固定床反应器

=0.9；片状 =0.81；无定形颗粒 =0.9)； t催s 化剂外表面温度；
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
第六章 固定床反应器
6.1 概述 6.2 固定床中的传递过程 6.3 拟均相一维模型 6.4 拟均相二维模型 6.5 滴流床反应器
6.1 概 述
(1) 固定床反应器的定义
流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行化学反应的装置称 作固定床反应器。
固定床反应器主要用来进行气固相催化反应。如炼油工业中的催 化重整和异构化、合成氨工业、乙苯脱氢制苯乙烯，氯乙烯的合 成等使用的都是固定床反应器。
节，因此有利于达到高的转化率和选择性； ④ 连续操作，易实现自动控制，适宜大规模生产过程; ⑤ 传热较差，对于热效应大的反应过程，传热与控温较难； ⑥ 不能使用细催化剂，压降大； ⑦ 更换催化剂需停产进行，所以一般催化剂的寿命要比较长。
(3) 固定床反应器的型式简介
单层绝热床反应器
这种反应器通常高径比不大，催化 剂均匀堆于床内。内部无换热构件(下 部催化剂支撑结构，上部气体分布装 置)。结构简单，造价便宜，反应器体 积得到充分利用。但通常只用于化学 反应热效应不大，并且反应温度范围 相对较宽的过程。例如乙苯脱氢反应 器，无加热装置(实验室用电阻丝加 热)，实际工业过程通过加高温水蒸气 供热。
n
1
dp
x1 d1
x2 d2
xn dn
xi di
(6-8)
i 1
x为i直径为 的d粒i 子所占的重量分率。
（3）床层空隙率
床层空隙率指的是颗粒间自由体积与整个床层体积之比，是催化 剂床层的重要特性之一。
床层空隙体积 床层体积-颗粒骨架体积
B
床层体积
床层体积
VR V骨架 VR
w B
w s
原料气 催 化 剂
产物
• 多段绝热床反应器
实际是单段绝热式的改进型， 原料气
在段间设置热交换装置，既
保持了单段结构简单等优点，
每一段的过程完全类似于单 催
层式，又能在一定程度上调
化 剂
节反应温度。换热装置的设
置有多种方式，根据具体反
应选择。如CO与H2合成反应 器。
产物
• 外热式固定床反应器
这类反应器用的最为普遍， 大多数是列管式。 通常管内装 催化剂，壳程走传热介质。优点 是传热效果好，床层温度易控 制，管径一般不大(25-50mm)， 气体流动类似于平推流，反应的 转化率选择性较高，并且单根管 类似于实验条件，放大容易。如 乙炔与氯化氢合成氢乙烯反应 器。
此外，也有些非催化的气—固相反应，如向红热的焦炭中通入水 蒸汽以生成水煤气，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2)以及许多 矿物的焙烧。
(2) 固定床反应器的特点
① 催化剂不易磨损； ② 床内物料流动接近平推流，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 停留时间可以严格控制(调节气速)，温度分布可以适当调
de 4RH （RH为水力半径）
床层流道有效截面积 上下同乘床高L 床层空隙容积
RH
润湿周边
润湿总面积
床层空隙容积 床层总体积 润湿总面积 床层总体积
床层空隙率B 床层比表面积Se
dsB 6(1B )
S
为单位体积催化剂床层所具有的外表面积:
e
Se
(1
B
)
ap vp
6(1 B ) / ds
② 固定床的有效导热系数 e
研究固定床的有效导热系数，实际上就是把整个床层看作一个整
体（类似于一个热导体）向外传热。所以，我们用一个导热系数
来表征它的传热性能（类似于固体物质），而则e 是整个床层各
