固定床反应器介绍
固定床反应器工作原理
固定床反应器工作原理
固定床反应器是一种常见的化学反应装置，其工作原理基于固定床的设计和反应物质在固定床中通过反应产生化学变化。
在固定床反应器中，反应物质流经固定在反应器内的催化剂床层。
催化剂床层通常是由均匀分散的催化剂颗粒组成。
当反应物质通过床层时，催化剂与反应物之间发生相互作用，触发化学反应。
固定床反应器的特点在于，反应物的流动与催化剂床层的固定形成了一个逐渐被消耗的反应物质流动带。
反应物质从反应器的进料口进入固定床，并流经床层中的催化剂，同时发生化学反应。
在流动过程中，反应物质的浓度逐渐降低，而生成物的浓度逐渐增加。
由于固定床反应器内的催化剂床层是固定的，反应物质通过床层时，催化剂的活性成分将不断参与化学反应，而不会被带走。
这种催化剂的固定状态在反应器运行期间始终保持稳定，并且能够持续地促进化学反应。
此外，固定床反应器还具备良好的热负荷分布和传热特性。
固定床内的催化剂床层由于较大的表面积，能够提供充足的接触面积来促进热的传导和传热。
这有助于保持反应器内的恒定温度，并提高化学反应的效率。
总的来说，固定床反应器通过将反应物质与催化剂在固定的床层中接触和反应，实现了连续、高效的化学反应过程。
这种反
应器在化工领域中广泛应用于各种反应，如催化裂化、加氢、氧化等，发挥着重要的作用。
化学反应工程 第六章 固定床反应器
一、颗粒层的若干物理特性参数
密度
– 颗粒密度ρp
• 包括粒内微孔在内的全颗粒密度；
– 固体真密度ρs
• 除去微孔容积的颗粒密度；
– 床层密度/堆积密度ρB
• 单位床层容积中颗粒的质量（包括了微孔和颗粒 间的空隙）；
p s (1 p ) B p(1 B )
一、颗粒层的若干物理特性参数
i
Wi FA0
i
xi dx A
r xi1
i
也即
Z 0 Ti
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A
0
i 1,2, N
min
Z 0
xi
1 ri
xA xi
1 ri 1
xA xi
0
i 1,2, N 1
对 Z 0 的处理 Ti
Z
Ti Ti
xi dx A
r xi1
i
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A
0
i 1,2, N
按中值定理：
Z
Ti
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A
（xi
x
i
1
)
Ti
• 双套管式、三套管式
流体流向：轴向、径向
固定床反应器的数学模型
拟均相数学模型：
忽略床层中颗粒与流体之间温度和浓度的差别 –平推流的一维模型 –轴向返混的一维模型 –同时考虑径向混合和径向温差的二维模型
固定床反应器名词解释
固定床反应器1. 定义固定床反应器是一种常见的化学反应器，用于进行气体相或液体相的催化反应。
它由一个固定的反应床和进料和出料设备组成。
在固定床反应器中，催化剂通常以颗粒或块状填充在反应床中，进料通过固定床内流动，与催化剂发生反应，并最终得到产品。
2. 结构固定床反应器通常由以下几个主要部分组成：•反应器壳体：通常由金属或合金制成，具有足够的强度和耐腐蚀性能，以承受高温高压下的工作条件。
•反应床：位于壳体内部，用于填充催化剂和提供充分的接触面积。
催化剂可以是颗粒状、块状或其他形式。
•进料装置：用于将原料引入反应床中。
通常包括进料管道、阀门和喷嘴等。
•出料装置：用于将产物从反应床中取出。
通常包括出料管道、阀门和收集装置等。
•加热或冷却装置：用于控制反应器的温度，以保持反应的适宜条件。
•压力控制装置：用于控制反应器内部的压力，以保证安全运行。
3. 工作原理固定床反应器的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：1.进料：原料通过进料装置引入反应床中。
进料可以是气体相、液体相或两相混合物。
2.反应：进料与催化剂在反应床中接触，发生化学反应。
催化剂提供了活性位点，促进了反应的进行。
