设备第九章固定床反应器
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化学反应工程(第九章 气-液-固三相反应工程)
加了液相，增加了气体反应组分通过液相的扩散阻力。
易于更换、补充失活的催化剂，但又要求催化剂耐磨损。 使用三相流化床或三相携带床时，则存在液-固分离的技术
问题，三相携带床存在淤浆输送的技术问题。
3. 气、液并流向上休系的操作流型 颗粒运动基本操作方式：固定床、膨胀床（悬浮床）、 输送床（携带床）。 液体介质的液固系统中固体颗粒终端速度ut：
采用多孔固体催化剂时，可以定义两 种润湿率： ①内部润湿或空隙充满率。 ②外部有效润湿率。
图9-6 催化剂颗粒间的 液囊和流动膜
4. 床层压力降
单相气体通过固定床的压力降与气体的流速和物性、催
化剂的粒径、形状及催化剂的装填状况等因素有关，可 用Ergun式作为计算固定床压降的基本方程。 并未计入破碎、积炭、物流中的固体杂物沉积和床层下 沉等因素致使随操作后期压力降增加，因此工业反应器 开工初期的压力降可称为床层固有压力降。 气、液并流下向下滴流床反应器的床层固有压力降，还 应考虑液体以液膜的形式在催化剂颗粒表面间流动形成
床层宏观反应动力学91气液固三相反应器的类型及宏观反应动力学92三相滴流床反应器93机械搅拌鼓泡悬浮三相反应器9497压力对三相悬浮床反应器操作性能的影响95气液并流向上三相流化床反应器96三相悬浮床中的相混合98气液固三相悬浮床反应器的数学模型99讨论与分析图95气液井流滴流床流动状态与操作条件气液并流向下固定床内气体和液体的流动状态可以分为稳定流动滴流区脉冲流动区和分散鼓泡区如图95流动状态一气液并流向下通过固定床的流体力学气液稳定流动滴流区当气速较低时液体在颗粒表面形成滞流液膜气相为连续相这时的流动状态称为滴流状
rA, g dNA/dVR k AG a(cAg c Aig ) kALa(cAiL c AL ) kAS Se(c AL c AS ) kwSeρ sw c AS ζ 向气－液界面传质速率 向液相主体传质速率 向催化剂外表面传质速 率 催化剂内的扩散 - 反应速率
易于更换、补充失活的催化剂，但又要求催化剂耐磨损。 使用三相流化床或三相携带床时，则存在液-固分离的技术
问题，三相携带床存在淤浆输送的技术问题。
3. 气、液并流向上休系的操作流型 颗粒运动基本操作方式：固定床、膨胀床（悬浮床）、 输送床（携带床）。 液体介质的液固系统中固体颗粒终端速度ut：
采用多孔固体催化剂时，可以定义两 种润湿率： ①内部润湿或空隙充满率。 ②外部有效润湿率。
图9-6 催化剂颗粒间的 液囊和流动膜
4. 床层压力降
单相气体通过固定床的压力降与气体的流速和物性、催
化剂的粒径、形状及催化剂的装填状况等因素有关，可 用Ergun式作为计算固定床压降的基本方程。 并未计入破碎、积炭、物流中的固体杂物沉积和床层下 沉等因素致使随操作后期压力降增加，因此工业反应器 开工初期的压力降可称为床层固有压力降。 气、液并流下向下滴流床反应器的床层固有压力降，还 应考虑液体以液膜的形式在催化剂颗粒表面间流动形成
床层宏观反应动力学91气液固三相反应器的类型及宏观反应动力学92三相滴流床反应器93机械搅拌鼓泡悬浮三相反应器9497压力对三相悬浮床反应器操作性能的影响95气液并流向上三相流化床反应器96三相悬浮床中的相混合98气液固三相悬浮床反应器的数学模型99讨论与分析图95气液井流滴流床流动状态与操作条件气液并流向下固定床内气体和液体的流动状态可以分为稳定流动滴流区脉冲流动区和分散鼓泡区如图95流动状态一气液并流向下通过固定床的流体力学气液稳定流动滴流区当气速较低时液体在颗粒表面形成滞流液膜气相为连续相这时的流动状态称为滴流状
rA, g dNA/dVR k AG a(cAg c Aig ) kALa(cAiL c AL ) kAS Se(c AL c AS ) kwSeρ sw c AS ζ 向气－液界面传质速率 向液相主体传质速率 向催化剂外表面传质速 率 催化剂内的扩散 - 反应速率
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
优化效果
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。
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
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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。
设备第九章 固定床反应器 纲要
第九章 固定床反应器 纲要定义：凡是流体通过不动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。
固定床反应器优点① 固定床中催化剂不易磨损；② 床层内流体的流动接近于平推流③停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节④可在高温高压下操作固定床反应器缺点: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固定床反应器分类:固定床反应器按反应中与外界有否热量交换可以划分为两大类：绝热式和换热式。
绝热式:单段绝热床、多段绝热式反应器换热式：对外换热式和自身换热式。
单段绝热床：适用于反应热效应较小、反应温度允许波动范围较宽、单程转化率较低的场合。
自热式固定床反应器只适用于反应热效应不大的放热过程.表征固定床床层特点的主要参数有哪些？催化剂直径、形状系数、床层空隙率、当量直径。
床层空隙率与那些因素有关？床层空隙率的大小与颗粒形状、粒度分布、颗粒直径与床直径之比以及颗粒的充填方法等有关。
床层空隙率的大小会对固定床反应器那些方面产生影响?床层空隙率的大小会影响固定床反应器中流体的流动、传质及传热。
