7多相催化反应器的设计与分析
气固催化反应过程在工业中有广泛的应用。气固催化反应器有多种型式，其中以固定床和流化床最为常见。相比之下，固定床是比较成熟的一类反应器。例如在烃类的催化重整、水煤气变换、甲醇氧化制甲醛以及合成氨等过程均使用固定床反应器，而且其规模也在不断扩大。本章将要讨论固定床催化反应器的类型和特点、反应器内的传递过程、以及反应器设计与优化等一系列工程问题。最后，将针对目前实验室使用的各类固定床反应器进行简单的介绍。具体讲解如下六个方面的内容：
固定床层内的传递现象
固定床的数学模型
绝热式固定床反应器设计与分析
换热式固定床反应器设计与分析
固定床反应器的参数敏感性分析
实验室反应器和应用
7.1固定床内的传递现象
7.1.1 固定床内的流体流动
1.表征床层内催化装填结构的物理量
（１）对固定床是空隙率ε
即
为了简单起见，通常使用整个床层的平均空隙率进行计算。流体流动是通过床层空隙来实现的，流体的流通截面积为εA。但ε不均匀，真实流速u（缝隙速度）也存在分布问题，缝隙速度在壁面附近达到最大。
（２）对流化床是固含率
2.固定床空隙率的径向分布如下图所示：
3.固定床流体流动阻力
固定床层内流体流动从层流状态到湍流状态的转折过程并不明显（与空管中的流体流动相比）。在相同的条件下，可能在床层的一部分处于层流状态，而其它部分则处于湍流状态。流体在床层中流动产生的压降由两部分组成：
颗粒对流体的粘滞曳（ye）力；
形体阻力,空隙变化、流体与颗粒的碰撞（如孔道截面积的突然扩大和收
缩，流体流动方向的改变等）
4.固定床压力降计算公式
讨论园管压力降函数关系：影响压降的因素有ΔP=f(l,d t u,ρ)
分析(l,d t u,ρ)
其中：这是个半径验公式，其中Lr--管长；ρ--流体密度；dp--颗粒直径（或等比外表面积相当直径）；uo--空塔气速。摩擦系数为
其中的雷诺数为
；
雷诺数大时
f=1.75
雷诺数小时
f=150/Re
μ--流体的粘度。由此可以得到：
粒度大时，ε↑，ΔP↓，但催化剂的有效因子较小；
如果颗粒粉化、破碎，那么床层的压降ΔP↑。
例7.1 在充填直径为9mm,高为7mm的圆柱形铁铬催化剂的固定床反应器中，在0.6865MPa下进行水煤气变换反应。反应气体的平均相对分子量为18.96，质量速度（按空床计算）为0.936kg/(s.m2)。设床层的平均温度为689K，反应气体的黏度为2.5×10-5Pa.s。已知催化剂的颗粒密度和床层
的堆密度分别为2000kg/m3及1400kg/m3。试计算单位床层高度的压力降。解：可按式（7.1）计算，由题意知Lr=1m
床层空隙率为：
代入式（７.２）得
再将有关数值代入（7.1）即得单位床层高度的压力降
7.1.2 轴向的传质，传热
轴向传质的彼克列数为
（第五章）
对气体而言
，则
对液体而言
由此可见，气体的返混小于液体的返混．
对混合池模型
对气体而言，，(Pea)m=2,则
T的轴向分布图
7.1.3 径向传质与传热1.径向传热
固定床邻二甲苯氧化制苯酐
固定床反应器的径向温度分布
计算ht的经验公式
对于球型颗粒
（7.6）
对于圆柱型颗粒
2.径向传质
混合池模型
实验测得:当时，（7.8）
当Re>20时，（Pea）m=10
7.2固定床反应器的数学模型
固定床催化反应器和均相反应器的区别如下表所示：
7.2.1 活塞流模型
质量衡算
:
第四章介绍的拟均相一维模型
热量衡算
主流体热容量的变化=反应热+由器壁交换的热第四章，变温管式反应器，均相系统
动量衡算
B.C.
Tc不等于常数时
B.C.
复合反应
(7.15)
(7.16)
(7.17)
7.2.2 轴向分散模型
(7.18)
第五章（5.64）
(7.19)
B.C.
(7.20a)
(7.20b)
(7.20c)
7.3绝热式固定床反应器
绝热式固定床反应器和换热式固定床反应器的区别在与其与外界交换的热能Q 是否等于零。
7.3.1绝热反应器的类型
间接换热原料冷激非原料冷激7.3.2 固定床绝热反应器的催化剂用量（单段）
热量衡算
（7.21）
质量衡算
（7.22）
（7.23）
第一段：；第二段：
（7.24）
（7.25）
例7.2 工业生产中的含酚废液及废气可用催化剂法将酚烧成二氧化碳和水，使其符合排放标准。现拟设计一固定床绝热反应器在0.1013MPa下燃烧含酚气体中的苯酚。标准状态下含酚气体处理量为1200m3/h，苯酚含量分数为
800mg/kg，于473K下进入反应器，要求燃烧后气体中苯酚质量分数为100mg/kg 。采用直径为8mm以氧化铝为载体的氧化铜球型催化剂，在该催化剂上苯酚燃烧反应为一级不可逆反应，反应速率常数与温度的关系为
计算催化剂用量（忽略外扩散阻力）
数据：催化剂性质比表面=140m2/g，颗粒密度=0.9g/cm3,孔容=0.42cm3/g;曲节因子=3；床层空隙率=0.38。反应气体的定压摩尔比热容为30J/（mol.K）,反应热等于-2990kJ/mol。
解：可根据式（7.25）计算催化剂用量。由第6章知球型催化剂上一级不可逆反应时的有效因子为
（A）
梯尔模数
（B）
（C）
（D）质量衡算
热量衡算
（E）
（F）
时，
时，
（G）
（H）
（I）
（J）
7.3.3 多段绝热式固定床反应器（间接换热式）
令
各段按PFR计算
（7.27）