第6章 气-固相催化反应器设计

❖固定床反应器： 固体催化剂颗粒 堆积起来静止不 动，反应气体自 上而下流过床层；
3
❖流化床反应器：
流化床
固体催化剂颗粒被
自下而上流动的气 体反应物夹带而处 于剧烈运动的状态。
4
绝热式固定床反应器
① 结构简单 ② 高空速 ③ 很少催化剂损耗 ④ 很小气固返混 ⑤ 较长的扩散时间及距离 ⑥ 高床层压降 ⑦ 床内取热供热困难 ⑧ 催化剂取出更新困难
① 外扩散 ② 内扩散 ③ 吸附 ④ 表面反应 ⑤ 脱附 ⑥ 内扩散 ⑦ 外扩散
12
外扩散、内扩散是物理过程； 吸附、脱附和表面反应则是化学过程，又称 为动力学过程或表面过程。 以上七个步骤是前后串联的。
外扩散 内扩散 吸附表面反应脱附 内扩散 外扩散 表面过程
13
七个步骤中，速率特别慢的一步称为控制 步骤。该速率决定实际反应所达到的速率。 控制步骤是一个扩散过程，则称为扩散控 制，又称传质控制；控制步骤是吸附、表 面反应或脱附，则称为动力学控制。动力 学控制又可分为吸附控制、表面反应控制 和脱附控制。
第6章 非均相流固催化反应器
1
6.1 概述
流固催化反应器是气相或/和液相反应物借助 于固相催化剂进行反应的设备，包括气-固、 气-液-固、液-固三类催化反应器。
气固相催化反应器可分两大类：固定床反应 器和流化床反应器。
由于这两类反应器中固体催化剂颗粒运动状 态不同，其反应性能也有显著差别。
本章主要叙述气-固相反应的概念、特征及反应器计算 2
③ 反应器操作弹性与容积生产能力较大。
7
相对于流化床反应器，固定床反应器 缺点：
① 催化剂颗粒较大，有效系数较低； ② 催化剂床层传热系数较小，容易产生局
部过热； ③ 催化剂的更换费事，不适于容易失活的

流体在固定床中的流动，与空管中的流体流动相似，只是流 道不规则而已。故此可将空床中流体流动的压力降计算公式修正 后用于固定床。
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.2 床层压降
《化学反应工程》
2 um 1 B p a. 厄根方程 f '( )( ) 固定床压力降计算公式： 3 L dS B
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
气－固相催化反应器
固定床 反应器
流化床 反应器
绝热式
换热式
自热式
单段绝热
多段绝热
内冷式
外冷(热)式
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
固定床反应器的种类
（1）绝热式反应器
单段绝热床反应器
多段绝热床反应器
第6章 固定床反应器
6.1 概述
s （dV / da )2
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.1 粒子直径和床层空隙率
《化学反应工程》
平均直径dP:是指不同大小颗粒直径的平均值。
①算术平均法 :
d p xi d i
i 1
xi为直径等于di的颗粒所占的质量分数。
n
②调和平均法:
n xi 1 d p i 1 d i
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
固定床反应器的种类
（3）自热式反应器
甲烷化炉 CO+3H2 CH4+H2O
CO2+4H2
CH4+2H2O
强放热反应
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》

一、空隙率
2、影响空隙率的因素
颗粒形状、颗粒粒度分布、颗粒表面粗糙度、充填方式、 颗粒直径与容器直径之比等
颗粒形状
影响因素 越接近球形
颗粒装填方式 颗粒的粒度分布
越紧密 越不均匀
颗粒表面的粗糙度
越光滑
ε 越小 越小 越小
越小
3、壁效应
一、空隙率
一、空隙率
ε径向分 布并不均匀， 贴壁处最大， 离壁1～2 dp处ε较大， 而中心处空 隙率较小。
擦产生。 （2）局部阻力：流体在孔道内的收缩、扩大
及再分布所引起的。 低流速时，摩擦阻力为主； 高流速及薄床层中流动时，以局部阻力为
主。
三、 流体流过固定床层的压力降
2、影响固定床压力降的因素 （1）属于流体的：气流速度★、流体的粘度、
密度等物理性质。
流体的物理性质是由操作工艺确定的； 降低气流速度，可以降低床层压降。
小结：
1、关于空隙率 存在壁效应，床径与粒径之比大于8可忽略；
4.1 气固相催化反应器的基本类型和结构
气－固相催化反应器的基本类型
气－固相催化反应器
固 定床 反应器
流 化床 反 应器
绝热式
换热式
多 段绝 热
单段绝热
对外换热
自热
一、固定床反应器的类型与结构
（一）绝热式固定床反应器 1、单段绝热式
一、固定床反应器的类型与结构
➢特点：结构简单，反应器生产能力大，但反 应过程中温度变化较大。 ➢适用： 反应热效应不大，反应过程允许 温度有较 宽变动范围的反应过程； 热效应较大的反应只要对反应温度不很敏感 或是反应速率非常快的过程，有时也使用这 种类型的反应器。
径约为2～6mm，不小于1.5mm。 ➢ 传热所用的热载体： 沸水可以用于100℃～300℃的温度范围。 联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏

A 相当直径
按等外表面积的圆球直径计算：
dp
6V
p
1/ 3
按等体积的圆球直径计算：
Dp
Sp
国家精品课程
按等比表面积的圆球直径计算： ds 6 6VP SV SP
SV ―― 单颗粒的比表面积，
SV
SP VP
B. 形状系数φs
s
Ss SP
颗粒与圆球的差异程度
Sp -------------- 非球形颗粒的外表面积 Ss -------------- 等体积的圆球的外表面积
外加热管式炉 外冷却管壳式反应器 内冷式
国家精品课程
国家精品课程
3. 反应器模型
拟均相认为粒内、外温差、浓差
动力学 可以忽略，引入校正系数
非均相考虑粒内外
Tg Cg
TS , CS
TS , CS
TC CC
温度场、浓度场分布
一维仅考虑沿流向 T、C变化
二维同时考虑 垂 沿直 流于 向流向 的
求出 dN A dVR
dyA
d 0
算出 1 COR
d 0
dyA
绘
1 COR
d 0
dy A
～x图
求出出口yA与Tb关系
国家精品课程
数值法求解
dyco dl
COR W0
dyco
d 0
dT dl
(H R Cpb
)
dyco dl
dym dl
COR W0
dym
d 0
dT (HR ) dym dl Cpb (1 2 ym ) dl
传热能力差，传热与控温问题是固定床反 应器开发中的难点；
床层压降大。为避免床层压降过大，固定 床反应器中催化剂粒度一般不小于1.5mm， 对快速反应，可能导致较严重的内扩散影 响；