即:床层空隙率对床层压力降、有效导热系数和比表面积（单位体积床层颗粒的外表面积）均有较大影响，因此空隙率的大小会影响流体的流动、传质及传热。
固定床反应器中的速率控制步骤:动力学控制（表面过程控制）的过程有三种可能情况，一为反应物的吸附控制，即反应物的吸附最慢而且比其他步骤慢很多，二为表面化学反应控制，三为产物的脱附控制。
浓度分布的特征是 操作现场（或实验中）的表现*为，提高操作温度反应器出口处的转化率会增加。
内扩散控制发生的场合*是，颗粒大，因而内扩散阻力大，内扩散速度小；温度高因而化学反应速度快；气速高因而外扩散速度大。
内扩散控制过程浓度分布特征是ｃＡｇ≈ CAS ＞＞CAC ≈CAeq 。
AeqAc As Ag ＞＞c c c c ≈≈实验现象：同样的反应器、同样操作条件下，减小催化剂颗粒的尺寸，最终转化率会增大，而升高温度、增加气速对转化率影响不大。
固定床反应器的设计—固定床反应器特点与结构
间接换热式催化剂床层绝热操作方程
A-B 反应 x↑
B-C 换热 x不变
C-D 反应 x↑
D-E 换热 x不变
E-F 反应 x↑
F-G 换热 x不变
绝热操作线方程式： 表达温度与转化率的 关系。
反应热效应、绝热温 升、热熔、密度一定 时，反应段斜率相同
1.绝热式固定床反应器
（3）多段式催化床层温度的分布：间接换热式催化剂床层温度分布 和冷激（直接换热）式催化剂床层温度分布
1.绝热式固定床反应器
（2）多段式：有多段催化剂床层，反应和冷却间隔进行。 适应场合：反应热效应较大，反应速率慢的反应。 中间间接换热式：床层间加换热器（），调节温度。如：水煤气转换、二氧化硫的
氧化反应
1.绝热式固定床反应器
（2）多段式：有多段催化剂床层，反应和冷却间隔进行。 适应场合：反应热效应较大，反应速率慢的反应。
中间间接换热式：床层间加换热器（换热盘管），调节温度。如：环己醇脱氢制环己酮 及丁二醇脱水制丁二烯 。
换热盘管
1.绝热式固定床反应器
（2）多段式：有多段催化剂床层，反应和冷却间隔进行。适应反应 热效应较大，反应速率慢的反应。
冷激式：用冷流体直接与上一段出口气体混合来实现降温。多适应于工业上高压力操
•以高温烟道气为载体， 将反应所需热量在反应 管外通过管壁传给催化 剂层
生产实例：乙苯催化脱 氢制备苯乙烯。
2、换热式固定床反应器
（1）外换热式：以各种载热体为换热介质的对外换热式反应器多为 列管式结构。 载热体选择：
低于240℃----加压热水 250—300 ℃ -----导热油 300 ℃ -----熔盐（KNO353%，NaNO27%、NaNO340%） 600—700℃左右----烟道气
第九章 固定床反应器
第九章 固定床反应器
1
多相系统的特征
多相系统的特征是: 系统中同时存在两个或两个以上的相态， 在发生化学反应的同时，也发生着相间和 相内的传递现象，主要是质量传递和热量 传递。 如果这些传递现象不存在，那么就不可能 发生化学反应。
2
多相系统中反应的基本类型
可概括为三种基本类型： (1)在两相界面处进行反应，所有气固反应或气固 相催化反应都属于这一类型； (2)在一个相内进行反应，大多数气液反应均属于 这种情况，进行反应的相叫做反应相； (3)在两个相内同时发生反应，某些液液反应属于 这种情况。 本课着重讲述气固相催化反应，并讨论定量 处理的方法。
• 自热式反应器示意图
21
• 优、缺点：
• 逆流：优点是原料气进入床层后能较快地升温而接 近最佳温度，缺点是反应后期易于过冷。
• 无论逆流还是并流，反应前期放热速率都最大。 • 有些并流式催化反应器中设臵一绝热床，经预热后 的原料气先进入绝热床中反应，使反应气体迅速升 温，然后再进入与原料气进行换热的催化剂管中反 应，这样做既保留并流式后期降温速度慢的优点， 又克服了原料气进入床层后升温速度慢的缺点。
图9-1圆筒绝热式反应器 １一矿渣棉；2一瓷环；3一催化剂
11
固定床反应器操作过程中发生超压现象的处理方法
固定床反应器操作过程中若发生超压现 象，需要紧急放空处理时，一般应按流
程顺序进行，即:
打开出口放空阀放空，以免逆流程放空
导致气流冲动催化剂床层，但危急情况
下可以同时打开出口处和入口处的放空
阀。
7
固定床反应器缺点*
• 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
1
多相系统的特征
多相系统的特征是: 系统中同时存在两个或两个以上的相态， 在发生化学反应的同时，也发生着相间和 相内的传递现象，主要是质量传递和热量 传递。 如果这些传递现象不存在，那么就不可能 发生化学反应。
2
多相系统中反应的基本类型
可概括为三种基本类型： (1)在两相界面处进行反应，所有气固反应或气固 相催化反应都属于这一类型； (2)在一个相内进行反应，大多数气液反应均属于 这种情况，进行反应的相叫做反应相； (3)在两个相内同时发生反应，某些液液反应属于 这种情况。 本课着重讲述气固相催化反应，并讨论定量 处理的方法。
• 自热式反应器示意图
21
• 优、缺点：
• 逆流：优点是原料气进入床层后能较快地升温而接 近最佳温度，缺点是反应后期易于过冷。
• 无论逆流还是并流，反应前期放热速率都最大。 • 有些并流式催化反应器中设臵一绝热床，经预热后 的原料气先进入绝热床中反应，使反应气体迅速升 温，然后再进入与原料气进行换热的催化剂管中反 应，这样做既保留并流式后期降温速度慢的优点， 又克服了原料气进入床层后升温速度慢的缺点。
图9-1圆筒绝热式反应器 １一矿渣棉；2一瓷环；3一催化剂
11
固定床反应器操作过程中发生超压现象的处理方法
固定床反应器操作过程中若发生超压现 象，需要紧急放空处理时，一般应按流
程顺序进行，即:
打开出口放空阀放空，以免逆流程放空
导致气流冲动催化剂床层，但危急情况
下可以同时打开出口处和入口处的放空
阀。
7
固定床反应器缺点*
• 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
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.
