陈甘棠主编化学反应工程第六章

3、固定床反应器类型
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。
3、固定床反应器类型
（1）.绝热式固定床反应器 反应器外壳包裹绝热保温层，使催化剂床层与外界
没有热量交换。中空圆筒的底部放置搁板，上面堆 放固体催化剂。气体从上而下通过催化剂床层。 结构简单，床层横截面温度均匀。单位体积内催化 剂量大，即生产能力大。但只适用于热效应不大的 反应。
陈甘棠主编化学反应工程第六章
6.1概述
1. 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。
2. 固体催化剂颗粒堆积起来所形成的固定床 层静止不动，气体反应物自上而下流过床层， 进行反应的装置称作固定床反应器。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。
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 催化反应器占有最主要的地位。
使用绝热床时要注意高径比不能过大，床层催 化剂的填充一定要均匀，要注意气流的预分布， 以保证气流在床层内的均匀分布
（3）.列管式固定床反应器
热效应较大，不宜采用绝热式反应器，可 采用换热式固定床反应器。此设备如同列管 式换热器，又称为列管式固定床反应器。 反应器由多根反应管并联构成，管径一般为 25 -50㎜，管数可达万根以上。一般管内装 催化剂，传热介质流经管间进行加热或冷却。
此外水蒸气还有使催化剂上的结炭随 时得到再生从而保持反应器得以长期连 续运转的功能。反应后的产物只需简单 的冷凝即可与水分开。
乙苯+水蒸气
催化剂
产品
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 。
乙炔与氯化氢合成氯乙烯 是一种典型的列管式换热 器固定床基本单元组合。 反应放热109kJ/mol，管外 用沸腾水传热，使管内温 度控制在150~180°C，水 的循环是靠位能或外加循 环泵来实现的，水温则靠 蒸汽出口的调节阀控制一 定的压力来保持。应使床 层处于热水或沸腾水的条 件下进行换热。
固定床反应器类型
换热量不太大时可采用层间加 入盘管的形式。如环己醇脱氢 制备环己酮，丁二醇脱水制丁 二烯等。
如乙炔加氢，放热177kJ/mol， 为防止温度上升使乙炔收率
下降，在层间喷水，利用 水的汽化来吸收热量。
近代的大型合成氨反应器 也采用中间冷激的多段绝 热床的形式
固定床反应器类型
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。
根据床层内外流体流向的不同，有顺流与 逆流之分
根据套管数目的多少又有单套管、双套管 和三套管之分。
使用较多的是双套管并流式，其即能使 下部床层温度维持的较高，又能使上部 床层较迅速的达到最优温度，使床层内 的催化剂迅速升温到最优温度。
以上从传热的观点来简要说明了固定床反应器 的几种形式。至于对催化剂的要求，除一般的 化学性能要求外，还要求有一定的强度，以免 粉碎和堵塞通道，造成压降增大，气体在各管 内的流量不均，从而使得各管温度不一，活性 不同，影响反应结果。
比表面积： (非球形颗粒折合成相同比表面积
的球形颗粒应当具有的直径）
球形比表面积S：V
ap VS
d2 d3
6 d
6
dS
6 SV
6VS ap
混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子直
径的加权平均）
1
dm xi di
xi -直径等d于 i的颗粒占的分数
对于非球形粒子，其外表面积 a p 要大于同体
管径的大小要根据反应热和允许的温度情况而 定。催化剂的粒径应小于管径的8倍，以防近 壁处出现沟流（壁效应：靠近壁面处的空隙率 比其它部位大）。
但同时粒径越小，流体流动时的压降越大，而 床层压降的出现也是在生产实际上的重要限制 因素之一。因此固定床用的粒径约为2~6mm不 小于1.5mm。
传热用的热载体最常用的是水，通过调节压力 可在100~300°C的范围应用。对于600°C以上 的高温反应，只能用烟道气作为热载体。
为减少壁效应的影响，要求反应管径至少要大 于颗粒直径的8倍以上。
6.2.2床层压降
气体流动通过催化剂床层的空隙形成的通道时， 与孔道皱襞摩擦将产生压降。
厄根（Ergun）方程：
dP dL
150 Rem
1.75
1
3 B
B
u
2 m
ds
式中： Rem
: 修正的雷诺数，
Rem
d sum g
g 1 B
如，合成氨、硫酸、合成甲醇——基本 化学工业
环氧乙烷的制备、乙苯脱氢制苯乙烯及 炼油厂中的铂重整等——石油化工工业
红热焦炭中通入水蒸气制备水煤气，矿 物的焙烧、还原——非催化反应
2、固定床反应器的特点
①催化剂不易磨损非失活可长期使用
②固定床层内的气相流动接近平推流，有利 于实现较高的转化率与选择性。
固定床反应器类型
原料气
催化剂
绝热式 固定床 反应器
产物
典型的绝热反应是乙苯脱氢制苯乙烯。过 程简述如下：
反应需供热140kJ/mol，依靠加入2.6倍乙 苯质量的高温水蒸气（710°C），乙苯与 水蒸气混合后在630°C加入固定床。反应 吸热，离开时温度下降到565°C。水蒸气 的作用不仅是它可以安全地被预热到高温， 热容量大。因此可以带走大量的显热，而 且还起了稀释作用，降低了乙苯的分压， 使反应的平衡向更有利于生成苯乙烯的方 向移动，提高单程转化率。
6.2固定床中的传递过程
6.2.1粒子直径和床层空隙率 固定床层中，单位床层的体积中粒子的 质量称为床层密度或堆积密度，用 B 表 示。以区别固体粒子的颗粒密度和真密 度。 由于粒子大小和形状都影响床层的空隙 率， B（即粒子间的空隙所占床层容积的 分率）。故堆积密度会发生变化。
