8
• 径向反应器特点： 气体留道短，流速 低，可大为降低催 化床层压降，为使 用小颗粒催化剂提 供了条件。
• 设计的关键：合理 设计流道使各横截 面上的气体流量均 等。
9
10
四、基本设计原则
• 1.设计条件 • （1）掌握反应过程的热力学数据和热容、
粘度、导热系数及扩散系数等物性数据。 • （2）尽可能获得反应动力学及传递过程

πd s 2 πd s 3
6
ds
6 dS SV
6 VS SS
20
6
•（4）混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子
直径的加权平均）
(5)形状因子a
dm
1
xi di
定义：
＝
a
球形颗粒的外表面积 与球形颗粒相同体积的非球形颗粒的外表面积
＝ Ss Sp
;
球形：a＝1;
－P f
L de

um2 2 B 2
＝f
L
2 3
.
(1


B

B
)
.d
S

um2 2 B2

＝3 f 4
L dS
1B

3 B

u m2

f L dS
第5章 气固相催化固定床反应器
1
第一节：概述
• 一、固定床反应器
• 固定床反应器：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。
炼油工业：催化重整、异构化 气固相催化反应 基本化学工业：合成氨、天然气转化
石油化工：乙烯制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯 水煤气的生产
气固相非催化反应氮气与电石反应生成石灰氮 矿物的焙烧

ds 6
. B (1 B )
故：d
e＝4
RH＝
2 3
.
ds B (1 B
)
＝
2 3
.
(1


B

B
)
.a
dV
22
二、床层压降
• 气体流动通过催化剂床层，将产生压降.
流体在空管中的压降公式：
－P

f
L D

u2
2

对于填充床，假设二者截面积相同，um＝u B
的数据。 • A.本征动力学 • B.工业催化剂
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• 2.基本设计原则 • （1）确定催化剂用量，W Wmin ； • （2）确定传热方式，算出床层温度分布，
使之趋于最佳温度曲线上分布； • （3）确定最佳工艺操作参数及固定床的
类型和结构。
12
五、固定床反应器的数学模型
• 同时关联物料衡算、热量衡算、动力学
上述反应都采用固定床反应器。其中，气固相催化
反应约占80%，故本章重点介绍气固相催化固定床反应器
2
二、催化固定床反应器的优缺点
1.优点： （1）催化剂不易磨损，可以长期使用（除
非失活）； （2）高径比较大时，床层中流体流动接近
平推流； （3）停留时间可以严格控制，温度分布可
以调节，有利于达到较高的转化率和选 择性。
3
2.缺点：
（1）传热较差；
（2）催化剂的更换必须停车，浪费人力、 物力，要求催化剂有足够的寿命；
（3）催化剂的有效系数低。 三、催化固定床反应器的类型

单段
按传热方式 绝热式多段中 冷间 激换 式热式
换热式内列冷管管式式
4
固定床催化反应器的类型
• 绝热型
换热型
方程。
非均相模型（考虑流体和粒子表面间 1.按动力学 的拟温均度相和模浓型度（差忽）略流体和粒子表面间
的温度和浓度差，假设流体与粒子为 浑然一体的均相）
2.床层温度二 一维 维模 模型 型（ （轴 平向 推和 流径 模向 型） 和轴向扩散模型）
3.按流体流动非 理理 想想 流流 动动 模模 型型
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• 六、基本问题
• 温度、浓度分布，气相压降，转化率及 催化剂用量
• 选择固定床反应器的原则－－什么反应 需要用固定床反应器？
• 气固相催化反应首选－－非常普遍 • 如，合成氨、硫酸、合成甲醇、环氧乙
烷乙二醇、苯酐及炼油厂中的铂重整等。
14
第二节：固定床反应器内的传递特性
• 气体在催化剂 颗粒之间的孔 隙中流动，较 在管内流动更 容易达到湍流。
18
• 2.粒径
• 颗粒的定型尺寸－－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。
• （1）体积当量直径：(非球形颗粒折合 成同体积的球形颗粒应当具有的直径）
球形体积：VS

4 3
π
d 2
3


6VS π
1
3
催化剂颗粒内的体积）。
B

空隙体积 床层体积
1
颗粒体积 床层体积
1 VP VB
1
B P
B－床层堆积密度，P－颗粒密度
• 若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒的床 层，其空隙率与颗粒大小无关。
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• 壁效应：靠近壁面处的空 隙率比其它部位大。
• 为减少壁效应的影响，要 求床层直径至少要大于颗 粒直径的8倍以上。
5
6
7
• 操作方式： • 绝热、换热两种；操作方式的不同，反
应器的结构就不同。 • 操作方式由反应的热效应和操作范围的
宽窄及反应的经济效益等决定。 • 从反应器的设计、制造及操作考虑，绝
热型比较简单。 • 从设计上讲，基本方程是一样的。
•还有径向反应器、滴流床反应器、移动床 •反应器等都是固定床反应器。
非球形：a
1
(6)各种当量直径的关系

a
dV＝d
＝
s
d
3 V
d
2 a
2
a＝

dV ds

21
3.固定床的当量直径de
de＝4RH , 其中RH 为水力半径
RH＝
填充床的自由体积 填充床的水力浸湿表面积
＝
4 3
π
பைடு நூலகம்
ds 2
3

B
(1


B
)4π
ds 2
2

dV
19
•（2）外表面积当量直径： (非球形颗粒折合 成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS

4π
d 2
2


SS π
1
2

da
• （3）比表面积当量直径： (非球形颗粒 折合成相同比表面积的球形颗粒应当具 有的直径）
球形比表面积：
SV

SS VS
• 气体自上而下 流过床层。
15
一、颗粒层的若干物理特性参数
• 1.床层密度和空隙率 • （1）粒子密度ρp －－包括粒内微孔在内
的全颗粒的密度； • （2）真密度（材料密度） ρs －－除去
微孔容积的颗粒的密度； • （3）床层密度ρB： －－单位床层体积中
颗粒的质量。
16
• 4.床层空隙率εB：单位体积床层内的空隙 体积（没有被催化剂占据的体积，不含