固定床反应器设计[字编辑]
![固定床反应器设计[字编辑]](https://img.taocdn.com/s3/m/a30e709c7e192279168884868762caaedd33ba0a.png)
fM（?EdrfuSgu02 n?1??）3??L
fM
? 修正摩擦系数
fM
? 150 Re M
? 1 .75
Re M
?
修正雷诺数
Re M
?
dS ? fu0 ?f
???1
1 ?
?
??? ?
dSG
?f
???1
1 ?
?
?? ?
具体的计算公式
： 当 Re M ＜10 时 流体处于滞流状态，
? P ? 150 ? fu0 ??1 ? ??2 L
处理方法
? 对于这样复杂的传热过程，根据不同情况和要求，作不同程度的简 化处理。
? 如多数情况下，可以把催化剂颗粒看成是恒温体，而不考虑颗粒内 的传热阻力。除了快速强放热反应外，也可以忽略催化剂表面和流 体之间的温度差。
? 床层内的传热阻力是不能忽视的。为了确定反应器的换热面积和了 解床层内的温度分布，必须进行床层内部和床层与器壁之间的传热 计算。针对不同的要求也有不同的计算方法。如为了计算反应器的 换热面积，可以不计算床层内径向传热，而采用包括床层传热阻力 的床层对壁给热系数计算；
? 在固定床反应器中，由于催化剂粒径不能太小，故常常 采用多孔催化剂以提供反应所需要的表面积。
? 结果：反应主要在内表面进行，内扩散过程则直接影响 着反应过程的宏观速率。
外扩散过程
? 流体与催化剂外表面间的传质。
? ? N A ? k cA Se? cGA ? cSA
? 在工业生产过程中，固定床反应器一般都在较高流速下 操作。因此，主流体与催化剂外表面之间的压差很小， 一般可以忽略不计，因此外扩散的影响也可以忽略。
dV
?
?6V P
第9章 反应设备
2.1
机械搅拌通风发酵罐
（3）竖式列管（排管）换热装置 这种装置是以列管形式分组对称 装于发酵罐内的。其优点是：加工方便，适用于气温较高，水源充足的
地区。缺点是：传热系数较蛇管低，用水量较大。
为了提高传热系数，可在罐外装设板式或螺旋板式热交换器，不仅 可强化热交换效果，而且便于检修和清洗。
2.1
2.1
机械搅拌通风发酵罐
2．搅拌器和档板
搅拌器的主要作用是混合和传质，即使通入的空气分散成气泡并与
发酵液充分混合，使气泡细碎以增大气一液界面，来获得所需要的溶氧 速率，并使生物细胞均匀分散于发酵体系中，以维持适当的气一液一固 （细胞）三相的混合与质量传递，同时强化传热效果。发酵罐采用的搅 拌器主要有涡轮搅拌器和螺旋浆式搅拌器。
2.1
机械搅拌通风发酵罐
图4-2
蜗轮搅拌器
2.1
机械搅拌通风发酵罐
（2）螺旋浆式搅拌器
它在罐内将液体向下或向上推进，形成轴
向的螺旋运动，其混合效果较好，但造成的剪率较低。螺旋浆式搅拌
器一般为 4～6片宽叶，投影覆盖率可达90％。国内外较典型的螺旋浆
式搅拌器有ProChem公司的MaxFlo，Lightnin公司的A315搅拌器，结构 如图4-3。A315特别适合于气一液传质过程，在直径大于lm的实验装置
2.1
机械搅拌通风发酵罐
2．发酵罐的容积计算 （1）罐的容积V总 V总 ＝ VO＋2Vl（m3） （4 －1 ） 式中 VO——圆柱部分的体积，m3； Vl——上或下封头的体积，m 3。图4-7 罐体有关尺 寸符号表示 对于椭圆形封头 V总＝D2HOπ /4＋ 2×D2（hb+D/6） π /4 ＝D2[HO＋２（hb+D/6）] π /4 （4-2） 式中 ha――椭圆短半轴长度，对于标准椭圆形封头ha = 1/4D（m） hb――椭圆封头的直边高度，m； D――罐的内径，m。
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
固定床反应器介绍资料ppt课件
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。
固定床反应器的原理
固定床反应器的结构形式
管式固定床反应器 径向固定床反应器 单段绝热式 多段绝热式 对外换热式 对外换热式结构 固定床反应器的实物
加氢反应器结构示意图
催化剂评价装置
固定床反应器实物
结
束
谢谢！
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。
固定床反应器的工作原理
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。
固定床反应器
一、固定பைடு நூலகம்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
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。
在反应器内不仅有化学变化过程，还有传质和穿热 过程。
按反应物系聚集状态可分为均相和非均相反应器； 按换热方式分类有绝热式、对外换热式和自热式； 以反应器的结构形式又可分为釜式、管式、塔式、 固定床和流化床等反应器。
气-固相催化反应器的特点
主要优点 床内流体呈理想置换流动，流体停留时间可严格
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。
固定床反应器的原理
固定床反应器的结构形式
管式固定床反应器 径向固定床反应器 单段绝热式 多段绝热式 对外换热式 对外换热式结构 固定床反应器的实物
加氢反应器结构示意图
催化剂评价装置
固定床反应器实物
结
束
谢谢！
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。
固定床反应器的工作原理
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。
固定床反应器