种传热方式的综合体现。
经验关联式：
e
eo
( )Rep pr
(6-23)
eo
( ) hrvd p
床层压降计算式：（经验关联式）
P L
f
(
um2
ds
)( 1 B
3 B
)
(6-11)
式中：
f
150 ReM
1.75
ReM
ds um (1B )
为修正雷诺数
(6-12)
代入上式得：
( )( )( ) P ds
3 B
um2 L 1B
150
(1B ) ds um
1.75
通常把它变形为：
(6-13)
比其它因素对压降更为敏感。 在生产过程中，流体的压头有限，床层压降往往有重
要影响，因此一般固定床中的压降不宜超过床内压力 的15%。
(6) 固定床中的传热
化学反应大都伴有热效应，如对于放热反应，如何把 产生的热量及时传递出来是维持反应正常进行首先要 考虑的问题。
固定床中的传热通常可认为由三部分组成：一是从催 化剂内部向外表面传热（粒内传热）；二是催化剂外 表面与流体主体之间的传热；三是径向传热，通过床 层沿径向传递到器壁，由壁外载热体带走的传热过程。
B
床层总体积
vR
(2) 催化剂粒子直径
① 球型粒子 dP ② 非球型粒子,用相当直径来表示:
A. 体积相当直径 dV ：即采用体积相同的球形颗粒直径来表示。
dv
(
6Vp
1
)3
VP为非球形颗粒粒子体积 (6-1)
Vp
1 6
dv3
B. 面积相当直径da ：即采用外表面积相同的球形颗粒直径表示。
da
ap
床层与器壁间的给热系数hw及h0
① hw计算（也称为壁膜表现给热系数） 考虑床层径向存在温差（采用二维模型时应考虑）。假定靠近管壁 流体膜温度tR，壁温tw，传热速率式为：
q hw A(tR tw )
(6-35)
hwd p
hw d p
hw0 d p
1
1 hw d p
/
aw
1 pr
Rep
(6-27)
6-24 根据σεp
Tm计算
hrs 颗粒间流体辐射传热 (6-26)
hrv 颗粒辐射传热
(6-25)
下面一项反映的是静床的导热能力。上面一项综合反映的是流动对径向 导热系数的影响，在静床上的增量。因此，床层的传热实际上是一个复 杂的过程。它是固体颗粒与流体之间传导、对流、辐射传热的综合过程， 既与流体、固体本身物性有关，又受流动状况的影响。
颗粒外表面积之比。
s
as ap
(6-5)
为as等体积球形颗粒外表面积，当体积相等时，球形粒子外表面
积最小,显然有： ；s 1的大小s反映粒子的形状与球体的差异程
度（P162表6-1列出了一些粒子的球形系数）。
④ 各种相当径的关系
dS
6 sv
6Vp ap
6Vp as /s
s
6
1 6
dv3
dv2
sdv
s
aS ap
dv2
d
2 a
(
dv da
)2
1
dv
2
s
d
a
s 1
1
s2 1
(6-6) (6-7)
则有： dv ds
da dv
所以有： da dv ds
在固定床流体力学研究中，常采用比表面相当直径；在传热传质 研究中，常采用面积相当直径。
⑤ 混合粒子的平均粒径：采用调和平均法计算
)( ) ( )( ) P
L
150
(
(1 B
3 B
)2
um
ds2
1.75
um2
ds
1 B
3 B
这就是通常所说的埃岗公式，仿照流体在空管中流动的压降公式 修正推导得到。
式中前项反映的是摩擦阻力，后项反映的是局部阻力损失。 ReM＜10时，流体流动为层流状态，阻力主要来自于前项， 后项可忽略不计； ReM ＞1000 时，为湍流，阻力主要来自于后项，前项可忽略。
① 颗粒密度(又称假密度) p: 包括粒内微孔在内的全部颗粒的密度。
② 骨架密度p(又称粒真子密体度粒积)子包质:括粒量孔子容骨积架 （包mvp括p 粒内微孔）密度。
S
