以是催化剂，也可以是固体反应物。或者
说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都称作固定床反应
器。
固定床催化反应器
单段绝热式 绝热式
多段绝热式
连续换热式 外热式 自热式
优缺点： • ①床层内流体流动接近平推流。（返混、催化剂少
和较小的反应器容积来获得较大的生产能力） • ②严格控制停留时间，温度分布可以适当调节，因
• 根据换热介质的不同可分为外热式和自热式。
• 外热式：用某种和反应无关的热载体加热或冷却反应 床层的反应器。它一般用于强放热或强吸热反应。其 型式多用列管式，通常将催化剂放在管内，管间通过 载热体，也有的与之相反。载热体可根据反应过程所 要求的温度，反应热效应，操作压力及过程对温度的 敏感度来选择。一般采用强制循环进行换热。
四、固定床流体力学
1、颗粒的当量直径和形状系数 • （1）体积当量直径dV
Vp=4/3πR3 dV =(6Vp/π)1/3
（2）等外表面积当量直径Dp
Dp
Sp
（3）等比表面积当量直径ds
比表面：SV
Sp Vp
ds2 d 1 3
6s
6 ds
ds
6 SV
6Vp Sp
（4）形状系数（球形系数）
颗粒外表面Sp，等体积球形的外表面积Ss
第五章 气-固相催化反应器
一、反应器类型
反应器的选择：动力学、反应器性能
分为三类： 固定床（最多） 流化床（比较多）：反应器内固体粒子可以象流体一样 被流化起来。 移动床（较少）：固体颗粒自反应器顶部连续加入，自 上而下移动，由底部卸出。反应流体与颗粒逆流接触。
1、固定床反应器
• 反应器内填充有固定不动的固体颗粒，可
S e
床 层 中 颗 粒 的 总 外 表 面 积 n S p ( 1)
此特别有利于达到高的选择性和转化率。 • ③结构简单，操作方便，催化剂磨损小。 • ④传热较差。 • ⑤压力降大，因此压力降受限制。 • ⑥催化剂的更换必须停产进行。
间接换热式
多段绝热式固定床
原料气冷激式
冷激式
惰性气体冷激式
(a)间接换热式；(b)原料气冷激式；(c)非原料气冷激式
连续换热式固定床
• 外热式反应器的反应管径一般 都比较小，多为20～35mm。 一方面是为了减小床层的径向 温差，另一方面是为了单位床 层体积具有较大的换热面积， 其优点是床层轴向温度分布比 绝热式反应器均匀，其缺点是 结构比绝热式反应器复杂，催 化剂装填也不太方便。
• 自热式：利用反应热来加热原料气使之达到要求温度， 再进入催化剂床层进行反应的自身换热式反应器。它 只适用于热效应不太大的放热反应和原料气必须预热 的系统。这种反应器本身能达到热量平衡，不需外加 热源或者外加热介质来冷却反应床层。
xndn
xn dn
3、床层的空隙率、当量直径
（1）固定床的空隙率
固定床的空隙率是颗粒物料层中颗粒间自由体积与整个 床层体积之比。
V空 1 b
V床层
p
（2）空隙率的影响因素
形状、粒度（大小）、表面粗糙度、填充方式、颗粒与 容器直径之比。
（3）固定床的当量直径de
ห้องสมุดไป่ตู้
①床层的比表面积Se
忽略粒子间接触点的这一部分表面积，则单位床层中粒 子的外表面积（床层的比表面积）Se为：
1、设计内容 • 化工设计：①选型；②确定最佳工艺操作条件；
③化工尺寸计算。 • 机械设计：①结构设计；②强度计算 2、设计必备条件 • ①反应过程的热力学数据（物性）； • ②反应体系的动力学数据（动力学方程）； • ③反应体系的传递属性数据。 3、设计的基本方程
4、设计时应遵循的基本原则
• ①设计不单纯是床层最佳化，根据工艺的特点 和工程实际情况，应用反应工程的观点来确定 最佳工艺操作参数；
因为Sp ≥Ss
所以 s
Ss Sp
1
sd V
ds
6V p Sp
2
dV
s
Dp
2、混合颗粒的平均直径
混合颗粒的平均直径可以用筛分分析数据算出，计算 方法三种。
n
d p
x i d i x 1d 1 x 2 d 2
i1
x n d n
n
dp
xidi x1d1 x2d2
i1
1 n xi x1 x2 dp i 1di d1 d2
三、反应器的基础数学模型
• 一维模型：只考虑反应器中沿着流动方向的浓度差和 温度差。
• 二维模型：若同时计入垂直于气流动方向的浓度差和 温度差。
• 一维拟均相平推流模型是最基础的模型，在这个模型 基础上，按各种类型反应器的实际情况，计入轴向返 混、径向浓度差及温度差，相间及颗粒内部的传质和 传热。如下表5-1所示。
自热式反应器的形式很多。一般是在圆筒形的容器内 配置许多与轴向平行的管子（俗称冷管），管内通过 冷原料气，管外放置催化剂，所以又称管壳式固定床 反应器。 它按冷管的形式可分为单管、双套管、三套管和U型管 反应器几种。在按管内外流体的流向还有并流和逆流 之分。
单管逆流式催化床及温度分布示意图
图中Tb催化剂层的轴向温度，Ta为内外冷管环隙内（或单冷管 管内）的气体温度，Ti为内冷管内的气体温度。
双套管并流式催化床及温度分布示意图
图中Tb催化剂层的轴向温度，Ta为内外冷管环隙内（或单冷管 管内）的气体温度，Ti为内冷管内的气体温度。
三套管并流式催化床及温度分布示意图
图中Tb催化剂层的轴向温度，Ta为内外冷管环隙内（或单冷管 管内）的气体温度，Ti为内冷管内的气体温度。
二、反应器设计原则
• ②设备结构、维修，工程问题；
• ③高压反应器的填装系数要高，流体分布均匀， 压力降小，内置的一些部件要合理；
• ④机械强度与温度应力。
三、反应器的基础数学模型
• 根据反应动力学可分为非均相与拟均相两类。根据催化 床中温度分布可分为一维模型和二维模型。根据流体的 流动状况又可分为理想流动模型和非理想流动模型。
• 传质和传热过程对反应速率的影响计入模型，称为“非 均相”模型。
• 如果反应属于化学动力学控制，催化剂颗粒外表面上及 颗粒内部反应组分的浓度及温度都与气流主体一致，计 算过程与均相反应过程一样，故称为“拟均相”模型。
• 如果催化过程的宏观动力学研究得不够，只能按本征动 力学处理，而将传递过程的影响、催化剂的中毒、结焦、 衰老、还原等项因素合并成为“活性校正系数”和“寿 命因子”，这种处理方法属于“拟均相”模型。