一、固定பைடு நூலகம்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
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。
在反应器内不仅有化学变化过程，还有传质和穿热 过程。
按反应物系聚集状态可分为均相和非均相反应器； 按换热方式分类有绝热式、对外换热式和自热式； 以反应器的结构形式又可分为釜式、管式、塔式、 固定床和流化床等反应器。
气-固相催化反应器的特点
主要优点 床内流体呈理想置换流动，流体停留时间可严格
第九章、热量传递与反应器的热稳定性课件
24
以Qg—T作图为一S形曲线，如下图示。 反应过程的移热速率：
假设T0=Tc，且ρ 、Cp不随温度变，则： 以Qr—T作图为一直线。
25
26
二、全混釜的热稳定性 A 、B 、C三点均为满足热平衡条件的定态点。
A点： 当有扰动使T略大于TA 时(dT＞0)，有Qg＜Qr ，移热速
率大于放热速率，体系温度下降，自动恢复到a点。当有扰动使 T略小于TA 时，有Qg＞Qr ，移热速率小于放热速率，体系温度 上升，自动恢复到A点。
催化剂与颗粒间的传热速率为：
15
催化剂在临界着火条件下的特征为： 在临界着火点处，反应温度较低，其极限反应速率远远小于
极限扩散速率，固可近似认为： CS=Cb ,则有： 将上式对Ts求导数：
16
将
代入：
对TS求导数得：
得：
又据：
两式相除得：
17
在临界着火点： TS=TSi , Tb=Tig 固有：
率小于放热速率，体系继续温度上降，直至到C点；
当有扰动使T略小于T B 时，有Qr＞Qg ，移热速率大于放热 速率，体系温度继续下降，直至到A点。此点为不稳定点。
11
C点： 当有扰动使T略大于Tc 时(dT＞0)，有Qg＜Qr ，移热速
率大于放热速率，体系温度下降，自动恢复到C点； 当有扰动使T略小于TC 时，有Qg＞Qr ，移热速率小于放热
致反应温度和反应结果的剧烈变
化，灵敏性很高。 o
37
同样，在D点操作时，若传热系数U增大，其Qr线的斜率会 相应增大，操作点会由原D点移至E点，表现出极大的灵敏性。
若在E点操作， TC升高时， Qr线会右移，操作点会从E点升 至D’ 点；另外， U减小， Qr线的斜率会相应减小，也会造成操作 点的移动，使温度剧升，此现象称为“飞温”。
以Qg—T作图为一S形曲线，如下图示。 反应过程的移热速率：
假设T0=Tc，且ρ 、Cp不随温度变，则： 以Qr—T作图为一直线。
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二、全混釜的热稳定性 A 、B 、C三点均为满足热平衡条件的定态点。
A点： 当有扰动使T略大于TA 时(dT＞0)，有Qg＜Qr ，移热速
率大于放热速率，体系温度下降，自动恢复到a点。当有扰动使 T略小于TA 时，有Qg＞Qr ，移热速率小于放热速率，体系温度 上升，自动恢复到A点。
催化剂与颗粒间的传热速率为：
15
催化剂在临界着火条件下的特征为： 在临界着火点处，反应温度较低，其极限反应速率远远小于
极限扩散速率，固可近似认为： CS=Cb ,则有： 将上式对Ts求导数：
16
将
代入：
对TS求导数得：
得：
又据：
两式相除得：
17
在临界着火点： TS=TSi , Tb=Tig 固有：
率小于放热速率，体系继续温度上降，直至到C点；
当有扰动使T略小于T B 时，有Qr＞Qg ，移热速率大于放热 速率，体系温度继续下降，直至到A点。此点为不稳定点。
11
C点： 当有扰动使T略大于Tc 时(dT＞0)，有Qg＜Qr ，移热速
率大于放热速率，体系温度下降，自动恢复到C点； 当有扰动使T略小于TC 时，有Qg＞Qr ，移热速率小于放热
致反应温度和反应结果的剧烈变
化，灵敏性很高。 o
37
同样，在D点操作时，若传热系数U增大，其Qr线的斜率会 相应增大，操作点会由原D点移至E点，表现出极大的灵敏性。
若在E点操作， TC升高时， Qr线会右移，操作点会从E点升 至D’ 点；另外， U减小， Qr线的斜率会相应减小，也会造成操作 点的移动，使温度剧升，此现象称为“飞温”。
固定床反应器和流化床反应器
固定床反应器1.概述凡是流体通过不动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，其中尤以用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气-固相催化反应器占最主要的地位。
如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。
此外还有不少非催化的气—固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2) 以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。
2.固定床反应器优点1)固定床中催化剂不易磨损；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，在大生产中尤为重要。
3.固定床反应器缺点1)固定床中的传热较差；2)催化剂的更换必须停产进行。
4.类型固定床反应器形式多种多样，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●多段绝热式固定床反应器●列管式固定床反应器，●自热式反应器。
（1）绝热式固定床反应器下图是绝热式固定床反应器的示意图。
它的结构简单，催化剂均匀堆置于床内，床内没有换热装置，预热到一定温度的反应物料流过床层进行反应就可以了。
典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。
