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1、特点： 固定床中催化剂不易磨损，可长期使用； 床层中的流体接近于平推流，与返混式反应器相比，具有反应速度快的优点； 停留时间可以严格控制，温度分布可适当调节，特别有利于高的选择性和转化率。,6.2 固定床催化反应器的选型,6.2.1固定床反应器的特点,缺点如下： 催化剂更换必须停产进行，从而影响到反应器生产能力； 传热性能差，因此对热效应大的反应过程（占反应中很大比例）。,传热与控温便成为固定床技术中的难点和关键所在。,6.2.2固定床反应器主要型式,一、绝热床反应器,该反应器适合于反应热效应不大，反应温度的允许范围又较宽的情况。,1、单层绝热床反应器,包括间接换热式和层间冷激式。 间接换热式
2、由于层间体积不可能很大，故适合于换热量不大的反应。,2、多段绝热床反应器,对外换热式,二、换热式固定床反应器,以列管式为多，通常是在管内放催化剂，管间走热载体（若用高压水或高压蒸汽作热载体时，则将催化剂放在管间，使管内走高压流体）。,管径的大小应根据反应热和允许的温度而定，一般为2550mm的管子，但不宜小于25mm。催化剂的粒径应小于管径的8倍，以防止壁效应严重，但粒径过小，则压降愈大，因此催化剂粒径通常约为26mm，不小于1.5mm。 热载体最常用的是水，通过调节其压力，沸腾水可以用于100300；无机熔盐（硝酸钾、硝酸钠及亚硝酸钠的混合物）可用于300400；个别情况亦可用熔融金属（铅、
3、锂、钠），但对设备的密封性要求很高；烟道气可用于600700。,自热式 所谓自热式是指反应前后的物料在床层中自己进行换热。 根据床层内外流体流向的不同，有顺流、逆流之别； 根据套管数目的多少，又有单管、双套管及三套管之分。如图5、6、7、8所示。,流体与催化剂在任一与流体流动方向垂直的横截面处的温度、反应物浓度是相同的（拟均相）； 流体在反应器中径向温度、浓度是均一的，仅沿轴向变化（一维）； 流体在床层中的流动属平推流（理想流动）。,6.3固定床催化反应器的设计,6.3.1拟均相一维理想流动模型,该模型是固定床反应器中最简单的模型，其基本假设：,动量衡算方程、物料衡算方程、热量衡算方程如下：,
4、一、动量衡算方程,二、物料衡算方程,体积元为：,其中，催化剂体积：,对体积元中A组分作物料衡算：,又：,整理，最后得：,式中：um0为进口处空床线速度，m.s-1。,设进入该体积单元的气体质量为G，kg.s-1，比热容为CP，J.kg-1.K-1，则：,式中：h0为床层对器壁的传热系数，J.m-2.s-1.K-1；T、TW分别为床层和器壁温度，K。,上述微分方程组的边界条件为：,时，,三、热量衡算方程,整理，最后得：,总结：,一、平衡温度及最优温度分布,设动力学方程：,平衡温度,式中：,6.3.2单层绝热反应床的设计计算,可逆放热反应：,最优反应温度,由（1）、（2）可以获得,则：,之间的关系
5、：,将,，,作图：,图1说明：如果床层中每点（沿轴向）,之间的关系和,重合，表明反应器中每一点都处于最佳状态。红线所示是床层中气体主体的实际状态点，又叫做操作线。,反应器外壁有良好的绝热层，反应器与外界可视作无热量交换（T=TW）。对拟均相一维理想流动数学模型进行求解：,二、单层绝热床的计算,式中：,（3）式解为：,（5）（4），得：,为绝热温升，在一定工况下，近似为常数；,、,和,分别为平均操作温度下气体密度、热容和反应热。,一、多段绝热床操作形式,6.3.3多段绝热反应床的设计计算,多段绝热床的操作通常采取以上两种方式：图2为多段绝热层间间接冷却式，图3多段绝热层间以原料气冷激（直接混合）
6、，直接混合的结果是降低了温度，另外也降低了xA。,多段绝热床的优化问题，通常是在一定段数床层内，对于一定的进料和最终转化率，选定各段进口温度T0和出口转化率xf作为决策变量，以总的催化剂用量最少为目标函数。,整个催化剂体积：,若要使VR最小，将VR分别对各段的xf、T0微分：,二、多段中间间接冷却绝热床最优化,1、目标函数的建立：,对第i段反应床，所需催化剂体积为：,2、先对出口转化率求导：,由于是间接换热：,所以：,即：,前一段的出口反应速率等于后一段的进口反应速率。该式称为条件式（）。,3、再对进口温度求导：,即：,由上式可知：若要求积分值为零，其被积函数必有一部分大于零，另一部分小于零。
7、该式表示在任意一段的xA0与xAf之间，必有一点的,，即各段入口操作点和出口操作点分别位于最佳温度曲线的低温一侧和高温一侧，并应满足上式。该式称为条件式（）。,，所以,。,可由动力学方程对T求导得到，也可用数值微分获得，或者由图解法求得。,由于,根据进口条件xA10设一T10，在图3上定出A点； 根据绝热操作线方程，按条件式作操作线AB，B点的位置应当在最佳曲线之上，且不超过最高允许温度； 从B点平行于T轴作水平线到C点，满足条件式，即C点处的反应速率等于B点处的反应速率； 从C点作AB的平行线，按条件式定出D点； 按前顺序继续进行下去，直到末段，看其出口转化率是否满足要求，若不满足则重新假设
8、T0点，重复上述步骤，再进行计算，直到末段出口转化率满足要求为止； 根据优化后的各段进、出口条件，计算催化剂用量VR或床层高度L。,4、最优化求解步骤：,图解试差法求解步骤：,计算机编程求解，思路和上完全一致。,例 用中间间接冷却的两段绝热床进行二氧化硫的催化氧化反应 所用催化剂为载于硅胶上的 。其反应动力学方程式如下：,单位为： ， ， ， 。 进料的分子组成为： ， ， ，总压1atm。第一 级进气温度370，第一级出气温度560，第二级进气温度370。 总 转化率为99%。,如在此温度范围内，混合气的比热可认为基本不变，并等于 ， 反应热与温度的关系如下： 此外，床层堆积密度： ，反应器