3.产物生成：经过一定时间的反应，原料转化为产物。
产物随着流体经过固定床而逐渐形成。
4.出料：产物通过出料装置从固定床中取出，并送入下游处理单元进行分离和纯化。
5.催化剂再生：在一些催化反应中，催化剂会逐渐失活。
此时需要对催化剂进行再生或更换。
4. 特点和优势固定床反应器具有以下特点和优势：•高效性：由于固定床中填充了催化剂，反应物与催化剂之间的接触面积大，反应效率高。
•稳定性：固定床反应器在运行过程中，催化剂相对稳定地停留在床层中，不易流失和损坏。
•可控性：通过控制进料速率、温度和压力等参数，可以实现对反应过程的精确控制。
•适用性广：固定床反应器适用于多种气相和液相反应，可用于生产各种化学品和燃料等。
5. 应用领域固定床反应器广泛应用于工业生产和实验室研究中。
固定床反应器的日常运行与操作
通过优化固定床反应器的操作和催化剂性能，该机构在化 学反应研究和催化剂开发方面取得了重要突破，为相关领 域的发展提供了有力支持。
THANKS
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VS
操作员需要通过控制加热和冷却介质 流量来调节反应器的温度。在启动反 应器前，需要预热至适宜的温度，避 免因温度过低导致催化剂失活或因温 度过高导致催化剂烧结。同时，需要 密切关注温度变化，防止因温度过高 或过低对反应结果产生不利影响。
压力调节
压力对固定床反应器的操作具有重要影响，压力波动可能导致催化剂失活或机械 故障。
工作原理
在固定床反应器中，反应物料通过催化剂床层进行化学反应 。催化剂固定在反应器内，不随物料一起流动。反应过程中 ，温度和压力等条件可控制，以获得最佳的反应效果。
流程
固定床反应器的操作流程包括进料、反应、出料等步骤。进 料前需对催化剂进行活化或预处理，出料后通常还需进行后 处理或分离操作。根据不同的化学反应和工艺要求，固定床 反应器的操作参数和流程会有所不同。
03
固定床反应器的操作技巧
进料控制
控制进料流量是固定床反应器操作的关键，流量过快或过慢 都可能影响反应效果。
操作员需要根据反应需求，通过调节进料泵的转速或阀门的 开度，保持稳定的进料流量。同时，需要定期检查进料管线 是否堵塞或泄漏，确保进料流量稳定且符合工艺要求。
温度调节
温度是化学反应的重要参数，对固 定床反应器的温度进行精确控制至关 重要。
优化换热系统
改进换热器设计，提高换 热效率，降低热量损失。
能耗监测与控制
实时监测能耗数据，通过 智能控制技术优化能耗， 降低运行成本。
安全性能提升
安全防护措施
01
安装安全阀、防爆膜等安全设施，预防超压、过热等危险情况。
固定床反应器的详细介绍
固定床反应器的详细介绍又称填充床反应器，内部装填有固体催化剂或固体反应物，以实现多相反应。
固体物通常呈颗粒状，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。
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。
优点：（1）催化剂机械磨损小。
（2）床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。
（3）由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率。
（4）可在高温高压下操作。
缺点：（1）固定床中的传热较差。
（2）催化剂的再生、更换均不方便，催化剂的更换必须停产进行。
（3）不能使用细粒催化剂，但固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。
目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。
固定床反应器的分类（一）按传热方式分类1、绝热式反应器绝热式固定床催化反应器在反应过程中，床层不与外界进行热量交换。
其最外层为隔热材料层（耐火砖、矿渣棉、玻璃纤维等），常称作保温层，作用是防止热量的传出或传入，减少能量损失，维持一定的操作条件并起到安全防护的作用。