反应需供热140kJ／mol，是靠加入高温(710℃)水蒸汽来供应的(乙苯:水蒸汽=1: 2.6(质量))，混合后在630℃入床，离床时降到565℃。
在此，水蒸汽的作用是：a) 可以带入大量的显热；b) 起稀释作用，使反应的平衡向有利于生成苯乙烯的方向移动，提高单程转化率；c) 使催化剂可能产生的结炭随时得到清除，从而保持反应器长期连续运转。
（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）冷激，以控制反应温度在一定的范围内 。
单元反应设备及操作技术—固定床反应器
5.固定床反应器类型 （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） 冷激，以控制反应温度在一定的范围内 。
图 是用于 SO2 转化的多段 绝热反应器，段间引入冷空气 进行冷激。对于这类可逆放热 反应过程，通过段间换热形成 先高后低的温度变化，提高转 化率和反应速率。
G VR SW
(4-17)
知道了同类催化剂上、同样使用条件下的 SW 数据，由生产任务确定了目的 产物的产量后，即可据上式计算出催化剂的需要量。
式中 G ──目的产物产量，kg/h；
SW ──催化剂的空时收率，kg/(m3·h)。
6.固定床反应器的计算 ⑴ 催化剂用量的计算
③由催化剂负荷计算催化剂用量 催化剂负荷是指在一定反应条件下，单位时间内单位 质量催化剂上，通过化学反应所能转化的原料的量
热，并可能影响反应器的热稳定性，且床层太薄易出现沟流和短路。
6.固定床反应器的计算 ⑵ 床高及直径的计算
式中 D──反应器直径，m； At ──床层横截面积，m2； qV 0 ──按入口条件计的气体体积流量，m3/h； u0 ──按入口条件计的气体空床线速度，m/h。
对于列管式的固定床反应器，由同类装置上取得管径数据，然后求出所需
获得较高的产量。
由于停留时间可以严格 控制，温度分布可以适 当地调节，因此有利于 提高化学反应的转化率， 控制或减少副反应的发
生。
1
2
3
4
9.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 内流动更容易达到湍流。
• 气体自上而下流过床层。
10.课后任务
（一）作业
1.完成课后习题
固定床反应器
床层入口的均匀性分布： 床层入口的均匀性分布：
床层入口处的均匀性分布是初始分布， 床层入口处的均匀性分布是初始分布，是关 键，它直接影响到床层中部和出口处的分布 效果。 效果。 在床层入口，无论是轴向分布还是径向分布， 在床层入口，无论是轴向分布还是径向分布， 都取决于气、液分布器。 都取决于气、液分布器。
匀地分布，并径向通过催化剂床层。 匀地分布，并径向通过催化剂床层。
•径向反应器的最大优点是： 径向反应器的最大优点是： •能大幅度地降低压降，从而允许采用颗粒小、 能大幅度地降低压降，从而允许采用颗粒小、
活性高的催化剂。 活性高的催化剂。
•降低能耗。 降低能耗。
径向反应器
径向反应器特点： 径向反应器特点： 为绝热、活塞流通过催化剂床层， 为绝热、活塞流通过催化剂床层，产品转化率 随径向历程增加，温度逐渐下降（吸热反应） 随径向历程增加，温度逐渐下降（吸热反应） 或增高（放热反应）。 或增高（放热反应）。 目前，径向反应器已大量应用到催化重整、异 目前，径向反应器已大量应用到催化重整、 构化等石油化工领域。在径向反应器的设计上， 构化等石油化工领域。在径向反应器的设计上， 主要考虑： 主要考虑： 气流均布； 气流均布； 流体在分、集气管内的流动状态； 流体在分、集气管内的流动状态； 与静压差有关的动量交换系数。 与静压差有关的动量交换系数。
鼓泡床反应器
•鼓泡床反应器的作用 •使气体通过气体分布器在液相中鼓泡，产生 使气体通过气体分布器在液相中鼓泡，
气、液接触界面和湍动。 液接触界面和湍动。 •这类反应器结构简单，造价低，特别适用于 这类反应器结构简单，造价低， 少量气体和大量液体（高持液量）的反应。 少量气体和大量液体（高持液量）的反应。 •鼓泡床反应器的特点 •高的液-气体积比，故单位反应器体积的气高的液-气体积比，故单位反应器体积的气液接触比其他类型反应器的大。 液接触比其他类型反应器的大。 •气泡运动导致液体充分混合，促使整个反应 气泡运动导致液体充分混合， 器内的温度较为均匀。 器内的温度较为均匀。 •对温度敏感的反应系统控制收率是合适的。 对温度敏感的反应系统控制收率是合适的。
床层入口处的均匀性分布是初始分布， 床层入口处的均匀性分布是初始分布，是关 键，它直接影响到床层中部和出口处的分布 效果。 效果。 在床层入口，无论是轴向分布还是径向分布， 在床层入口，无论是轴向分布还是径向分布， 都取决于气、液分布器。 都取决于气、液分布器。
匀地分布，并径向通过催化剂床层。 匀地分布，并径向通过催化剂床层。
•径向反应器的最大优点是： 径向反应器的最大优点是： •能大幅度地降低压降，从而允许采用颗粒小、 能大幅度地降低压降，从而允许采用颗粒小、
活性高的催化剂。 活性高的催化剂。
•降低能耗。 降低能耗。
径向反应器
径向反应器特点： 径向反应器特点： 为绝热、活塞流通过催化剂床层， 为绝热、活塞流通过催化剂床层，产品转化率 随径向历程增加，温度逐渐下降（吸热反应） 随径向历程增加，温度逐渐下降（吸热反应） 或增高（放热反应）。 或增高（放热反应）。 目前，径向反应器已大量应用到催化重整、异 目前，径向反应器已大量应用到催化重整、 构化等石油化工领域。在径向反应器的设计上， 构化等石油化工领域。在径向反应器的设计上， 主要考虑： 主要考虑： 气流均布； 气流均布； 流体在分、集气管内的流动状态； 流体在分、集气管内的流动状态； 与静压差有关的动量交换系数。 与静压差有关的动量交换系数。
鼓泡床反应器
•鼓泡床反应器的作用 •使气体通过气体分布器在液相中鼓泡，产生 使气体通过气体分布器在液相中鼓泡，