床层空隙率εB：单位体积床层内的空隙体积
（没有被催化剂占据的体积，不含催化剂颗粒 内的体积）。
B空 床隙 层体 体 1积 积 颗 床粒 层体 体 1V V 积 积 B P1P B B－床层堆积 P－密 颗度 粒， 密度
若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒的床层，其 空隙率与颗粒大小无关。
颗粒的定型尺寸－－最能代表颗粒性质的尺寸 为颗粒的当量直径。 d p
容易的情况。
列管式固定床反应器具有良好的传热性能，单 位床层体积具有较大的传热面积，可用于热效 应中等或稍大的反应过程。反应器由成千上万 根“单管”组成。一根单管的反应性能可以代 表整个反应器的反应效果，因而放大设计较有 把握，在实际生产中应用比较广泛。
（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，如合成氨及甲醇。
对于非球形颗粒，可将其折合成球形颗粒，以 当量直径表示。方法有三，体积、外表面积、 比表面积。
体积：(非球形颗粒折合成同体积的球形颗粒应当 具有的直径）
球形V P 体 6d 积 3： 6 V P 13dV
外表面积： (非球形颗粒折合成相同外表面积的 球形颗粒应当具有的直径）
1
球形外 ap表 d2面 积 a p ： 2da
传
递
递递
递递
递
拟均相一维 平推流模型
热质传递
热质传递
带有轴向返混的 拟均相一维模型
拟均相二维模型
抽
象
成
热
热为 热
热
量
量
量
量
传
传
传
传
递
递
递
递
热质传递 二维非均相模型
热质传递
流体相 固体相
二维非均相模型
热
热
量
量
传
传
递
递
热质传递
流体相 固体相
考虑颗粒内梯度的二维非均相模型
模型评述
考虑的因素越多，模型越复杂，模型参数就越 多，模型参数的可靠性就越重要。 并非模型越复杂越好。模型复杂增加了实验、 计算工作量，增加了出错的概率。 以简单实用为好。如返混严重，宜用带轴向返 混的一维模型；径向温差大，宜用拟均相二维 模型等。 非均相模型慎用，非不得已，不用过于复杂的 模型。
催化剂
原料
蒸汽 调节阀
补充水
产物
固定床反应器类型
固定床反应器类型
列管式反应器优点： • 传热较好，管内温度较易控制； • 返混小、选择性较高； • 只要增加管数，便可有把握地进行放大； • 对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰Baidu Nhomakorabea物料来
稀释催化剂 • 适用: 原料成本高，副产物价值低以及分离不是十分
um：平均流速 空塔气速 L：床层高度
d s : 颗粒当量直径
: 气体密度
B：床层空隙率
可用来计算床层压力分布。
如果压降不大，在床层各处物性变化不 大，可视为常数，压降将呈线性分布 （大多数情况）。
谢谢
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。
设计固定床反应器的要求： 1、生产强度尽量大 2、气体通过床层阻力小 3、床层温度分布合理 4、运行可靠，检修方便 计算包括三种情况： 1、设计新反应器的工艺尺寸 2、对现有反应器，校核工艺指标 3、对现有反应器，改进工艺指标，达到最大 生产强度。
总之，不论是吸热或放热的反应，绝热 床的应用是相当广泛的，特别对于大型 的，高温或高压的反应器，希望结构简 单，同样大小的装置内能容纳尽可能多 的催化剂以增加生产能力（少加换热空 间），而绝热床正好能符合这种要求。
但绝热床的温度变化总是较大的，由于 温度对反应的影响同样不可忽视，故要 综合分析并根据实际情况来决定。
在新添加催化剂时，要使各管阻力相等
催化剂必须有较长的寿命，从整体来看，在某 反应后期，适当增加一些催化剂的装置数量在 某些工业上也有采用
4、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℃
积球形粒子的外表面积 a s 。 定义颗粒的形状系数为
as ap
除球形颗粒外，其余形状颗粒的形状系数均小于 一，他的大小反映了颗粒形状与圆球的差异程 度。见表6-1
床层空隙率是固定床反应器的重要参数，气流 速度随之有分布。在壁面处尽管空隙率大，但 由于器壁的摩擦阻力的存在，故流速可降低到 零。由于床层的空隙率不均引起的流速不一， 会对反应结果造成很大影响。
③反应速率快，可用较少量的催化剂和较小 的反应器容积获得较大的生产能力；
④停留时间可以严格控制，温度分布可适当 调节 反应器的操作方便、操作弹性较大。
⑤
-----大生产占优势
缺点：
① 传热较差，结果就是对于热效应大的反 应过程，传热与控制温度成为固定床技 术的难点
② 催化剂颗粒的更换费事，必须停产进行。 不适于容易失活的催化剂。
5.模型化
对于一个过程，进行合理的简化，利用数学公 式进行描述，在一定的输入条件下，预测体系 输出的变化。 对同一个体系，根据不同的简化和假定，可以 构造不同的模型。 不同的简化和假定，也决定了模型必然含有一 些参数，以修正模型与实际体系的差异。 根据不同的简化和假定，分为几种不同层次的 模型。
对于固定床反应器，一般有以下模型： 一维拟均相平推流模型 一维拟均相带有轴向返混的模型 二维拟均相模型 二维非均相模型 二维非均相带有颗粒内梯度的模型 …………
一维：参数只随轴向位置而变。 二维：参数随轴向和径向位置而变。 拟均相：流相和固相结合，是指忽略床层中流 体与粒子间浓度和温度的差别。视为同一相。 非均相：流相和固相分别考虑。 平推流：不考虑轴向返混。 带有轴向返混的模型：在平推流模型的基础上 叠加了轴向返混。
热
热热
热热
热
量
量量
量量
量
传
传传
传传