固定床的当量直径
二、流体在固定床中的流动特性
流体特性 气体的分布
生产实例：
合成氨工业
第一节 固定床反应器的特点及结构
定义： 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设备。
一、固定床反应器的特点及工业应用 二、固定床反应器的结构
固定床反应器的特点
①床层内气体流动可看成平推流 ②气体停留时间可控制 ③催化剂不易磨损 ④传热性能差 ⑤不能使用细粒催化剂 ⑥催化剂再生、更换方便。
Q A Kt m
第五节 固定床反应器的操作指导
加氢裂化反应器 一、温度调节 1. 控制反应器入口温度 2. 控制反应床层间的冷激氢量 3. 原料组成的变化对反应温度的影响 4. 反应初期与末期的温度变化 5. 反应温度的限制
二、压力的调节
1. 氢气压缩机的压力调节 2. 反应温度的影响 3. 原料变化的影响
本章小结
催化剂
催化剂组成
活 性组 分 、 助 催化 剂 、 载体 活性、选择性、稳定性、 寿命、强度等
催化性能
制备方法
浸 渍法 、 沉 淀 法、 混 合 法及活化方法
气 固 相 固 定 床 反 应 技 术
绝热式固定床 固定床反应器 换热式固定床 径向固定床 催化过程及控制步骤 催化反应动力学 双曲线型反应速率式 表面吸附 等温吸附方程 表面反应控制 吸附控制 脱附控制
（二）反应器床层高度及直径的计算
① 根据经验选取气体空床速度 ② 床层的截面积为 ③ 校床层阻力降 ④ 确定床层的结构尺寸
（三）催化剂床层传热面积的计算
式中 Ｑ－经热量衡算确定的传热速度，J/s； tm－进出口两端温度差的对数平均值，k； Ｋ－传热系数，J/m2sk ，从有关手册中查 取或用公式计算。
1 dN A rA m dt
（mol/kgs） （mol/m3s） （mol/m3s）
rA
rA
/
=
1 dN A Vp dt
//
1 dN A VB dt
三种反应速度表达式间的关系为：
rA
rA
p
/
rA
B
固定床反应器的结构分以下几种：绝热式固定床反应器 单段： 多段： 换热式固定床反应器 对外换热式 ： 自身换热式 ： 径向固定床反应器
多段绝热式固定床反应器
（a）、（b）、（c）中间换热式；（d）、（e）冷激式
绝热式固定床反应器
绝热式
多段绝热式
列管式固定床反应器
对外换热式
对外换热式
装填特性
生产原理 流体特性及压降 床层传质与传热 固定床设计计算
颗粒直径与形状、床层空隙 率、当量直径、流动特性、
床层压降
床层内外扩散过程 床层传热 催化剂用量 床层高度与直径 换热面积
固定床反应器操作指导 操作训练 固定床反应器操作训练
三、氢油比的控制
四、空速操作原则
五、催化剂器内再生操作
1. 再生前的预处理 2. 再生操作 3. 再生的结束
技能训练
固定床反应器的仿真操作
训练目标 ：熟练掌握流化床反应器的开车、停车 操作，能够对操作过程中的异常事故进行处理。 训练准备： 一、 生产原理 1. 反应温度 2. 炔烃浓度 3. 氢烃比 4. 一氧化碳 二. 工艺流程简介
气～固非均相催化过程的控制步骤
控制步骤：某一步骤比其它步骤慢得多 （最慢的步骤） 动力学控制：吸附，表面反应，脱附 扩散控制：内扩散，外扩散
二、催化剂表面的吸附作用
（一）物理吸附与化学吸附 （二）等温吸附方程
三、气固相催化反应动力学
（一）气－固相催化反应速度 定义：单位催化剂质量（或体积），单位 时间内反应物数量的变化。
//
（二）双曲线型的反应速度式
1. 表面反应控制 （1）双分子不可逆反应 （2）双分子可逆反应 （3）在吸附时解离 （4）吸附的A与气相的B进行不可逆反应 （5）两类不同吸附位的情况
(rA )
2. 吸附控制
(rA )
其中：
pR ka pA p K B pR 1 K RB K BpB K R pR pB
训练步骤（要领）
冷态开车 正常运行 正常停车操作 事故处理
固定床单元仿真现场图
固定床单元仿真DCS图
思考与分析
1．什么叫催化剂床层飞温?引起飞温的原因有哪些?飞 温有什么危害?一旦发生飞温现象，如何操作与调整? 2．为什么要严格控制进料气中的氢气含量?如何控制? 3．固定床的压力对反应有什么影响?为什么碳二加氢系 统的操作压力必须保持在规定值? 4．床层温度对反应有什么影响?如何实现温度的调度? 5．为什么本单元要设置联锁?在什么情况下联锁动作? 6．什么叫催化剂中毒?一旦发生催化剂中毒，应如何操 作? 7．本固定床反应器属于什么类型的反应器?其特点如何? 8．冷态开车前为何要充氮气? 9．什么情况下实施紧急停车?
第二章 气固相固定床催化反应技术
知识目标： 能力目标：
知识目标：
了解常用的气固相固定床反应器的结构、特点和 应用 了解催化剂、催化作用及其制备方法 理解固定床反应器的传质、传热过程以及动力学 方程式的建立方法 掌握气固相固定床反应器的生产原理及简单计算
能力目标：
能分析固定床的反应与传质传热规律 能掌握固定床反应器的操作控制要领 能利用固定床反应器仿真软件操作固定床 反应器（开车、停车、异常事故的处理等）
kaKrKB ， K kdKR
K RB
KR KrKB ，
RV Kr
3. 脱附控制
k p A p B KpR rA 1 K A p A K B p B K AB p A p B
式中：
K AB K r K A K B ；
k kbKrKAKB
失活：催化剂的活性随操作时间延长而下降的过程， 称为失活。 物理失活：使催化剂活性表面积减小造成活性下降。 化学失活：使催化剂中毒或化学吸附造成活性下降。 失活原因 ：局部过热，使催化剂挥发结晶 原料气未净化：催化剂中毒 结炭：掩盖活性中心
催化剂的活化及钝化
“活化”：在一定T、P下，用一定组成的气体对催 化剂进行处理，使活性组分还原。 “钝化”：催化剂尚可使用而需检修反应器时，通 入低浓度氧，缓慢氧化，在催化剂外形成一层钝 化膜，保护内部催化剂不再与氧接触继续发生氧 化反应。 “预还原”：催化剂制造厂在良好条件下将催化剂 还原，然后进行钝化处理的催化剂生产厂只需对 预还原催化剂外层进行“再还原”，它比还原操 作省时省工，还可保证还原过程质量。
对工业催化剂的要求
①活性好：催化剂的用量少而能够转化的 物料量大。 ②选择性高：降低副反应，降低分离负荷。 ③寿命长：更换催化剂周期长。 ④具有一定的机械强度：
第三节 气固相催化反应动力学
一、气固非均相催化反应过程与控制步骤 （1）反应物分子从气相主体以扩散的形式传递到催化 剂外表面－外扩散过程； （2）反应物分子以内扩散形式通过催化剂孔道传递到 催化剂内表面－内扩散过程； （3）反应物分子在催化剂表面的活性中心吸附－吸附 过程； （4）反应物分子在催化剂内表面上经一系列化学变化 生成产物－反应过程； （5）反应产物在催化剂表面上脱附－脱附过程； （6）脱附后的反应产物经内扩散通过催化剂孔道传递 到催化剂外表面－内扩散过程； （7）反应产物经外扩散由催化剂外表面传递到气相主 体－外扩散过程。