固定床层结构
化工原理：3.5-固定床
3.5.1 固定床的床层简化模型
流体通过固定床的阻力：
清液
滤饼
过滤介质
数值上等于床层中所有颗粒所受曳力的总和。
确定流体通过床层阻力的方法－－实验方法
流动情况：流体在床层的空隙中流动； 复杂性：孔道的形状、数目、流动状态随机 孔道中流动属层流，但局部出现湍流 处理方法：简化床层→管外流问题为管内流问题 优点：用简化的模型来代替床层内的真实流动，便 于用数学方法来处理，然后再通过实验加以校正 。
简化模型条件
3.5.1 固定床的床层简化模型
（ 1 ）颗粒床层由许多平行的细管组成，孔道长度与 床层高度成正比；
l ' cL
c 1
u —— 空床流速
u’—— 孔道内流速
s0—— 床层自由截面积分率 l’ ——细管长度
u u u' S0
（2） 孔道内表面积之和 等于全部颗粒的表面积
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
p f
(1 ) 2 u u 2 (1 ) 150 1.75 3 2 3 L da da
称为欧根（Ergun）方程。
3.5.3 欧根方程的其它形式
p f (1 ) 2 u u 2 (1 ) 150 1.75 3 2 L da da 3
fF与ReP/(1-ε定床层的阻力
模型:流体通过固定床层的流动可看作是直管内的流动问题。 (1) 流体层流流动 用哈根 — 泊谡叶（ Hagen—Poiseuille ）方程计算
床层的阻力：
结合实验结果
32 cLu p f d e2
p f
l ' cL
(1 ) 2 u 150 L 3 d a2
第六章 固定床
水力半径
• 湿周---在总流的有效截面上，流体与固体壁面的接 触长度称为湿周，用字母L表示。
• 水力半径---总流的有效截面积A和湿周L之比。用字
母RH表示
RH = A / L
44
• 对于圆形截面的管道，其几何直径用水力半径表示 时可表示为
• A=(1/4)×πd2 • L=πd • 则 R=A/L=(1/4)×d → d = 4 R
当ReM>1000 湍流, 局部阻力损失为主, f≈1.75 , 略去第一项
结论： 对ΔP影响最大的是ε和u
49
Pf L
'(duSm 2 )(1B3B)
f ' 1501.75 ReM
一般床压不宜超过床内压力的15%，所以颗粒不 能太细，应做成圆球状。
50
➢ 压降的计算 ΔP=ΔP1+ ΔP2
= 15fu 0 OG L 0(1)21.75fuO 2 G L 0(1)
dS 2
3
dS
3
Pa
式中混合物的粘度
1
yi
fi M
2 i
f
1
yiM
2 i
kg/m.s
51
6.3 固定床中的传热
传热包括： 粒内传热，颗粒与流体间的传热，床层与器壁的传热
给热系数 αP 给热系数αW ,λer 总给热系数α t
当单纯作为换热装置时，以床层的平均温度tm与 管壁温差为推动力-----总给热系数αt
n
算术平均直径： d xWidi i1
调和平均直径：
1 n xWi
d
d i1 i
几何平均直径：
di
didi
30
6.2.3 床层空隙率及分布
绝热式固定床反应器
小结
固定床反应器的分类；
固定床反应器的结构； 固定床催化反应器的特点 。
作业布置
1. 固定床反应器可分为哪几种？
2. 简述不同类型固定床反应器的结构及 特点。
3. 简述固定床催化反应器的优缺点。
1.单段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。
原料气
绝热式
催化剂 固定床 反应器
产物
固定床反应器
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。
固定床反应器的结构
固定床催化反应器
传热方 式不同
绝 热 式
换 热 式
自 热 式
（一）绝热式固定床反应器
绝热式反应器又分为单段和多段绝热式 两类，反应时不与外界进行任何热量交换。 放热反应，反应中多放出的热量完全用来加 热物料本身，物料的温度将升高，称之为 “绝热温升”。反之，为吸热反应时，物料 的温度将降低，称为“绝热温降”
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。
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。
练一练
1.固定床反应器内的催化剂可以长 期使用的原因。 2.分析为什么列管内催化剂颗粒不 宜过大，也不宜过小？
固定床反应器的设计—固定床反应器特点与结构
间接换热式催化剂床层绝热操作方程
A-B 反应 x↑
B-C 换热 x不变
C-D 反应 x↑
D-E 换热 x不变
