第6章固定床反应器解析

单段绝热式 绝 热 式 多段绝热式
二段 反应 三段 特征 四段 段间反应 气冷却或 加热方式 中间间接换热式 原料气冷激式 冷激式
不同 的传 热要 求和 传热 方式 固定床 反应器
非原料气冷激式 加压热水（＜240℃） 导热油（250~300 ℃） 熔盐（＞300 ℃）
换 热 式
对外换热式
自热式
反应气的 流动方向
体流量均等，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。
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 半径方向流动径向流动催化床 的气体流道短，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。
径向反应塔示意图
第Байду номын сангаас章
固定床反应器
水蒸气
乙苯
6 . 1 概述
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
催化剂
产品 乙苯脱氢的绝热床反应器 6-1
一、固定床反应器的特点
结构简单 高空速 很少催化剂损耗 很小气固返混 较长的扩散时间及距离 高床层压降 床内取热供热困难 催化剂取出更新困难 催化剂颗粒大，效率低
轴向流动固定床反应器 径向流动固定床反应器
固定床反应器的分类
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 100-300 ℃ 200-350 ℃
熔盐
烟道气
300-400 ℃
600-700 ℃
反应器按催化剂床是否与外界进行热量交换分为：绝热
逆流 反应器温升快，且下降也快 热点靠近反应器进口 反应后期易过冷
并流 相反 热点靠近反应器出口 前期升温较慢，后期易过热
可逆放热反应
不可逆放热反应
催化剂的粒径取值 催化剂的粒径 25 -30mm
催化剂的粒径<管径1/8
粒径↓阻力↑ ，粒径↑η↓ 当η≈1时，反应过程为动力学控制，当η＜1时，反应过程
2、不同当量粒径的关系 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
S dV d S 6VP / aP
S (dV / da )
颗粒的形状系数
2
S 1
球体的形状系数＝1，非球体的形状系数<1
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
对外换热式反应器
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，易达到湍流， 但与圆管内的流动状况不完全相 同
乙炔法合成氯乙烯反应为放
热反应109kj/mol，利用高位 槽或加压泵强制循环换热， 水温靠调节阀控制压力来调 节。
逆流 并流 不同流向的自热式固定床反应器的轴向温度分布示意图
体积相当直径 面积相当直径 比表面相当直径
dV (6VP / )1/ 3 1/ 2 da (aP / ) d S 6 / SV 6VP / aP
式中：SV=ap/Vp， ——颗粒的比表面积 ap ——与非中空颗粒等外表面积的圆球外表面积 Vp ——非中空颗粒等体积的圆球体积 注意：三种方法的计算结果不同
按下式求出：
n xi dd 1 / i 1 d i
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。
非球形颗粒的形状系数 物料
鞍形填料 拉西环 烟道尘
为内扩散控制。
内扩散不仅影响反应速率，而且影响复合反应的选择性。 工业上减少内扩散影响的办法：选用工业上适宜的催化剂 颗粒尺寸；必须采用细颗粒时，可以考虑改用径向反应器
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 径向流动催化床的气体流道短，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
原料 产品 原料 产品 原料
冷 激 剂
产品
间接换热 原料冷激 多段固定床绝热反应器 非原料冷激
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
二、换热式
按换热介质不同，可分为对外换热式固定床反应器和自热
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:通常是在管内放催化剂，管间走热载 体
1.固定床反应器的优点是：①返混小，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。 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，
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。
反应器与换热式反应器
? Q0
绝热式固定床反应器和换热式固定床反应器的区别在与其 与外界交换的热能Q是否等于零。
一、绝热式
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
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 为中间间接换热式和冷激式。 特点：催化剂床层的温度波动小。 缺点：结构较复杂，催化剂装卸较困难。
拉西环
金属环矩鞍
6 . 2 固定床中的传递过程 6.2.1 粒子直径和床层空隙率 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 和比表面积相当直径。
一、颗粒直径的表示方法
1、表示方法