第六章 固定床反应器
概述
固定床中的传递过程
绝热床反应器
6.1 概述
固定床反应器的定义
固定床反应器的特点
固定床反应器的型式
固定床反应器的数学模型固定床反应器的定义
凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层，而进行化学反应的反应器型式；
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地位。
固定床反应器的特点
催化剂颗粒不易磨损；
床层内流体的流动接近于平推流，因此与返混式反应器相比，可用较少量的催化剂和较少的反应器容积来获得较大的生产能力；
停留时间可严格控制，温度分布可适当调整，
因此有利于达到高的选择性和转化率；
固定床中传热较差，催化剂载体往往是导热不良的物质，因此，若反应为强放热反应，则传热与控温问题就成为难点和关键所在；
催化剂更换必须停产进行，因此，催化剂必须有足够长的寿命。
固定床反应器的型式
绝热床反应器
– 单层：
– 多层：层间换热：
间接换热（教材 p185图 6-1-2a,b,c）
直接冷激（教材 p185图 6-1-2d,e）
换热式反应器：列管式：
– 管内放催化剂，管间走载热体（高压水或高压蒸汽）
– 管间走载热体，管内放催化剂
自热式反应器：
– 合成氨、合成甲醇
– 双套管式、三套管式
流体流向：轴向、径向固定床反应器的数学模型
拟均相数学模型：
忽略床层中颗粒与流体之间温度和浓度的差别
– 平推流的一维模型
– 轴向返混的一维模型
– 同时考虑径向混合和径向温差的二维模型
非均相模型：
6.2 固定床中的传递过程
颗粒层的若干物理特性参数
床层压降
固定床反应器中的传热
固定床中的传质与混合一、颗粒层的若干物理特性参数
密度
– 颗粒密度 ρp
包括粒内微孔在内的全颗粒密度；
– 固体真密度 ρs
除去微孔容积的颗粒密度；
– 床层密度 /堆积密度 ρB
单位床层容积中颗粒的质量（包括了微孔和颗粒间的空隙）；
)1()1( BpBpsp
一、颗粒层的若干物理特性参数
粒径
– 体积相当直径：相同体积的球形粒子的直径；
– 面积相当直径：相同外表面积的球形粒子直径；
– 比表面积相当直径：相同比表面积的球形粒子直径；
31)6(?Vd V?
pa
ad?
p
p
Vs
p
V a
V
SdV
aS 66
一、颗粒层的若干物理特性参数
颗粒形状系数
– 对非球形粒子,（同体积球形粒子的外表面积），因此定义颗粒形状系数（球形系数）：
– 粒径的测定：筛分法
sp aa?
p
sp aa
i i
i
p
d
xd
1
二、床层压降
– um,空床平均流速
当 Rem<10,第二项可忽略；
当 Rem>1000,第一项可忽略。
一般而言，若床内操作压力为 P,则床层阻力降 Δ P < 15% P。
75.1Re150')1()(' 32
mB
B
s
m fd ufL P 其中，
)1(Re Bmsm
ud
75.1Re150)1()()(
3
2
mB
Bs
m L
d
u
P
三、固定床反应器中的传热
三个方面
– 粒内传热；
– 颗粒与流体之间的传热；
– 床层与器壁之间的传热。
颗粒与流体间的给热系数 hp
– 关联式 1：
传热 JH因子
该式适用范围：
35.0)(
3 0 2 3.08 7 6.2
GdGdJ
pp
HB
32)()(p
p
p
H
C
GC
hJ
1 0 0 0 0~10Gd p
颗粒与流体间的给热系数 hp
– 关联式 2
式中，
固定床的有效导热系数 λ e
– 是粒子与流体间对流传热、粒子与流体本身的导热、床层内辐射传热的综合表现。
床层与器壁间的给热系数 hw和 h0
50Re01.0Re904.0 51.0HJ
1 0 0 0Re50Re613.0 41.0HJ
)1(6Re Bse
Gd
S
G
四、固定床中的传质与混合
颗粒与流体间的传质：
固定床中流体的混合扩散：
6.3 绝热床反应器
基本处理方法
平衡温度与最优温度分布
单层绝热床的计算
多层绝热床的计算一、基本处理方法
一般可作平推流处理；
床层与器壁间无传热；（绝热）
只考虑在轴向上的温度、浓度变化；
– 径向上无温度、浓度变化；
固体与流体间无温度、浓度变化，即看作均一相。
—— 拟均相一维模型二、平衡温度与最优温度分布
不可逆或可逆的吸热反应
– 温度升高，反应速率增加，因此，最高允许操作温度取决于催化剂、设备材质性能等因素。
可逆放热反应
– 正、逆反应速率均随温度的升高而增加，其净反应速率将出现一极大值，而温度的进一步升高，将最终使得正、逆反应速率相等而达到化学平衡。
