石油化学工业
催化重整 二氯化烷 丁二烯 苯酐 苯乙烯
异构化 醋酸乙烯酯 顺酐 环已烷 加氢脱烷基
4
6.1.1 固定床反应器的优缺点
• 固定床层内的气相流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性； • 可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力； • 结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂； •反应器的操作方便、操作弹性较大。
b
b
fm a b•1Rmb反 应床层压降
Rm
d p uo
例题
• 乙烯在银催化剂上氧化制环氧乙烷，年产环氧乙烷1×106 kg,采用二段空气氧化法 。主要反应为：
• C2H4+1/2O2
C2H4O
• △H1= -103.4kJ/mol(25℃)
• C2H4+3O2
CO2+2H2O
• △H1= 1323kJ/mol(25℃)
• 气体自上而下流过床层。
27
6.2.1颗粒尺寸
• 颗粒尺寸是颗粒体系的重要参数，常用粒径来表示。球形粒子的粒径是其直径，其他形 状的粒子粒径则需定义。
• 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 将其折合成具有相同的体积（或外表面积、比表面积）的球形颗粒，以当量直径表示。 如体积、外表面积、比表面积当量直径。
第六章 固定床反应器
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
6.1 概 述
气固相催化反应器可分三大类： 固定床反应器； 流化床反应器； 移动床反应器。
固体催化剂颗粒堆积起来所形成的固定床 层静止不动，气体反应物自上而下流过床层， 进行反应的装置称作固定床反应器。
主要固定床催化反应过程如下表
基本化学工业
烃类水蒸气转化 一氧化碳变换 一氧化碳甲烷化 氨合成 二氧化硫氧化 甲醇合成
(d)
• 列管式固定床反应器具有良好的传热性能，单位床层体积具有较大的传热面积，可
用于热效应中等或稍大的反应过程。反应器由成千上万根“单管”组成。一根单管的反 应性能可以代表整个反应器的反应效果，因而放大设计较有把握，在实际生产中应用比 较广泛。
20
列管式 固定床 反应器
列管式反应器优点： • 传热较好，管内温度较易控制； • 返混小、选择性较高； • 只要增加管数，便可有把握地进行放大； • 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。
35
• 当Re m<10时，厄根（Ergun）方程则变为：
2
P 150 u 1 L • 当Re m>1000时，厄根(Ergun)方程则变为： g m
B
Re m ds
3 B
• 催化剂床层压降还有许多计算式，具体参考有关的资料。
P
1.75
gum2
ds
1B
3 B
L
36
• 影响床层压力降的最大因素： 床层的空隙率 流体的流速 两者稍有增大，会使压力降产生较大变化。
32
• 床层内空隙率径向分布不均匀，引起各处的 流速不同，因而床层内各处的传热和停留时 间也不一样。
• 为减少壁效应的影响，设计时要求床层直径 至少要大于颗粒直径的 8倍 以上。
33
6.2.3 床层压降
• 气体流动通过催化剂床层的空隙所形成的通道，与孔道周壁摩擦而将产生压降。 • 压降计算通常利用厄根（Ergun）方程：
空隙率ε B = 0.44。在反应条件下气体的密度 ρ g = 2.4 6 kg∙m-3，粘度 μg = 2.3×10-5 kg∙m-1s-1，气体的质量 流速 G = 6.2kg ∙ m-2s-1。求床层的压降。
38
解： ① 求颗粒的平均直径
d ② 计算修正雷诺S数
1 xi
0.60 0.25 0.15 1 3.40 4.60 6.90
原料
产品 原料
产品 原料
间接换热
冷 激 剂
原料冷激 多段固定床绝热反应器
产品 非原料冷激
3.列管式固定床反应器
热效应较大，不宜采用绝热式反应器，可采用换热式固定床反应器。此设备如同列管 式换热器，又称为列管式固定床反应器。 如图(d)所示，反应器由多根反应管并联构成，管径一般为25 ~30㎜，管数可达万根 以上。管内装催化剂，传热介质流经管间进行加热或冷却。
di
3.96mm 3.96103 m
Re m
dSG
g 1 B
3.96103 6.2
2.31051 0.44
1906
39
③ 计算床层压降
p
150 Re m
1.75
um2 g
