1、第六章 固定床反應(yīng)器,1,PPT學(xué)習(xí)交流,1. 定義：凡是流體通過不動(dòng)的固體物料所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置。固體催化劑顆粒堆積起來所形成的固定床層靜止不動(dòng)，氣體反應(yīng)物自上而下流過床層，進(jìn)行反應(yīng)的裝置稱作固定床反應(yīng)器。,6.1 概述,2,PPT學(xué)習(xí)交流,3,PPT學(xué)習(xí)交流,4,PPT學(xué)習(xí)交流,5,PPT學(xué)習(xí)交流,對(duì)外換熱式反應(yīng)器,乙炔法合成氯乙烯反應(yīng)為放熱反應(yīng)109kJ/mol，利用高位槽或加壓泵強(qiáng)制循環(huán)換熱，水溫靠調(diào)節(jié)閥控制壓力來調(diào)節(jié)。,氣體自上而下流過床層 催化劑床層內(nèi)的流動(dòng)是通過顆粒之間的空隙進(jìn)行的，易達(dá)到湍流，與圓管內(nèi)的流動(dòng)狀況不完全相同,6,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器,熱載體：水、

2、高壓水：100300 導(dǎo)生油：200350 熔鹽：300500 煙道氣：600700 特點(diǎn)：換熱效果好、床溫均勻，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 應(yīng)用：熱效應(yīng)大、溫度要求均勻控制的場(chǎng)合,7,PPT學(xué)習(xí)交流,二、固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn),固定床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)： 1、催化劑不易磨損。 2、固定床層內(nèi)的氣相流動(dòng)接近平推流，有利于實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化率與選擇性； 3、可用較少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積獲得較大的生產(chǎn)能力； 4、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、催化劑機(jī)械磨損小，適合于貴金屬催化劑； 5、反應(yīng)器的操作方便、操作彈性較大。,8,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn),相對(duì)于流化床反應(yīng)器，固定床反應(yīng)器缺點(diǎn) ： 催化劑顆粒較大，有效系數(shù)較低；

3、催化劑床層的傳熱系數(shù)較小，容易產(chǎn)生局部過熱； 催化劑顆粒的更換費(fèi)事，不適于容易失活的催化劑。,9,PPT學(xué)習(xí)交流,三、固定床反應(yīng)器類型,固定床反應(yīng)器形式多種多樣，按床層與外界的傳熱方式分類，可有以下幾類： 絕熱式固定床反應(yīng)器， 多段絕熱式固定床反應(yīng)器， 列管式固定床反應(yīng)器， 自熱式反應(yīng)器。,）,）,10,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器類型,1.絕熱式固定床反應(yīng)器 反應(yīng)器外殼包裹絕熱保溫層，使催化劑床層與外界沒有熱量交換。中空?qǐng)A筒的底部 放置擱板，上面堆放固體催化劑。氣體從上而下通過催化劑床層。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，床層橫截面溫度均勻。單位體積內(nèi)催化劑量大，即生產(chǎn)能力大。但只適用于熱效應(yīng)不大的反應(yīng)。,11,

4、PPT學(xué)習(xí)交流,絕熱式 固定床 反應(yīng)器,固定床反應(yīng)器類型,12,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器類型,1、絕熱式固定床反應(yīng)器可分為軸向反應(yīng)器和徑向反應(yīng)器。 (1)軸向絕熱式固定床反應(yīng)器 如圖(a)所示。這種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，實(shí)際上是一個(gè)容器，催化劑均勻堆置于床內(nèi)，預(yù)熱到一定溫度的反應(yīng)物料自上而下流過床層進(jìn)行反應(yīng)，床層同外界無熱交換,13,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器類型,(2)徑向絕熱式固定床反應(yīng)器 如圖 (b) 所示。徑向反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)較軸向反應(yīng)器復(fù)雜，催化劑裝載于兩個(gè)同心圓構(gòu)成的環(huán)隙中，流體沿徑向流過床層，可采用離心流動(dòng)或向心流動(dòng)。 徑向反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是流體流過的距離較短，流道截面積較大，床層阻力

5、降較小。,14,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器類型,（a） （b）,15,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器類型,16,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器類型,2.多段絕熱式固定床反應(yīng)器 熱效應(yīng)大，常把催化劑床層分成幾段(層)，段間采用間接冷卻或原料氣（或惰性組分）冷激，以控制反應(yīng)溫度在一定的范圍內(nèi) 。 圖 (c) 是用于 SO2 轉(zhuǎn)化的多段絕熱反應(yīng)器，段間引入冷空氣進(jìn)行冷激。對(duì)于這類可逆放熱反應(yīng)過程，通過段間換熱形成先高后低的溫度變化，提高轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率。,17,PPT學(xué)習(xí)交流,間接換熱原料冷激非原料冷激 多段固定床絕熱反應(yīng)器,原料,原料,冷激劑,原料,產(chǎn)品,產(chǎn)品,產(chǎn)品,18,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)

6、器類型,19,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器類型,3.列管式固定床反應(yīng)器 熱效應(yīng)較大，不宜采用絕熱式反應(yīng)器，可采用換熱式固定床反應(yīng)器。此設(shè)備如同列管式換熱器，又稱為列管式固定床反應(yīng)器。 如圖(d)所示，反應(yīng)器由多根反應(yīng)管并聯(lián)構(gòu)成，管徑一般為25 30，管數(shù)可達(dá)萬根以上。管內(nèi)裝催化劑，傳熱介質(zhì)流經(jīng)管間進(jìn)行加熱或冷卻。,20,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器類型,21,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器類型,列管式固定床反應(yīng)器具有良好的傳熱性能，單位床層體積具有較大的傳熱面積，可用于熱效應(yīng)中等或稍大的反應(yīng)過程。反應(yīng)器由成千上萬根“單管”組成。一根單管的反應(yīng)性能可以代表整個(gè)反應(yīng)器的反應(yīng)效果，因而放大設(shè)計(jì)較有把握