二、平衡温度与最优温度分布
以 为例：
– 正反应速率：
– 逆反应速率：
– 达到平衡时：
r = r1 - r2 = 0,同时,(-Δ H) = E2 - E1
)(
2
1 kkKSRBA
),()e x p (),( 111111 BABA CCfRTEACCfkr
),()e x p (),( 222222 SRSR CCfRTEACCfkr
),(
),(ln
)(
11
11
SR
BA
eq
CCfA
CCfAR
HT
二、平衡温度与最优温度分布
– 若在某一温度下,r→ max,此时，温度 Topt
为最优温度，同时，应满足：
– 根据 Teq,Topt的计算方程，可得二者间的关系为：
且 Teq,Topt的变化趋势相同
0Tr
),(
),(ln
)(
121
111
SR
BA
opt
CCfEA
CCfEAR
HT
1
2
12
ln11 EEEE RTT
eqopt
eqopt
eqopt
TTTT 011
根据最优操作温度线，随着反应的进行，转化率增加，相应的应该降低反应温度。
三、单层绝热床的计算若以 A组分为着眼组分，则有：
物料衡算式
– 当为等温操作时，有：
用于求解等温操作的固定床反应器所需的催化剂床高及用量。
0,0
)(
0
0
AA
AAA
xxW
dWrdxF
Ax
A
A
A r
dx
F
W
00
000 AAA
BB
CAuCvF
LAVW
0000
0
A
A
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C A
A
B
x
A
A
B
Ax
A
A
A
B
r
dCu
r
dxCuL
r
dx
Cu
L
能量衡算式
– 积分得：
– T与 xA成线性关系。
AAAAAp
i
pii dxFHdWrHdTCFdTCF 0)()()(
)()( 12012 AA
p
A
A xxCF
FHTT
四、多层绝热床的计算
两层绝热，层间间接冷却的情形：
两层绝热，层间直接冷激的情形：
两层绝热，层间间接冷却
xA
T
1
2
3
4
5
6 1 2
34
56
加热冷却冷却反应反应两层绝热，层间直接冷激
1
xA
T
2
3
4
5
6 1 2
3
4
56
概述
固定床中的传递过程
绝热床反应器
6.1 概述
固定床反应器的定义
固定床反应器的特点
固定床反应器的型式
固定床反应器的数学模型固定床反应器的定义
凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层，而进行化学反应的反应器型式；
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地位。
固定床反应器的特点
催化剂颗粒不易磨损；
床层内流体的流动接近于平推流，因此与返混式反应器相比，可用较少量的催化剂和较少的反应器容积来获得较大的生产能力；
停留时间可严格控制，温度分布可适当调整，
因此有利于达到高的选择性和转化率；
固定床中传热较差，催化剂载体往往是导热不良的物质，因此，若反应为强放热反应，则传热与控温问题就成为难点和关键所在；
催化剂更换必须停产进行，因此，催化剂必须有足够长的寿命。
固定床反应器的型式
绝热床反应器
– 单层：
– 多层：层间换热：
间接换热（教材 p185图 6-1-2a,b,c）
直接冷激（教材 p185图 6-1-2d,e）
换热式反应器：列管式：
– 管内放催化剂，管间走载热体（高压水或高压蒸汽）
– 管间走载热体，管内放催化剂
自热式反应器：
– 合成氨、合成甲醇
– 双套管式、三套管式
流体流向：轴向、径向固定床反应器的数学模型
拟均相数学模型：
忽略床层中颗粒与流体之间温度和浓度的差别
– 平推流的一维模型
– 轴向返混的一维模型
– 同时考虑径向混合和径向温差的二维模型
非均相模型：
6.2 固定床中的传递过程
颗粒层的若干物理特性参数
床层压降
固定床反应器中的传热
固定床中的传质与混合一、颗粒层的若干物理特性参数
密度
– 颗粒密度 ρp
包括粒内微孔在内的全颗粒密度；
– 固体真密度 ρs
除去微孔容积的颗粒密度；
– 床层密度 /堆积密度 ρB
单位床层容积中颗粒的质量（包括了微孔和颗粒间的空隙）；
)1()1( BpBpsp
一、颗粒层的若干物理特性参数
粒径
– 体积相当直径：相同体积的球形粒子的直径；
– 面积相当直径：相同外表面积的球形粒子直径；
– 比表面积相当直径：相同比表面积的球形粒子直径；
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pa
ad?
