第6章 固定床反应器
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+颗粒空隙体积 21
颗粒床层体积 VB =颗粒体积
床层空隙率εB
球形 圆柱形 不规则 粒径/管径（dp/dt）
22
一、粒子直径和床层孔隙率
三、固定床的当量直径 1、床层比表面—单位床层中颗粒的外表面
Se
npap VB
(1 B )VB p a p Vp p ap VB
(1 B )
—— 床层比表面积Se的校正系数
球形：
1
0.9 圆柱形：
片状：
0.81
无定型：
0.9
33
三、固定床中的传热
流体与颗粒间传热温差的计算： 热量平衡：H A rA
hp am( tG t S ) hp amt
式中： am Se / B —— 单位重量催化剂的外表面积
三、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。
14
二、固定床反应器的分类
——流体的导热系数，W m1K 1
32
三、固定床中的传热
JH是Re的函数：
0.01 Re 50 50 Re 1000 J H 0.904 Re 0.51 J H 0.613Re 0.41
dsG 式中： Re Se 6(1 B ) G
B
24
一、粒子直径和床层孔隙率
3、固定床的径向流速分布 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。 25
一、粒子直径和床层孔隙率
固定床径向流动分布：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。
20
一、粒子直径和床层孔隙率
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
VP B 空隙体积 颗粒体积 B 1 1 1 床层体积 床层体积 VB P
式中： B —— 床层堆积密度；
p —— 颗粒密度（颗粒的假密度）
m B = VB
m P = VP
Vp
5
流化床反应器
移动床反应器
6
二、固定床反应器的分类
单段绝热式 绝 热 式 多段绝热式 二段 反应 特征 三段 四段 中间间接换热式 原料气冷激式 冷激式 非原料气冷激式
固定 床反 应器
不同 的传 热要 求和 传热 方式
段间反 应气冷 却或加 热方式
换 热 式
加压热水（＜240℃） 对外换热式 自热式 导热油（250~300 ℃） 熔盐（＞300 ℃）
G um —— 质量流速；
校正摩擦系数 fm和指数n可由图6-11查取。
28
二、床层压降
29
二、床层压降
影响固定床压力降的因素： 流体的密度 流体 流体的粘度 流体的质量流率 床层的高度
床层
床层的空隙率
流通截面积
颗粒的形状 颗粒 颗粒的粒度 颗粒的表面粗糙度 颗粒的物理特性
例题6-1
30
三、固定床中的传热
缺点：结构较复杂，催化剂装卸较困难。 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
9
二、固定床反应器的分类
原料
产品
产品
原料
原料
冷 激 剂
产品
间接换热
原料冷激
非原料冷激
10
二、固定床反应器的分类
二、换热式 按换热介质不同，可分为对外换热式 和自热式固定床反应器。 1、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
产品
2
一、固定床反应器的特点
1、固定床反应器的优点是： ①返混小，床层内流体的流动接近平推流。 ②较少的催化剂和较小的反应容积可获得较大的生产能力。 ③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。 ④催化剂机械损耗小。 ⑤结构简单，操作方便。
3
一、固定床反应器的特点
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。
注意：三种方法的计算结果不同
1/ 3
17
一、粒子直径和床层孔隙率
2、颗粒的形状系数 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
其中等体积球形粒子的外表面积 则：S
aS = d V
2
(dV / da )2 , S dV 6VP / aP d S
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，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 上的气体流量均匀，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。
②反应管管径一般为 25~50 mm ③催化剂的粒径取值一般为2~6 mm，不小于1.5 mm。
12
二、固定床反应器的分类
2、自热式固定床反应器 ：
单管逆流 双套管并流：
单管并流
综合以上两者的优点，既能使下部床层的温度维持得较高， 又能使上部床层的温度迅速达到最优温度。
13
二、固定床反应器的分类
修正雷诺准数
Rem
d s um (1 B )
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。
27
二、床层压降
（2）常用的Δp计算公式：
2 f m G 2 L( 1 B )3n p 3 d p s3n B
式中：dp —— 体积相当直径；
4
一、固定床反应器的特点