绝热式反应器可分为单段绝热式反应器和多段绝热式反应器。
（1）单段绝热式反应器一般为高径比不大的圆筒体，结构简单，生产能力大，但反应过程中温度变化较大。
适合的反应：①反应热效应较小的反应。
②温度对目的产物收率影响不大的反应。
③虽然反应热效应大，但单程转化率较低的反应或者有大量惰性物料存在，使反应过程中温升小的反应。
（2）多段绝热式反应器催化剂床层的温度波动较小，但结构比较复杂，催化剂装卸困难。
多段绝热反应器按段间换热方式的不同可分为三类：①间接换热式②原料气冷激式③非原料气冷激式2、换热式反应器当反应热效应较大时，为了维持适宜的温度条件，必须利用换热介质来移走或供给热量。
化学反应工程：固定床反应器
B
式中，RH —— 水力半径。
6.2.2 床层压降 床层压降是固定床反应器设计的重要参数，要求床层压 降不超过床内压力的15%。 床层压降的计算 （1）
p d S 2 u L m
3 B 150 1 R 1.75 B eM
h0可由经验公式计算
（6-31）
h0 d p
d p e 2 (b) [a1 ] dt y
（6-32） （适用范围：y > 0.2）
式中， y —— 无量纲数
4e L 4(d p / dt )(L / dt )(e / ) y 2 Gcp dt Pr Rep
b —— 无量纲数
（6-44）
其中
Re G /(Se )
6.3 拟均相一维模型
概述
一、拟均相模型 忽略床层中催化剂颗粒与流体之间温度与浓度差别，将气相反应 物与催化剂看成均匀连续的均相物系。 （1）一维拟均相模型 只考虑沿气体流动方向的温度和浓度变化。根据流动形式还可分 为平推流一维模型和轴向分散一维模型。 （2）二维拟均相模型 同时考虑轴向和径向的温度和浓度分布。 二、非均相模型 考虑颗粒与流体之间的温度差和浓度差。 一般来说，模型考虑得越全面，对过程模拟越精确，但计算工作 量也越大，甚至无法求解。因此，在工程计算允许的误差范围内应尽 可能选用简单模型。
流体与颗粒间传热温差的计算 热量平衡
H ArA hp am (tG tS ) hp amt
式中，am Se / B —— 单位重量催化剂的外表面积； —— 床层比表面积Se的校正系数。
球形： 1 圆柱形： 0.9 片状： 0.81 无定形： 0.9 ； ； ；
固定床反应器.ppt1
优点
1.化学反应速率较快、在完成同样的生产能力时 所需的催化剂和反应器体积较小。 2.可以严格控制停留时间，调节温度的分布。 3.催化剂可连续使用。 4.可在高温、高压条件下操作。
存在的不足
1.催化剂载体导热性不良，床层中的传热性 能较差。可能出现“飞温”。 2.如果使用的催化剂较小颗粒，会造成流体 阻力增大，破坏正常操作，使得催化剂的 活性内表面得不到充分利用。 3.催化剂的再生、更换不方便。
多段绝热式固定床反应器
﹙a﹚ 中间换 热式
﹙b﹚中间 换热式
﹙c﹚中间 换热式
﹙d﹚冷激式
﹙e﹚ 冷激式
以各种载热体为介质的对外换热式 反应器多为列管是结构如下图所示 类似于列管式换热器
列管式固定床反应器中，合理选择载热体及其温度的控制是保 持反应稳定进行的关键。载热体的温度与反应温度的温差宜小 ，但必须移走反应过程中释放出的大量热量。这就要求有较大 的传热面积和传热系数。
二、固定床反应器的类型与结构 为适应不同的传热要求和传热方式，已 出现多种固定床反应器结构形式。主 要分为绝热式和换热式两类。 绝热式固定床反应器又可以分为单段式 和多段式。 换热式固定床反应器按换热介质不同可 分为对外换热式和自然式。 按照反应气体在催化床中的流动方向， 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绝热式 轴向绝热式和 固定床反应器可分为轴向绝热式和径向 绝热式。 绝热式。
载热体的选择 240 ℃以下 250-300 ℃ 300-500 ℃ 600 ℃以上 加压热水 导热油 熔盐 烟道气