E-F 反应 x↑
F-G 换热 x不变
绝热操作线方程式： 表达温度与转化率的 关系。
反应热效应、绝热温 升、热熔、密度一定 时，反应段斜率相同
1.绝热式固定床反应器
（3）多段式催化床层温度的分布：间接换热式催化剂床层温度分布 和冷激（直接换热）式催化剂床层温度分布
1.绝热式固定床反应器
（2）多段式：有多段催化剂床层，反应和冷却间隔进行。 适应场合：反应热效应较大，反应速率慢的反应。 中间间接换热式：床层间加换热器（），调节温度。如：水煤气转换、二氧化硫的
氧化反应
1.绝热式固定床反应器
（2）多段式：有多段催化剂床层，反应和冷却间隔进行。 适应场合：反应热效应较大，反应速率慢的反应。
中间间接换热式：床层间加换热器（换热盘管），调节温度。如：环己醇脱氢制环己酮 及丁二醇脱水制丁二烯 。
换热盘管
1.绝热式固定床反应器
（2）多段式：有多段催化剂床层，反应和冷却间隔进行。适应反应 热效应较大，反应速率慢的反应。
冷激式：用冷流体直接与上一段出口气体混合来实现降温。多适应于工业上高压力操
•以高温烟道气为载体， 将反应所需热量在反应 管外通过管壁传给催化 剂层
生产实例：乙苯催化脱 氢制备苯乙烯。
2、换热式固定床反应器
（1）外换热式：以各种载热体为换热介质的对外换热式反应器多为 列管式结构。 载热体选择：
低于240℃----加压热水 250—300 ℃ -----导热油 300 ℃ -----熔盐（KNO353%，NaNO27%、NaNO340%） 600—700℃左右----烟道气
固定床反应器的结构
固定床反应器的结构固定床反应器是化学反应过程中一种常用的反应装置，通常用于催化反应或氧化反应。
与流动床反应器相比，固定床反应器具有操作简单、装置体积小、节能等诸多优点。
本文将从结构方面介绍固定床反应器的结构。
固定床反应器主要由反应器本体、进料系统、排放系统、催化剂填料层等四个部分组成。
其中，反应器本体是整个反应装置的核心部分，由反应器壳体、隔板、固定床支撑、固定床填料等组成。
进料系统则是将原料送入反应器本体的渠道，同时还包括物料输送设备。
排放系统则是将反应产物从反应器中取出的系统。
最后催化剂填料层为反应器提供催化剂动力学性能的支撑体系。
反应器本体反应器本体的壳体与隔板主要起到将反应物料与催化剂填料完全隔离的作用。
隔板的设计需要考虑到反应物流粘度、温度、压力等因素，以保证反应物能够在反应器内部得到合适的处理。
一般来说，反应器的壳体应该采用合适的合金材料，以满足耐腐蚀、耐高温、耐压等性能要求。
同时为了便于维修和检修，还应该在壳体内设置检查口。
反应器本体内的固定床支撑通常安放在隔板上，用于支撑固定床填料层，同时固定床支撑还需要具备较好的耐高温、耐震动、耐腐蚀以及质量稳定等性能，以保证整个反应系统的安全运行。
为了提高反应器内的催化剂填料均匀性，通常采用分层式催化剂填料结构，在固定床填料层中安排不同尺寸、不同形状的催化剂，以达到均匀分布的目的。
进料系统进料系统主要包括输送设备和进料渠道等。
为了满足不同的反应物要求，在进料系统中通常安装具有不同功能的输送设备，如阀门、泵等。
催化剂填料层的位置和是否增加固定道等都是进料系统中需要考虑的因素。
排放系统排放系统通常有两种设计方案，一种为单口设计，另一种为多口设计。
多口的反应器能够彻底分离反应物与反应产物，不同口的控制带动整个装置的效率稳定。
单口的反应器则更直接、不用配置复杂设备，相对更方便。
排放系统的设计需要考虑排放产物时的温度、压力问题。
催化剂填料层催化剂填料层在反应器中的地位至关重要，因为其直接影响着化学反应的效果。
固定床的特点及应用
蚀，无相变，温度范围200~ 350℃
3.熔盐：温度范围300℃～400℃，由无机熔盐KNO3、NaNO3、NaNO2按
一定比例组成，在一定温度时呈熔融液体，挥发性很小。但高温下渗
透性强，有较强的氧化性。
4.烟道气：适用于600～700℃的高温反应。
32
汽化 效率高 选择性提高
压力高
温度易控 投 资 大 设 备
其中以利用气态物质为反应物料，通过由固体催化剂所构 成的床层进行反应的气固相催化反应器在化工生产中应用最为 广泛。
固定床反应器 - 基本原理
• 又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用
以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒
径2～15mm左右,堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止 不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器及移动床反