流化床反应器是利用气体或液体自下而上通过固体颗粒层而 使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应或液固相 反应的反应器。 在移动床反应器中，固体反应物或催化剂自反应器顶部连续 加入，在反应过程中逐渐下移，最后自反应器底部连续卸出。 气体（或液体）反应物可自下而上或自上而下通过固体颗粒 床层，以进行反应。由于反应器中固体颗粒之间基本上没有 相对运动，但却有整个颗粒层的下移运动，因此，也可将其 看成是一种移动的固定床反应器。
2
空管内湍流 空管内层流
u / um
1
填充层内 气体流动
0
r/R 中心
r/R 管壁
填充层内液 体流动
26
管壁
二、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计算公式主要有： （1）厄根(Ergun)方程计算式：
3 p d S B 150 1 R 1.75 u 2 L m B em
S 反映了颗粒形状与圆球形的差异程度 颗粒的形状系数 S 1
球体的形状系数＝1，非球体的形状系数<1
18
一、粒子直径和床层孔隙率
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 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 尖状 尖片状 圆形 有角状 尖角状 形状 φs 0.75 0.65 0.43 0.83 0.73 0.65
15
第六章
固定床反应器
6.1 固定床反应器的概述 6.2 固定床中的传递过程 一、粒子直径和床层孔隙率
二、床层压降
三、固定床中的传热 四、固定床中的传质与混合
16
一、粒子直径和床层孔隙率
一、颗粒直径的表示方法 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 和比外表面积相当直径。 1、表示方法 体积相当直径： dV (6VP / ) 面积相当直径： d a (aP / )1/ 2 比外表面相当直径：d S 6 / SV 6VP / aP
第六章
固定床反应器
6.1 固定床反应器的概述 一、固定床反应器的特点 二、固定床反应器的分类
1
一、固定床反应器的特点
水蒸气
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
乙苯
催化剂
图6-1乙苯脱氢的绝热床反应器
19
天然煤灰 大至 10mm 0.65 破碎煤粉 0.75
一、粒子直径和床层孔隙率
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
按下式求出：
n xi dd 1 / i 1 d i 其中：xi 直径为 d i 的颗粒的质量分数。
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。
催化剂，管间走热载体。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，载热体流经管间 经行加热或者冷却。
11
二、固定床反应器的分类
①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 熔盐 烟道气 100~300 ℃ 200~350 ℃ 300~400 ℃ 600~700 ℃
Vp
6(1 B ) / d S
式中，np —床层中颗粒的个数
23
一、粒子直径和床层孔隙率
2、床层当量直径 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
BVB
SeVB
B
Se
床层当量直径为：
2 B 2 B d e 4 RH 4 dS S dV Se 3 1 B 3 1 B
传热因子：J H (hp / c pG)( P r)
2/ 3
普兰特准数：Pr
cP
适用范围：d pG / 10 ~ 10000 式中: G um ——气体质量流率，(kg m2 s 1 )
——流体粘度， Pa s
c p ——流体恒压热熔， J kg 1K 1
tG，t S ——主体、外表面温度
计算传热系数的经验公式有很多，可从有关文献或工具书中
查取。应用时要注意公式规定的特性尺寸、特性温度和适用 范围。
34
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三、固定床中的传热
整理可得：
rA H A 2/3 t Q( Pr ) / J H hp am
rA H A 其中，传热数： Q amc p G
床层的传热性能直接决定了床内的温度分布，从而对反应 速率和产物的组成分布都具有十分重要的影响。 传热方式： 导热、对流传热、热辐射。 传热途径： 粒内传热、颗粒与流体间传热、床层与器壁 间传热。
31
三、固定床中的传热
一、颗粒与流体间传热系数hp
B J H 2.876 /( d pG / ) 0.3023 /( d pG / )0.35
反应气的 流动方向
轴向流动固定床反应器 径向流动固定床反应器 7
二、固定床反应器的分类
一、绝热式 1、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。 适用范围：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
8
二、固定床反应器的分类
2、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： 特点：催化剂床层的温度波动小。
颗粒床层体积 VB =颗粒体积
床层空隙率εB
球形 圆柱形 不规则 粒径/管径（dp/dt）
22
一、粒子直径和床层孔隙率
三、固定床的当量直径 1、床层比表面—单位床层中颗粒的外表面
Se
npap VB
(1 B )VB p a p Vp p ap VB
(1 B )
—— 床层比表面积Se的校正系数
球形：
1