③ 床层密S度(又粒称子堆体密积粒度不 子) 包 质:括 量单孔位容体积积 催化vm骨剂p架床层具有的质量。
B
床层粒子总质量 mcat
催 化 剂
原 产物 原
料
料
气
气
• 径向反应器
气体在反应器内通过多孔 的分气管作径向流动通过 催化剂床层，缩短了气体 流程，阻力变小，压降变 小，所以可以用较细的颗 粒。如工业上甲苯歧化制 苯和二甲苯的反应器。
原料气 催化剂 产物
6.2 固定床中的传递过程
颗粒层的若干物理特性参数
(1) 催化剂密度表征
w B
1
B
s
床层空隙率大小的影响因素
① 催化剂的粒径及其粒径分布； ② 催化剂颗粒的形状； ③ 颗粒的表面粗糙度； ④ 催化剂颗粒粒径与床层直径的比值； ⑤ 催化剂的充填方式等。 P163图6-9列出了部分催化剂床层空隙率关系曲线，可 供参考。
（4）固定床的当量直径de
固定床的当量直径定义为床层水力半径的4倍。
B 1
(1B )
1
1
hrsd
p
2 3
(
s
)
(6-24)
Rep
d pG
,
pr
Cp
,
2
(1
2 )
(B 0.26)
0.216
所以，的e 求算过程为：
根据dp/dt查图6-14
6-23
e
Re pr
根据dp G Cp μ λ计算 Re , pr
λ 流体导热
λS 颗粒导热（粒内）
e0
φ 颗粒接触传热
式中各项的意义：
P
床层压降 N/m2
L
管长 m
流体粘度 kg/m ·s
B
床层空隙率
um
流体空床平均流速 m/ s
流体密度 kg/m3
ds
颗粒比表面相当直径 m
固定床床层压降大小的影响因素
从固定床床层压降公式可看出其影响因素主要有： （1）床层空隙率； （2）固定床的床层高度（管长）； （3）气流速率。因为流速与压降是平方关系，所以它
a
为非球粒子外表面积
p
(6-2)
ap da2
C. 比表面相当直径ds ：即采用比表面积相同的球形颗粒的直径来表
示。
ds
6 sv
6Vp ap
sv
ap Vp
d
2 s
1 6
d
3 s
6 dS
Sv 为非球粒子比表面积 (6-4) (6-3)
③ 粒子的形状系数s ：即体积相同的球形颗粒的外表面积与非球形
11 Cpr对3液R体ep2取C=2.6；对气体取C=4.0
(6-36)
aw 代表管壁附近流体横向混合的比例：对圆筒形固定床内表 面 a=w 0.054；对插入床层的圆管外表面 =a0w.041。
0 h w 为流体静止时管壁给热系数，由下式确定：
1
求出了hp，我们就可通过测量流体温度来推算催化剂表面温度:
q (H A )(rA ) h p am (ts tG )
(6-20)
(为以rA )单位质量催化剂来定义的反应速率
am se / 床B层的比表se面积，上式整理可得：
t
(H A )(rA )
hp am
(H A )(rA ) pr2 / 3
4dsB
de 4RH 6(1B )
ds sdv
2B 3(1B
)
sdv
(6-9) (6-10)
(5) 床层压降
流体通过催化剂床层产生压降的原因主要来自两个方面： (1) 流体与粒子间摩擦阻力（低流速下主要受其影响）； (2) 流体在孔道中流动时突然扩大，缩小，撞击产生的阻力。 （高流速时主要受此项影响）。
原料气
催 化 剂
蒸汽
补充水 调节阀 产物
• 外热式薄层反应器
大多数是列管式。通常上
层装催化剂，管内走反应
催化剂
原料
气体，壳程走传热介质。
优点是传热效果好，反应
后的气体可实现急速降温
换 热
或升温，通常反应时间短， 介
质
气体流动类似于平推流。
如甲醇氧化反应器。
产物
• 自热式固定床反应器
在这类反应器内，原料气 先与反应后的气体通过管 壁进行热交换，预热，再 进行反应，一般用于热效 应不大的高压反应。例如 合成氨反应器。不过现在 趋向多段绝热式。