气、液接触界面和湍动。 液接触界面和湍动。 •这类反应器结构简单，造价低，特别适用于 这类反应器结构简单，造价低， 少量气体和大量液体（高持液量）的反应。 少量气体和大量液体（高持液量）的反应。 •鼓泡床反应器的特点 •高的液-气体积比，故单位反应器体积的气高的液-气体积比，故单位反应器体积的气液接触比其他类型反应器的大。 液接触比其他类型反应器的大。 •气泡运动导致液体充分混合，促使整个反应 气泡运动导致液体充分混合， 器内的温度较为均匀。 器内的温度较为均匀。 •对温度敏感的反应系统控制收率是合适的。 对温度敏感的反应系统控制收率是合适的。
固定床反应器操作与控制—固定床反应器的计算
2.催化剂空时收率SW
定义为：单位质量(或体积)的催化剂在单位时间内所获
得的目的产R
式中 Sv —— 空速，h-1；
／h;
VON—— 原料气体体积流量(标准状态)，m3
VR —— 催化剂堆积体积，m3。
二、催化剂用量计算
3．催化剂负荷SG
定义为：单位质量的催化剂在单位时间内所处理的某一
《化学反应器操作与控制》
固定床反应器的计算
固定床反应器
流体通过静置的固体物料 所形成的床层并进行反应 的装置。
主要应用于气 固催化反应。
传统合成氨工艺流程
核心设备 氨合成塔
一、计算内容
计算内容
催 化 剂 用 量
高反 度应 和器 直床 径层
传 热 面 积
床 层 压 力 降
二、催化剂用量计算
计算方法
经验法
数学模型法
空速
空时收率 催化剂负荷
二、催化剂用量计算
1.空速Sv
单位体积的催化剂在单位时间内所通过的原料标准体积
流量，称为空间速率，简称空速。即
Sv
=
VON VR
式中 Sv ——空速，h-1；
／h;
VON—— 原料气体体积流量(标准状态)，m3
VR—— 催化剂堆积体积，m3。
二、催化剂用量计算
原料量。即
SG=
wG mS
式中Sw ——催化剂空时收率，kg／(kg·h)或kg／(m3·h)；
ww——目的产物量，kg／h； ms——催化剂用量，kg或m3。
固定床反应器的计算
注意
经验法工艺计算的前提是新设计计 算的反应器也能保持与提供数据的 装置相同的操作条件。
经验法：原始的、不精确的，不能实现高倍数的放大。
固定床反应器
固定床反应器的结构
随着化工生产的发展，已出现多种固定床反应器的结构形式，以适 应不同的转热要求和转热方式。主要分为绝热式和换热式两大类。
绝热式固定床反应器结构简单，催化剂均匀堆置于床内，一般有 下列特点：床层直径远大于催化剂颗粒直径；床层高度与催化剂颗粒 直径之比一般超过100；与外界没有热量交换，床层温度沿物料的流 向而变化。
固定床反应器之所以成为气固相反应器的主要形式，是 和它具有下述优点分不开的： （1）在生产操作中，除床层极薄和气体流速很低的特殊情 况外，床层内气体的流动皆可看成是理想置换流动。因此 其化学反应速度较快，在完成同样生产能力时，所需要的 催化剂用量和反应体积较小。 （2）气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，因 而有利于提高化学反应的转化率和选择性。 （3）催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。 （4）适宜于在高温高压下操作。
固定床反应器的数学模型
固定床反应器是研究得比较充分的一种多相反应 器，描述固定床反应器的数学模型有多种，大致 分为拟均相模型（不考虑流体和固体间的浓度、 温度差别）和多相模型（考虑到流体和固体间的 浓度、温度差别）两类，每一类又可按是否计及 返混，分为无返混模型和有返混模型，按是否考 虑反应器径向的浓度梯度和温度梯度分为一维模 型和二维模型。
列管式固定床反应器
以联苯道生油作载 热体的固定床反应 装置。反应器外设 置载热体冷却器， 利用载热体移出的 反应热，产生中压 蒸汽。
以联苯道生油作载热体的 固定床反应装置 1，列管上花板；2、3,折流板；4，反应列 管 5，折流板固定棒；6，人孔；7，列管下花 板； 8，载热体冷却器
（二）自热式固定床反应器 自热式固定床反应器是采用上部为绝热层，下部为催化剂装
(a)
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18
流体流动方式
实际生产中，物料大多数是采用自上而下的 流动方式，少数为自下而上流动，载热体则在管 间流动，其流向可以与反应气体成逆流，也可以 成并流，应根据不同反应的具体要求来进行选择。 若进行的是吸热反应，则载热体为化学反应的热 源。对于放热反应、载热体为冷却介质，移走由 反应所产生的热量。 换热强度应满足反应过程所要求的温度条件。
载热体的选择
在传热面积一定的情况下，载热体有较大的传热 系数。
19
图9-3列管式固定床反应器
(a）沸腾式 （b）内部循环式 （ c）外部循环式
20
列管式固定床反应器优点：
• ① 传热较好，管内温度较易控制； • ② 返混小、选择性较高； • ③ 只要增加管数，便可有把握地进行放大； • ④ 对于极强的放热反应，还可用同样粒度的
4
• 9.1固定床反应器的特点及结构 • 9.2固定床反应器内的流体流动 • 9.3固定床反应器内的传质与传热 • 9.4 固定床反应器的计算方法
5
9.1固定床反应器的特点及结构
• 定义*：凡是流体通过不动的固体物料所 形成的床层而进行反应的装置都称作固定 床反应器。
• 其中尤以用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气-固相催 化反应器占最主要的地位。
惰性物料来稀释催化剂. • 列管式固定床反应器缺点： • 是结构比绝热反应器复杂，催化剂的装卸也不
方便。
21
适用场合
换热式固定床反应器可用于放热反应， 也可用于吸热反应。