特点：传热面积大，传热效果 好，易控制催化剂床层温度， 反应速率快，选择性高。 缺点：结构较复杂，设备费用高。 应用：能适用于热效应大的反应。
列管式固定床反应器
二〉换热式固定床反应器
✪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。
应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用
于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、 烃类蒸汽转化炉等。用于气固相或液固相非催化反应时，床层
则填装固体反应物。涓流床反应器也可归属于固定床反应器，
气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。
• 涓流床反应器，是固流床三相反应器之一。指在反应器中，气液成逆 流或气液向下并流，液体以薄膜形式与气体接触的三相床反应器。液 体流为非连续相由上而下流动。用于石油产品的加氢脱硫、脱氮、脱 钒、脱金属和加氢裂化，丙烯水合和废水处理等过程。滴流床的优点 是接触时间分布较窄，且可在进入反应区前脱除毒物。床内流动接近 平推流可获得高转化率；荷液量低，可减少加氢脱硫时油品热裂解， 缺点是低液流速率，液体与催化剂的比例较低，可能形成局部的温度 与浓度梯度，甚至不完全润湿，影响反应效果；径向传热差，易于局 部过热而导致失活；在催化剂颗粒较大、反应速率较快时，内扩散影 响会导致有效系数低落；长期操作中，积炭、污垢等会使催化剂孔口 堵塞，影响寿命。
第五章 固定床气-固相催化反应器
连续换热式固定床催化反应器的分类
⑴按反应管的形式，可分为：单管式、双套管 式和三套管式 ⑵按热源，可分为：外热式和自热式，又分有 内冷自热式、外冷列管式、外部供热管式三 种。 ⑶按冷热气体的流向，可分为：并流式和逆流 式 ⑷按反应气体在催化床中的流动方向，可分为： 轴向反应器和径向反应器。
自热式反应器
缺点：结构较复杂，设备费用高。 适用: 能适用于热效应大的反应。原料成本高，副 产物价值低以及分离不是十分容易的情况。
加压热水作载热体的反应装置
以加压热水作载热体的固定床反应装置示意图
1-列管上花板；2-反应列管；3-膨胀圈；4-汽水分离器；5-加压热水泵
用有机载热体带走反应热的反应装置：
反应器外设置载热体冷却器，利用载热体移出的反 应热副产中压蒸汽。 1-列管上花板； 2、3-折流板； 4-反应列管；
外冷列管式催化床
用于放热反应，催化剂装载在管内， 以增加单位体积催化床的传热面积。载热 体在管间流动或汽化以移走反应热。 载热体的选择：合理地选择载热体是 控制反应温度和保持稳定操作的关健。载 热体的温度与催化床之间的温差宜小，但 又必须移走大量的反应热。反应温度不同， 选用的热载体不同。
一般反应温度在200—250℃时，采用加压 热水汽化作载热体而副产中压蒸汽； 反应温度在250~300℃时，可采用挥发性 低的有机载热体如矿物油，联苯—联苯醚 混合物； 反应温度在300℃以上时，采用熔盐作载 热体，熔盐吸收的反应热都用来产生蒸汽。 无机熔盐(硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混 合物, KNO353%，NaNO37%，NaNO240% ) 可用于300～400℃的情况。
（1）列管式固定床反应器 这种反应器由多根管径通常为25~50㎜ 的反应管并联构成，但不小于25mm。管数可 能多达万根以上。管内装催化剂，催化剂粒 径应小于管径的8倍，通常固定床用的粒径 约为2～6mm，不小于1.5mm。载热体流经管 间进行加热或冷却。在管间装催化剂的很少
化工反应过程之固定床反应器
化工反应过程之固定床反应器固定床反应器是一种常见的化工反应器，广泛应用于工业生产中的催化反应、气体吸附分离、气体净化等领域。
它的特点是反应物固定在反应器内的催化剂床层上，反应过程中通过流体将反应物质质量传递到催化剂表面进行反应，反应生成物质通过床层离开反应器。
固定床反应器的结构主要由反应器本体、进料管、排料管和反应器床层组成。
反应器本体通常由金属材料制成（如不锈钢），具有良好的发热、承压和耐腐蚀性能。
进料管在反应器底部引入反应物质，排料管则在反应器顶部将反应生成物排出。
床层是固定床反应器的核心部分，通常由催化剂颗粒物质装填而成，具有大的比表面积和较高的孔隙度，以提供足够的反应表面积和反应空间。
固定床反应器在化工生产中具有重要的应用。
首先，它广泛用于催化反应。
在固定床反应器中，催化剂床层有效地提供了反应的活性表面，使得反应速率得以提高。
例如，加氢反应、氧化反应、脱氢反应等都可以使用固定床反应器进行。