9、直径1.825 m。如进料的 mol流量为243 Kmol/h。求所需的床层高度？,解：第一段绝热床计算：,下面的目标是要求出 和 之间的关系。,对A做物料衡算,床层入口处各组分含量：,第一段入口,第二段出口,下面求 之间的关系,根据热量衡算：,注意各物理 量的单位：,注意 的单位是 应转化为 。,左边=右边,（1）式转化为：,故：,即：,确定 的值：,应用梯形法或simpson或龙贝格方法求出该积分值，或编程计算。,根据上式：,H1=2.28m,第二段绝热床计算：,结果H2=8.8m，为第一段的3.8倍左右。 反应主要在第一段内进行。,其他一样，但,xi= .0000 .0500 .1000
10、 .1500 .2000 .2500 .3000 .3500 .4000 .4500 .5000 .5500 .6000 .6500 .7000 .7500 .8000 .8100 T= 643.1534 655.0364 666.9076 678.7662 690.6130 702.4479 714.2711 726.0816 737.8802 749.6671 761.4421 773.2053 784.9558 796.6953 808.4222 820.1372 831.8404 834.1797 k1i= .00000582 .00000901 .00001373 .00002062
11、 .00003052 .00004457 .00006424 .00009147 .00012873 .00017917 .00024675 .00033643 .00045432 .00060793 .00080639 .00106075 .00138423 .00145856 k2i= .00000000 .00000001 .00000002 .00000004 .00000009 .00000017 .00000032 .00000058 .00000105 .00000187 .00000326 .00000559 .00000941 .00001561 .00002549 .000
12、04103 .00006514 .00007133 Pso2= .0800 .0762 .0723 .0684 .0645 .0606 .0567 .0527 .0488 .0448 .0408 .0368 .0328 .0287 .0247 .0206 .0165 .0157 r= 4676046.00 3136544.00 2141648.00 1487713.00 1050879.00 754608.00 550788.90 408728.70 308537.00 237184.70 186050.30 149417.60 123578.80 106380.70 97374.54 997
13、25.03 135891.00 157852.10 H=2.2847320,附录：应用FORTRAN77编制的原程序 $debug program p196 dimension x(18) dimension T(18) dimension Ak1(18),Ak2(18) dimension Pso2(18),Po2(18),Pso3(18) dimension r(18) open(1,file=p196.dat,status=new) data x/0.00,0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30,0.35,0.40,0.45, + 0.50,0.55,0.60,0.6
14、5,0.70,0.75,0.80,0.81/ do 10 i=1,18 T(i)=(102.9-97.5361*exp(-2.0332E-2*x(i)/8.34E-3 Ak1(i)=exp(12.07-129000.0/(8.314*T(i),Ak2(i)=exp(22.75-224000.0/(8.314*T(i) Pso2(i)=(1.0-x(i)/(12.5-0.5*x(i) Po2(i)=(1.625-0.5*x(i)/(12.5-0.5*x(i) Pso3(i)=x(i)/(12.5-0.5*x(i) p1=Pso2(i)*0.5 p2=Po2(i)*0.5 r(i)=P1/(Ak1
15、(i)*Pso2(i)*Po2(i)-Ak2(i)*Pso3(i)*P2) 10 continue rt=(r(1)+r(17)/2.0 do 15 i=2,16 rt=rt+r(i) 15 continue rt=rt*0.05+(r(17)+r(18)*0.01/2.0 WT=243.0*0.08/3600.0*rt H=wt*4.0/(3.14*1.825*1.825*600.0),write(*,*)H=,H write(1,*)xi= write(1,20)x write(1,*)T= write(1,20)T write(1,*)k1i= write(1,30)ak1 write(1,*)k2i= write(1,30)ak2 write(1,*)Pso2= write(1,20)pso2 write(1,*)r= write(1,40)r write(1,*)H=,H 20 format(18f10.4) 30 format(18f12.8) 40 format(18f12.2) end,
