第五章 气－固相催化反应工程
第一节 概述
5－ 1 气－固相催化反应器的基本类型
5－ 2 反应器设计原则
5－ 3 催化反应器的数学模型
第二节 第三节 固定床的三传特性
第四节 第五节
第六节 第七节
第八节 流化床及其数学模型
第九节 催化反应过程进展
各类固定床及其数学模型
第一节 概述
气－固相催化反应器
固定床
反应器
流化床
反应器
绝热式 换热式
内冷式 外冷 (热 ) 多段绝热 单段绝热
5－ 1 气－固相催化反应器的基本类型
一、绝热式固定床催化反应器
二、连续换热式固定床催化反应器
1，单段绝热式（ 适用于放热和吸热反应 ）
5－ 1 气－固相催化反应器的基本类型 -固定床
（ packed bed catalytic reactor)（ fixed bed reactor)
平衡温度线
最佳温度线
x
T
原料气
产物
催化剂
平衡温度线
最佳温度线
x
T
2，多段固定床绝热反应器
（ a）间接换热式
Ⅰ
Ⅳ
Ⅲ
Ⅱ
2，多段固定床绝热反应器
平衡温度线
最佳温度线
x
T
（ b）原料气冷激式 Ⅰ
Ⅳ
Ⅲ
Ⅱ
2，多段固定床绝热反应器
(c)非原料气冷激式 Ⅰ
Ⅳ
Ⅲ
Ⅱ
平衡温度线
最佳温度线
x
T
平衡温度线
二、连续换热式固定床催化反应器
蒸汽
原料 调节阀
催化剂
补充水
产物
（ a）内冷自热式
（ b）外冷列管式
（ c）外部供热管式
? ① 管径：一般为 25～ 50mm的管子，但不小于 25mm。
? ② 催化剂粒径：应小于管径的 8倍，通常固定床用
的粒径约为 2～ 6mm，不小于 1.5mm。
? ③ 传热所用的热载体,
? 沸水可以用于 100℃ ～ 300℃ 的温度范围。
? 联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏
分能用于 200～ 350℃ 的范围。
? 无机熔盐 (硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物 )可
用于 300～ 400℃ 的情况。
? 对于 600～ 700℃ 左右的高温反应，只能用烟道气作
为热载体。
列管式反应器优点,
? 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
惰性物料来稀释催化剂
? 适用 原料成本高，副产物价值低以及分离
不是十分容易的情况。
温度
床
层
深
度
温度
反
应
进
度
三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况
轴向反应器 VS径向反应器
1 1 1ζ =
( 3 ) 3th? ? ?
???
????3 p v
eff
R k
D? ?
VS
固定床反应器优缺点
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，在大规模的化工生产中尤为重要。
① 固定床中的传热较差；
② 催化剂的更换必须停产进行。
Δ P
500
300
200
100
50
1 2 u mf 10 50 1 0 0
空床流速 u 0 ㎝ /s
固定床 流化床
夹带开始
Δ P = W / A t
斜率 =1
流态化现象
流化床反应器
fluidized reactor
L Lf L Lf
L0 L Lmf
流体 流体 流体 流体 流体 流体
固
定
床
起
始
流
化
膨
胀
床
鼓
泡
床
气
力
输
送
节
涌
流化床反应器
fluidized reactor
5-3 催化反应器的数学模型
1，非均相 拟均相
2，一维模型 二维模型
3，理想流动 非理想流动
拟均相适用情况,1，化学动力学控制
2，活性较正系数（无宏观动力学资料）
一维 二维：轴向浓度差、温度差；轴径向浓度差、温度差
理想流动：不考虑返混（ PFR） ；
非理想流动：考虑返混（扩散）
5-3 催化反应器的数学模型
维数
相数
返混
根据相态 (拟均相？非均相？），维数（一维？二
维？），返混（有返混？无返混？）的不同情况，
可以建立八种（ ）不同的数学模型
328?
表 5－ 1 催化反应器数学模型分类
一维模型
A类, 拟均相模型 B类, 非均相模型
AI, 基础模型 BI, 基础模型＋相间分布
AII,AI +轴向返混 BII, BI+轴向返混
二维模型
AIII,AI ＋径向分布 BIII, BI＋径向分布
AIV,AIII ＋轴向返混 BIV, BIII＋轴向返混