其次，固定床反应器也被用于气体吸附分离和气体净化。
吸附剂床层能够吸附特定成分，实现气体组分的分离和纯化。
此外，固定床反应器还适用于颗粒物质的固液分离、固气分离等过程。
固定床反应器的工作原理主要包括质量传递和物质平衡两个方面。
在反应物进入床层前，需要先经过预热区，以使其达到适宜的反应温度。
之后，在床层内发生质量传递过程，即反应物质通过流体传递到催化剂表面，发生化学反应。
在反应过程中，需要保持适宜的温度和压力条件，以提供反应的最佳反应速率和选择性。
反应生成物质则随着流体一起流出固定床反应器。
固定床反应器的优势在于：一、反应物质与催化剂的接触充分，反应效率高；二、催化剂寿命长，催化剂载体不易破碎；三、床层的填料物质易于更换和维护；四、反应器体积相对较小，能够实现高度效能的连续化生产。
然而，固定床反应器也有一些缺点需要克服。
首先，反应床层在长时间运行后会出现积碳、堵塞等现象，需进行定期清洗和更换床层。
其次，固定床反应器对反应物料的物理性质要求较高，如化学性质、颗粒度等。
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固定床反应器的常见结构
固定床反应器的结构型式主要分为绝热式和换热式两类，以适应不同的传热要求和传热方式。
1.绝热式固定床反应器
1.1单段绝热式
绝热式固定床反应器甲醇氧化的薄层反应器
1-矿渣棉2-瓷环3-催化剂 1-催化剂 2-冷却器
特点：反应器结构简单，生产能力大。
缺点：反应过程中温度变化较大。
应用：适用于反应热效应不大的放热反应，反应过程允许温度有较宽变动范围的反应；热效应较大的，但对反应温度不很敏感或是反应速率非常快的过程也可适用。
1.2多段绝热床
多段绝热式固定床反应器
(a)、(b)、(c)中间换热式；(d)、(e)冷激式
根据段间反应气体的冷却或加热方式，多段绝热床又分为中间间接换热式和冷激式。
中间间接换热式
特点：催化剂床层的温度波动小。
缺点：结构较复杂，催化剂装卸较困难
应用：适用于放热反应
冷激式
特点：反应器结构简单，便于装卸催化剂，催化剂床层的温度波动小。
缺点：操作要求较高
应用：适用于放热反应，能做成大型催化反应器
2、换热式固定床反应器
按换热介质不同，可分为对外换热式固定床反应器和自热式固定床反应器。
2.1、对外换热式固定床反应器
以各种载热体为换热介质的对外换热式反应器多为列管式结构，类似于列管式换热器。
列管式固定床反应器
特点：传热面积大，传热效果好，易控制催化剂床层温度，反应速率快，选择性高。
缺点：结构较复杂，设备费用高。
应用：能适用于热效应大的反应。
载热体的选择：一般反应温度在240℃以下宜采用加压热水作载热体；反应温度在250℃～300℃可采用挥发性低的导热油作载热体；反应温度在300℃的则需用熔盐作载热体，如KNO353%，NaNO37%，NaNO240%的混合物。
加压热水作载热体的反应装置。
以加压热水作载热体的固定床反应装置示意图
1-列管上花板；2-反应列管；3-膨胀圈；4-汽水分离器；5-加压热水泵
用有机载热体带走反应热的反应装置。
反应器外设置载热体冷却器，利用载热体移出的反应热副产中压蒸汽。
以道生油作载热体的固定床反应装置示意图
1-列管上花板；2、3-折流板；4-反应列管；5-折流板固定棒；6-人孔；7-列管下花板；8-载热体冷却器
以熔盐作载热体冷却装置在器内的反应装置。
以熔盐为载热体的反应装置示意图
1-原料气进口；2-上头盖；3-催化剂列管；4-下头盖；
5-反应气出口；6-搅拌器；7-笼式冷却器
2.2自热式固定床反应器
如图是三套管并流式催化床的气体温度分布和操作状况图。
三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况
特点：反应床层中温度接近最佳温度曲线、反应过程中热量自给。
缺点：结构复杂，造价高，催化剂装载系数较大。
应用：只适用于较易维持一定温度分布的热效应不大的放热反应，能适用于高压反应。
2.3其他型式固定床反应器
气固相固定床催化反应器除以上几种主要型式外，近年来又发展了径向反应器。
按照反应气体在催化床中的流动方向，固定床反应器可分为轴向流动与径向流动。
轴向流动反应器中气体流向与反应器的轴平行，而径向流动催化床中气体在垂直于反应器轴的各个横截面上沿半径方向流动，如图所示
径向固定床催化反应器示意图
径向流动催化床的气体流道短，流速低，可大幅度地降低催化床压降，为使用小颗粒催化剂提供了条件。
径向流动反应器的设计关键是合理设计流道使各个横截面上的气体流量均等，对分布流道的制造要求较高，且要求催化剂有较高的机械强度，以免催化剂破损而堵塞分布小孔，破坏流体的均匀分布。