B
床 层 粒 子 总 质 量 m cat
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。
床层压降计算式：（经验关联式）
P L
f
( )( ) um 2 ds
1B B 3
(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 d s
3 B
u m 2 L 1 B
1 5 0d (s 1 u m B) 1 .7 5
床 层 比 表 面 积 Se
6(1B)
S
为单位体积催化剂床层所具有的外表面积:
e
Se (1B)a vpp 6(1B)/ds
(6-9)
4 d sB
d e 4 R H 6 (1 B )
d ssd v
2B
3 (1 B ) sd v(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）。
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 量 粒孔 子容 骨积 架 （包m vp p 括粒内微孔）密度。
S
③ 床层密S 度 (又粒 称子 堆体 密积 粒 度子 不 )质 包 :量 括 单孔 位容 体积 积 催化vm 骨 剂架 p床层具有的质量。
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
产物
供热。
• 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。
da
ap
a
为非球粒子外表面积
p
(6-2)
ap
d
2 a
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
6V p ap
sv
ap Vp
ds2
d 1
3
6
s
6 dS
Sv 为非球粒子比表面积 (6-3)
(6-4)
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
颗粒外表面积之比。
s
as ap
(6-5)
为a s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 各种相当直径的关系
dS
6 6V p sv ap
6V p
as/s
s6 d 1 6d v 2v 3
VRV骨架 VR
wBws
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
n
1 x1 x2
dp d1 d2xnຫໍສະໝຸດ xidndi
(6-8)
i1
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
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
固定床的当量直径定义为床层水力半径的4倍。
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
R H
润 湿 周 边
润 湿 总 面 积
床 层 空 隙 容 积 床 层 总 体 积
床 层 空 隙 率 B
dsB
润 湿 总 面 积 床 层 总 体 积
sdv
s
aS ap
d dva2 2
(dv )2 da
1
d v
2
s
d
a
s 1
1
2 s
1
(6-6) (6-7)
则有： d v d s
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
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。
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
换
后的气体可实现急速降温
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。
固定床反应器
(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
原料气
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
催
积得到充分利用。但通常只用于化学
化
剂
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