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V a
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SdV
aS 66
一、颗粒层的若干物理特性参数
颗粒形状系数
– 对非球形粒子,（同体积球形粒子的外表面积），因此定义颗粒形状系数（球形系数）：
– 粒径的测定：筛分法
sp aa?
p
sp aa
i i
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xd
1
二、床层压降
– um,空床平均流速
当 Rem<10,第二项可忽略；
当 Rem>1000,第一项可忽略。
一般而言，若床内操作压力为 P,则床层阻力降 Δ P < 15% P。
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)1(Re Bmsm
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mB
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m L
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P
三、固定床反应器中的传热
三个方面
– 粒内传热；
– 颗粒与流体之间的传热；
– 床层与器壁之间的传热。
颗粒与流体间的给热系数 hp
– 关联式 1：
传热 JH因子
该式适用范围：
35.0)(
3 0 2 3.08 7 6.2
GdGdJ
pp
HB
32)()(p
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1 0 0 0 0~10Gd p
颗粒与流体间的给热系数 hp
– 关联式 2
式中，
固定床的有效导热系数 λ e
– 是粒子与流体间对流传热、粒子与流体本身的导热、床层内辐射传热的综合表现。
床层与器壁间的给热系数 hw和 h0
50Re01.0Re904.0 51.0HJ
1 0 0 0Re50Re613.0 41.0HJ
)1(6Re Bse
Gd
S
G
四、固定床中的传质与混合
颗粒与流体间的传质：
固定床中流体的混合扩散：
6.3 绝热床反应器
基本处理方法
平衡温度与最优温度分布
单层绝热床的计算
多层绝热床的计算一、基本处理方法
一般可作平推流处理；
床层与器壁间无传热；（绝热）
只考虑在轴向上的温度、浓度变化；
– 径向上无温度、浓度变化；
固体与流体间无温度、浓度变化，即看作均一相。
—— 拟均相一维模型二、平衡温度与最优温度分布
不可逆或可逆的吸热反应
– 温度升高，反应速率增加，因此，最高允许操作温度取决于催化剂、设备材质性能等因素。
可逆放热反应
– 正、逆反应速率均随温度的升高而增加，其净反应速率将出现一极大值，而温度的进一步升高，将最终使得正、逆反应速率相等而达到化学平衡。
二、平衡温度与最优温度分布
以 为例：
– 正反应速率：
– 逆反应速率：
– 达到平衡时：
r = r1 - r2 = 0,同时,(-Δ H) = E2 - E1
)(
2
1 kkKSRBA
),()e x p (),( 111111 BABA CCfRTEACCfkr
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),(
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二、平衡温度与最优温度分布
– 若在某一温度下,r→ max,此时，温度 Topt
为最优温度，同时，应满足：
– 根据 Teq,Topt的计算方程，可得二者间的关系为：
且 Teq,Topt的变化趋势相同
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根据最优操作温度线，随着反应的进行，转化率增加，相应的应该降低反应温度。
三、单层绝热床的计算若以 A组分为着眼组分，则有：
物料衡算式
– 当为等温操作时，有：
用于求解等温操作的固定床反应器所需的催化剂床高及用量。
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能量衡算式
– 积分得：
– T与 xA成线性关系。
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四、多层绝热床的计算
两层绝热，层间间接冷却的情形：
两层绝热，层间直接冷激的情形：
两层绝热，层间间接冷却
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加热冷却冷却反应反应两层绝热，层间直接冷激
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