但对于反应过程中催化剂失活很快，以 致催化剂的再生或更换十分频繁的反应，不 宜采用固定床反应器，无论是绝热式还是换 热式。
22
2）.自热换热式反应器
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。
• 换热式固定床反应器的特点： • 在催化剂床层进行化学反应的同时，床层还通过
器壁与外界进行热交换。 • 按换热介质的不同，又可分为对外换热式和自身
换热式。
17
1）对外换热式反应器
• 以各种载热体为换热介质，称为
7
固定床反应器缺点*
• 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
8
9.1.2 固定床反应器的构型
• 固定床反应器分类* • 固定床反应器按反应中与外界有否热量交换可以
划分为两大类：绝热式和换热式。 • 绝热式:单段绝热床、多段绝热式反应器 • 换热式：对外换热式和自身换热式。
9
1. 绝 热 式 反 应 器
（掌握结构、分类、应用）
• 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。
10
1）单段绝热床
13
2）.多段绝热式反应器
• 多段绝热固定床反应器使用场合： • 多段绝热固定床反应器多用以进行放热反
应等。 多段绝热反应器分类 • 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。 • 后两类又可总称为直接换热式。
14
15
16
• 一般为一高径比不大的圆筒体。 见图9-1。
• 单段绝热反应器优点：
• 单段绝热式固定床催化反应器 结构简单、造价便宜，反应器 内体积能得到充分利用。
单段绝热反应器适用的场合*：
• (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.
• 以原料气为换热介质，利用反应后的高温气体预 热原料，使其达到反应温度，本身得到冷却，即 反应前后的物料在床层中自己进行换热称作自热 式反应器。
• 只适用于放热反应，而且是原料气必须预热的系 统。
反应物料的流向：
对外换热式。
原料
• 化工生产中应用最多的是换热条 件较好的列管式反应器，其结构 催化剂
类似管壳式热交换器。
蒸汽 调节阀
补充水
• 通常在管内充填催化剂，反应气 体自上而下通过催化剂床层进行 反应，管间通载热体 (在用高压 水或用高压蒸汽作热载体时，则 把催化剂放在管间，而使管内走 高压流体
1
多相系统的特征
多相系统的特征是: 系统中同时存在两个或两个以上的相态， 在发生化学反应的同时，也发生着相间和 相内的传递现象，主要是质量传递和热量 传递。 如果这些传递现象不存在，那么就不可能 发生化学反应。
2
多相系统中反应的基本类型
可概括为三种基本类型： (1)在两相界面处进行反应，所有气固反应或气固 相催化反应都属于这一类型； (2)在一个相内进行反应，大多数气液反应均属于 这种情况，进行反应的相叫做反应相； (3)在两个相内同时发生反应，某些液液反应属于 这种情况。
图9-1圆筒绝热式反应器 １一矿渣棉；2一瓷环；3一催化剂
11
12
固定床反应器操作过程中发生超压现象的处理方法
固定床反应器操作过程中若发生超压现 象，需要紧急放空处理时，一般应按流 程顺序进行，即: 打开出口放空阀放空，以免逆流程放空 导致气流冲动催化剂床层，但危急情况 下可以同时打开出口处和入口处的放空 阀。
本课着重讲述气固相催化反应，并讨论定量 处理的方法。
3
根据固体催化剂是处于静止状态还是运动状 态，反应器又可分为两大类， 属于静止状态的有固定床反应器和滴流床反 应器， 催化剂处于运动状态的有流化床反应器、移 动床反应器和浆态反应器等。 本章的主要研究对象是固定床反应器，流化 床反应器第十章介绍。
6
9.1.1固定床反应器的特点及工业应用
固定床反应器优点*
① 固定床中催化剂不易磨损； • 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。
流体流动方式
实际生产中，物料大多数是采用自上而下的 流动方式，少数为自下而上流动，载热体则在管 间流动，其流向可以与反应气体成逆流，也可以 成并流，应根据不同反应的具体要求来进行选择。 若进行的是吸热反应，则载热体为化学反应的热 源。对于放热反应、载热体为冷却介质，移走由 反应所产生的热量。 换热强度应满足反应过程所要求的温度条件。
载热体的选择
在传热面积一定的情况下，载热体有较大的传热 系数。
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图9-3列管式固定床反应器
(a）沸腾式 （b）内部循环式 （ c）外部循环式
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列管式固定床反应器优点：
• ① 传热较好，管内温度较易控制； • ② 返混小、选择性较高； • ③ 只要增加管数，便可有把握地进行放大； • ④ 对于极强的放热反应，还可用同样粒度的
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• 9.1固定床反应器的特点及结构 • 9.2固定床反应器内的流体流动 • 9.3固定床反应器内的传质与传热 • 9.4 固定床反应器的计算方法
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9.1固定床反应器的特点及结构
• 定义*：凡是流体通过不动的固体物料所 形成的床层而进行反应的装置都称作固定 床反应器。
• 其中尤以用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气-固相催 化反应器占最主要的地位。