0.9 圆柱形：
片状：
0.81
无定型：
0.9
33
三、固定床中的传热
流体与颗粒间传热温差的计算： 热量平衡：H A rA
hp am( tG t S ) hp amt
式中： am Se / B —— 单位重量催化剂的外表面积
三、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。
14
二、固定床反应器的分类
——流体的导热系数，W m1K 1
32
三、固定床中的传热
JH是Re的函数：
0.01 Re 50 50 Re 1000 J H 0.904 Re 0.51 J H 0.613Re 0.41
dsG 式中： Re Se 6(1 B ) G
B
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一、粒子直径和床层孔隙率
3、固定床的径向流速分布 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。 25
一、粒子直径和床层孔隙率
固定床径向流动分布：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。
20
一、粒子直径和床层孔隙率
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
VP B 空隙体积 颗粒体积 B 1 1 1 床层体积 床层体积 VB P
式中： B —— 床层堆积密度；
p —— 颗粒密度（颗粒的假密度）
m B = VB
m P = VP
Vp
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流化床反应器
移动床反应器
6
二、固定床反应器的分类
单段绝热式 绝 热 式 多段绝热式 二段 反应 特征 三段 四段 中间间接换热式 原料气冷激式 冷激式 非原料气冷激式
固定 床反 应器
不同 的传 热要 求和 传热 方式
段间反 应气冷 却或加 热方式
换 热 式
加压热水（＜240℃） 对外换热式 自热式 导热油（250~300 ℃） 熔盐（＞300 ℃）
G um —— 质量流速；
校正摩擦系数 fm和指数n可由图6-11查取。
28
二、床层压降
29
二、床层压降
影响固定床压力降的因素： 流体的密度 流体 流体的粘度 流体的质量流率 床层的高度
床层
床层的空隙率
流通截面积
颗粒的形状 颗粒 颗粒的粒度 颗粒的表面粗糙度 颗粒的物理特性
例题6-1
30
三、固定床中的传热
缺点：结构较复杂，催化剂装卸较困难。 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
9
二、固定床反应器的分类
原料
产品
产品
原料
原料
冷 激 剂
产品
间接换热
原料冷激
非原料冷激
10
二、固定床反应器的分类
二、换热式 按换热介质不同，可分为对外换热式 和自热式固定床反应器。 1、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
产品
2
一、固定床反应器的特点
1、固定床反应器的优点是： ①返混小，床层内流体的流动接近平推流。 ②较少的催化剂和较小的反应容积可获得较大的生产能力。 ③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。 ④催化剂机械损耗小。 ⑤结构简单，操作方便。
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一、固定床反应器的特点
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。
注意：三种方法的计算结果不同
1/ 3
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一、粒子直径和床层孔隙率
2、颗粒的形状系数 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
其中等体积球形粒子的外表面积 则：S
aS = d V
2
(dV / da )2 , S dV 6VP / aP d S
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，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 上的气体流量均匀，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。
②反应管管径一般为 25~50 mm ③催化剂的粒径取值一般为2~6 mm，不小于1.5 mm。
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二、固定床反应器的分类
2、自热式固定床反应器 ：
单管逆流 双套管并流：
单管并流
综合以上两者的优点，既能使下部床层的温度维持得较高， 又能使上部床层的温度迅速达到最优温度。
13
二、固定床反应器的分类
修正雷诺准数
Rem
d s um (1 B )
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。
27
二、床层压降
（2）常用的Δp计算公式：
2 f m G 2 L( 1 B )3n p 3 d p s3n B
式中：dp —— 体积相当直径；
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一、固定床反应器的特点
