固定床反应器

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
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）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。
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
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）

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

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Байду номын сангаас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
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）
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）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
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

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。
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
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


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。

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

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


（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

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?

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。