惰性物料来稀释催化剂. • 列管式固定床反应器缺点： • 是结构比绝热反应器复杂，催化剂的装卸也不
方便。
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适用场合
换热式固定床反应器可用于放热反应， 也可用于吸热反应。
但对于反应过程中催化剂失活很快，以 致催化剂的再生或更换十分频繁的反应，不 宜采用固定床反应器，无论是绝热式还是换 热式。
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2）.自热换热式反应器
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。
• 换热式固定床反应器的特点： • 在催化剂床层进行化学反应的同时，床层还通过
器壁与外界进行热交换。 • 按换热介质的不同，又可分为对外换热式和自身
换热式。
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1）对外换热式反应器
• 以各种载热体为换热介质，称为
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固定床反应器缺点*
• 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
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9.1.2 固定床反应器的构型
• 固定床反应器分类* • 固定床反应器按反应中与外界有否热量交换可以
划分为两大类：绝热式和换热式。 • 绝热式:单段绝热床、多段绝热式反应器 • 换热式：对外换热式和自身换热式。
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1. 绝 热 式 反 应 器
（掌握结构、分类、应用）
• 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。
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1）单段绝热床
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2）.多段绝热式反应器
• 多段绝热固定床反应器使用场合： • 多段绝热固定床反应器多用以进行放热反
应等。 多段绝热反应器分类 • 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。 • 后两类又可总称为直接换热式。
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• 一般为一高径比不大的圆筒体。 见图9-1。
• 单段绝热反应器优点：
• 单段绝热式固定床催化反应器 结构简单、造价便宜，反应器 内体积能得到充分利用。
单段绝热反应器适用的场合*：
• (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.
• 以原料气为换热介质，利用反应后的高温气体预 热原料，使其达到反应温度，本身得到冷却，即 反应前后的物料在床层中自己进行换热称作自热 式反应器。
• 只适用于放热反应，而且是原料气必须预热的系 统。
反应物料的流向：
对外换热式。
原料
• 化工生产中应用最多的是换热条 件较好的列管式反应器，其结构 催化剂
类似管壳式热交换器。
蒸汽 调节阀
补充水
• 通常在管内充填催化剂，反应气 体自上而下通过催化剂床层进行 反应，管间通载热体 (在用高压 水或用高压蒸汽作热载体时，则 把催化剂放在管间，而使管内走 高压流体
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多相系统的特征
多相系统的特征是: 系统中同时存在两个或两个以上的相态， 在发生化学反应的同时，也发生着相间和 相内的传递现象，主要是质量传递和热量 传递。 如果这些传递现象不存在，那么就不可能 发生化学反应。
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多相系统中反应的基本类型
可概括为三种基本类型： (1)在两相界面处进行反应，所有气固反应或气固 相催化反应都属于这一类型； (2)在一个相内进行反应，大多数气液反应均属于 这种情况，进行反应的相叫做反应相； (3)在两个相内同时发生反应，某些液液反应属于 这种情况。
图9-1圆筒绝热式反应器 １一矿渣棉；2一瓷环；3一催化剂
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固定床反应器操作过程中发生超压现象的处理方法
固定床反应器操作过程中若发生超压现 象，需要紧急放空处理时，一般应按流 程顺序进行，即: 打开出口放空阀放空，以免逆流程放空 导致气流冲动催化剂床层，但危急情况 下可以同时打开出口处和入口处的放空 阀。
本课着重讲述气固相催化反应，并讨论定量 处理的方法。
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根据固体催化剂是处于静止状态还是运动状 态，反应器又可分为两大类， 属于静止状态的有固定床反应器和滴流床反 应器， 催化剂处于运动状态的有流化床反应器、移 动床反应器和浆态反应器等。 本章的主要研究对象是固定床反应器，流化 床反应器第十章介绍。
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9.1.1固定床反应器的特点及工业应用
固定床反应器优点*
① 固定床中催化剂不易磨损； • 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。