dS
1
3 B
B
L
150 Re m
1.75
G2
dSg
1
3 B
B
L
150 1903
1.75
3.96
6.22 103
2.46
（6）年工作7200，反应后分离，精制过程回收率为9 0%，第一反应器所产环氧乙烷占总产量的90%。
4.2.4 固定床中的传热
• 固定床中的传热组成 颗粒内传热 颗粒与流体间的传热，传热系数 hP 床层与器壁的传热，传热系数 hw、h0
50
拟均相模型 将包括颗粒与气相流体的床层看作为均一的固体物质，其传热特性用一个有效热导
1.绝热式固定床反应器
反应器外壳包裹绝热保温层，使催化剂床层与外界没有热量交换。中空圆筒的底部 放置搁板，上面堆放固体催化剂。气体从上而下通过催化剂床层。
结构简单，床层横截面温度均匀。单位体积内催化剂量大，即生产能力大。但只适用 于热效应不大的反应。
8
原料气
催化剂
绝热式 固定床 反应器
产物
9
1 0.44
0.443
4
1.898105 Pa
40
甲醇制烯烃项目：
改性的 ZSM-5 催化剂其中催化剂的比表面积为 300~600m2/g，孔容体积为 0.3~0.8cm3/g
反应器结构的计算
• 1 催化剂的填充量
• 反应管长度的计算
• 管束尺寸和反应管的排列
pb H
fm
u
2 o
dp
1
53
传热系数的计算(通过传热因子法计算)：
• 式中：
JH
hP GcP
Pr
2 3
JH 传热因子, 无量纲数。
G 气体质量流率kg m2s1
g 气相粘度Pa s cP 气体恒压热容J kg1K1
g 气体导热系数W m1K1 54
Pr --普兰特准数
dQ dt
hP SS TS
TG
52
dQ---单位时间传递的热量，J/h； dt h P ---流体对颗粒的传热系数，J/m2·h·K；
T g --气相主体的温度，K； TS ---为催化剂颗粒外表面处温度，K； SS ---催化剂外表面积，m2； φ ---颗粒表面利用系数，球体 φ = 1，
圆柱体 φ = 0.91， 其他形状 φ = 0.90
成的环隙中，流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动。 径向反应器的优点是流体流过的距离较短，流道截面积较大，床层阻力降较小。
轴向反应器与径向反应器
(a)
(b)
2.多段绝热式固定床反应器
热效应大，常把催化剂床层分成几段(层)，段间采用间接冷却或原料气（或惰性组分） 冷激，以控制反应温度在一定的范围内 。
相对于流化床反应器，固定床反应器缺点 • 催化剂颗粒较大，有效系数较低； • 催化剂床层的传热系数较小，容易产生局部过热； • 催化剂颗粒的更换费事，不适于容易失活的催化剂。
6.1.2 固定床反应器类型
固定床反应器形式多种多样，按床层与外界的传热方式分类，可有以下几类： 绝热式固定床反应器， 多段绝热式固定床反应器， 列管式固定床反应器， 自热式反应器。
•
若B不考虑空床壁效隙层应，体体装填积积有均匀颗1粒的床 颗床层层 粒，其体 体空隙积 积率与颗粒1大小无VV关BP。 1
B P
B－床层堆积密度，P－颗粒密度
31
• 床层空隙率是一个重要的参数，影响因素是颗粒形状及大小、粒度分布、颗粒与床层直 径比和颗粒的装填方式。
• 壁效应 床层空隙率沿床层 径向分布不同，离 壁面约一个粒子直 径处的床层空隙率 最大。
• 降低床层压降的方法： 增大床层空隙率，如采用较大粒径的颗粒； 降低流体的流速，但要考虑这会使相间的传质和传热变差，需综合考虑。
37
例6.1内径为50mm的管内装有4m高的催化剂层，催 化剂为球体，催化剂的粒径分布如表所示。
粒径 dS /mm 3.40
4.60
6.90
质量分率
0.60
0.25
0.15
绝热式固定床反应器可分为轴向反应器和径向反应器。 (1)轴向绝热式固定床反应器 如图(a)所示。这种反应器结构最简单，实际上是一个容器，催化剂均匀堆置于床内
，预热到一定温度的反应物料自上而下流过床层进行反应，床层同外界无热交换。
10
(2)径向绝热式固定床反应器 如图 (b) 所示。径向反应器的结构较轴向反应器复杂，催化剂装载于两个同心圆构
dP dl
150 Re m
1.75
1
3 B
B
gum2
ds
式中：
Re m
: 修正的雷诺数，Rem
dsum g
g 1 B
34
• 厄根（Ergun）方程中其它参数：
um 平均流速空塔气速
l 床层高度 ds 颗粒当量直径
g 气体密度 B 床层空隙率
• 可用来计算床层压力分布。
• 如压降不大，床层各处物性变化不大，可视为常数，压降将呈线性分布。