何谓热点？ 一般沿轴 向温度分 布都有一 最高温度 ，称为“ 热点”。 在热点以前放热速率大于移热速率，则床层温度升高，热点过 后恰恰相反，故床层温度逐渐降低。控制热点温度是使反应顺 利进行的关键。热点温度过高，使反应选择性降低催化剂变劣 甚至使反应失去稳定性而产生“飞温”。
第六章_固定床反应器详解
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。
26
6.2 固定床的传递特性
• 气体在催化剂颗粒
之间的孔隙中流动，
较在管内流动更容
补充水
产物
4. 自热式反应器
采用反应放出的热量来预热新鲜的进料，
达到热量自给和平衡，其设备紧凑，可用
于高压反应体系。
但其结构较复杂，操作弹性较小，启动反
应时常用电加热。
24
6.1.3 传热介质
•传热介质的选用根据反应的温度范围决定， 其温度与催化床的温差宜小，但又必须移走 大量的热，常用的传热介质有： 1.沸腾水：温度范围100~300℃。使用时需注 意水质处理，脱除水中溶解的氧。 2.联苯醚、烷基萘为主的石油馏分：粘度低 ，无腐蚀，无相变，温度范围200~ 350℃
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 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）
8
原料气
绝热式
催化剂
固定床 反应器
产物
9
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
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对外换热式
有利于提高床层温度，提高反应速率，缺点结构复杂，费用较高。
对外换热式结构
加氢反应器结构示意图
催化剂评价装置
固定床反应器实物
结
束
谢
谢
！
径向固定床反应器
床层同外界无热交换，流体流动的距离较短,流道截面积较大,流体的压力降较小。 但径向反应器的结构较复杂。
单段绝热式
应器结构简单，生产能力大,适用于绝热温升较小的反应 ,缺点是反应 过程中温度变化较大。
多段绝热式
多段绝热式固定床反应器适应反应热效应较大、反应速率较慢的反应, 结构简单，操作方便，能适应大系统生产的特点，
气-固相催化反应器的特点
固定床反应器的工作原理
凡是流体通过静态固体颗粒形成的床层而进行 化学反应的设备都称作固定床反应器。 分为气-固相催化反应器和液-固相催化反应器 两种。 其中以气态反应物料通过由固体催化剂所构成 的床层进行化学反应的气-固相催化反应器在化工 生产中应用最为广泛。
固定床反应器的原理
固定床反应器的结构形式
管式固定床反应器
径向固定床反应器 单段绝热式
多段绝热式
对外换热式
对外换热式结构
固定床反应器的实物
管式固定床反应器
列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应,可将多个绝热反应器串联成 多级绝热式固定床反应器,反应器之间设换热器或补充物料以调节温度，以便在 接近于最佳温度条件下操作。
固定床反应器的介绍
固定床反应器
一、固定床反应器的工业背景
二、固定床反应器的工作原理
1、固定床反应器的工作原理
2、固定床反应器的原理动画
三、固定床反应器的结构形式 四、固定床反应器的工艺仿真说明
1、固定床反应器的DCS图 2、固定床反应器的现场图
固定床反应器的工业背景
反应器是化工生产中的关键设备，是人们通过一定 的手段抑制副反应、提高转化率、提高生产能力的化学 反应设备。
在反应器内不仅有化学变化过程，还有传质和穿热 过程。
按反应物系聚集状态可分为均相和非均相反应器；
按换热方式分类有绝热式、对外换热式和自热式；
以反应器的结构形式又可分为釜式、管式、塔式、 固定床和流化床等反应器。
主要优点 床内流体呈理想置换流动，流体停留时间可严格 控制，温度分布可适当调节。 催化剂用量少，反应器体积小，催化剂的颗粒不 易磨损，可在高温高压下操作等。 主要缺点 流体流速不能太快，传热性能差，温度分布不易 控制均匀. 在放热反应中，换热式反应器轴向位置存在“热 点”，易造成“飞温”； 不能使用细颗粒的催化剂，且催化剂的再生和更 换不便。