流化床反应器是利用气体或液体自下而上通过固体颗粒层而 使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应或液固相 反应的反应器。 在移动床反应器中，固体反应物或催化剂自反应器顶部连续 加入，在反应过程中逐渐下移，最后自反应器底部连续卸出。 气体（或液体）反应物可自下而上或自上而下通过固体颗粒 床层，以进行反应。由于反应器中固体颗粒之间基本上没有 相对运动，但却有整个颗粒层的下移运动，因此，也可将其 看成是一种移动的固定床反应器。
2
空管内湍流 空管内层流
u / um
1
填充层内 气体流动
0
r/R 中心
r/R 管壁
填充层内液 体流动
26
管壁
二、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计算公式主要有： （1）厄根(Ergun)方程计算式：
3 p d S B 150 1 R 1.75 u 2 L m B em
S 反映了颗粒形状与圆球形的差异程度 颗粒的形状系数 S 1
球体的形状系数＝1，非球体的形状系数<1
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一、粒子直径和床层孔隙率
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 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 尖状 尖片状 圆形 有角状 尖角状 形状 φs 0.75 0.65 0.43 0.83 0.73 0.65
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第六章
固定床反应器
6.1 固定床反应器的概述 6.2 固定床中的传递过程 一、粒子直径和床层孔隙率
二、床层压降
三、固定床中的传热 四、固定床中的传质与混合
16
一、粒子直径和床层孔隙率
一、颗粒直径的表示方法 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 和比外表面积相当直径。 1、表示方法 体积相当直径： dV (6VP / ) 面积相当直径： d a (aP / )1/ 2 比外表面相当直径：d S 6 / SV 6VP / aP
第六章
固定床反应器
6.1 固定床反应器的概述 一、固定床反应器的特点 二、固定床反应器的分类
1
一、固定床反应器的特点
水蒸气
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
乙苯
催化剂
图6-1乙苯脱氢的绝热床反应器
19
天然煤灰 大至 10mm 0.65 破碎煤粉 0.75
一、粒子直径和床层孔隙率
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
按下式求出：
n xi dd 1 / i 1 d i 其中：xi 直径为 d i 的颗粒的质量分数。
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。
催化剂，管间走热载体。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，载热体流经管间 经行加热或者冷却。
11
二、固定床反应器的分类
①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 熔盐 烟道气 100~300 ℃ 200~350 ℃ 300~400 ℃ 600~700 ℃
Vp
6(1 B ) / d S
式中，np —床层中颗粒的个数
23
一、粒子直径和床层孔隙率
2、床层当量直径 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
BVB
SeVB
B
Se
床层当量直径为：
2 B 2 B d e 4 RH 4 dS S dV Se 3 1 B 3 1 B
传热因子：J H (hp / c pG)( P r)
2/ 3
普兰特准数：Pr
cP
适用范围：d pG / 10 ~ 10000 式中: G um ——气体质量流率，(kg m2 s 1 )
——流体粘度， Pa s
c p ——流体恒压热熔， J kg 1K 1
tG，t S ——主体、外表面温度
计算传热系数的经验公式有很多，可从有关文献或工具书中
查取。应用时要注意公式规定的特性尺寸、特性温度和适用 范围。
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三、固定床中的传热
整理可得：
rA H A 2/3 t Q( Pr ) / J H hp am
rA H A 其中，传热数： Q amc p G
床层的传热性能直接决定了床内的温度分布，从而对反应 速率和产物的组成分布都具有十分重要的影响。 传热方式： 导热、对流传热、热辐射。 传热途径： 粒内传热、颗粒与流体间传热、床层与器壁 间传热。
31
三、固定床中的传热
一、颗粒与流体间传热系数hp
B J H 2.876 /( d pG / ) 0.3023 /( d pG / )0.35
反应气的 流动方向
轴向流动固定床反应器 径向流动固定床反应器 7
二、固定床反应器的分类
一、绝热式 1、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。 适用范围：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
8
二、固定床反应器的分类
2、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： 特点：催化剂床层的温度波动小。