7、，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛。,22,PPT學(xué)習(xí)交流,列管式 固定床 反應(yīng)器,23,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器類型,列管式反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)： 傳熱較好，管內(nèi)溫度較易控制； 返混小、選擇性較高； 只要增加管數(shù)，便可有把握地進(jìn)行放大； 對(duì)于極強(qiáng)的放熱反應(yīng)，還可用同樣粒度的惰性物料來稀釋催化劑 適用: 原料成本高，副產(chǎn)物價(jià)值低以及分離不是十分容易的情況。,24,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器類型,25,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器類型,4、自熱式反應(yīng)器 采用反應(yīng)放出的熱量來預(yù)熱新鮮的進(jìn)料，達(dá)到熱量自給和平衡，其設(shè)備緊湊，可用于高壓反應(yīng)體系。 但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，操作彈性較小，啟動(dòng)反應(yīng)時(shí)常用電加熱。,26,PPT

8、學(xué)習(xí)交流,逆流并流 不同流向的自熱式固定床反應(yīng)器的軸向溫度分布示意圖,27,PPT學(xué)習(xí)交流,28,PPT學(xué)習(xí)交流,四、傳熱介質(zhì),傳熱介質(zhì)的選用根據(jù)反應(yīng)的溫度范圍決定，其溫度與催化床的溫差宜小，但又必須移走大量的熱，常用的傳熱介質(zhì)有： 1.沸騰水：溫度范圍100300。使用時(shí)需注意水質(zhì)處理，脫除水中溶解的氧。 2.聯(lián)苯醚、烷基萘為主的石油餾分：粘度低，無腐蝕，無相變，溫度范圍200 350,29,PPT學(xué)習(xí)交流,傳熱介質(zhì),3.熔鹽：溫度范圍300400，由無機(jī)熔鹽KNO3、NaNO3、NaNO2按一定比例組成，在一定溫度時(shí)呈熔融液體，揮發(fā)性很小。但高溫下滲透性強(qiáng)，有較強(qiáng)的氧化性。 4.煙道氣：適

9、用于600700的高溫反應(yīng)。,30,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器的分類,固定床 反應(yīng)器,不同的傳熱要求和傳熱方式,絕熱式,二段 三段 四段,冷激式,反應(yīng)特征,單段絕熱式,段間反應(yīng)氣冷卻或加熱方式,中間間接換熱式,多段絕熱式,原料氣冷激式,非原料氣冷激式,換熱式,列管式反應(yīng)器,自熱式,加壓熱水（240）,導(dǎo)熱油（250300 ）,熔鹽（300 ）,反應(yīng)氣的流動(dòng)方向,軸向流動(dòng)固定床反應(yīng)器,徑向流動(dòng)固定床反應(yīng)器,31,PPT學(xué)習(xí)交流,二、固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn),固定床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)： 1、催化劑不易磨損。 2、固定床層內(nèi)的氣相流動(dòng)接近平推流，有利于實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化率與選擇性； 3、可用較少量的催化劑和較小

10、的反應(yīng)器容積獲得較大的生產(chǎn)能力； 4、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、催化劑機(jī)械磨損小，適合于貴金屬催化劑； 5、反應(yīng)器的操作方便、操作彈性較大。,32,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn),相對(duì)于流化床反應(yīng)器，固定床反應(yīng)器缺點(diǎn) ： 催化劑顆粒較大，有效系數(shù)較低； 催化劑床層的傳熱系數(shù)較小，容易產(chǎn)生局部過熱； 催化劑顆粒的更換費(fèi)事，不適于容易失活的催化劑。,33,PPT學(xué)習(xí)交流,絕熱式 固定床 反應(yīng)器,固定床反應(yīng)器類型,34,PPT學(xué)習(xí)交流,間接換熱原料冷激非原料冷激 多段固定床絕熱反應(yīng)器,原料,原料,冷激劑,原料,產(chǎn)品,產(chǎn)品,產(chǎn)品,35,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器類型,36,PPT學(xué)習(xí)交流,列管式 固定床 反應(yīng)

11、器,37,PPT學(xué)習(xí)交流,逆流并流 不同流向的自熱式固定床反應(yīng)器的軸向溫度分布示意圖,38,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器類型,（a） （b）,39,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床反應(yīng)器類型,40,PPT學(xué)習(xí)交流,6.2 固定床的傳遞特性,氣體在催化劑顆粒之間的孔隙中流動(dòng)，較在管內(nèi)流動(dòng)更容易達(dá)到湍流。 氣體自上而下流過床層。,41,PPT學(xué)習(xí)交流,6 . 2 固定床中的傳遞過程,6.2.1 粒子直徑和床層空隙率,定型尺寸：最能代表顆粒性質(zhì)的尺寸為顆粒的當(dāng)量直徑。對(duì)于非球形顆粒，可將其折合成球形顆粒，以當(dāng)量直徑表示。主要有三種表示：體積相當(dāng)直徑、外表面積相當(dāng)直徑和比表面積相當(dāng)直徑。,42,PPT學(xué)習(xí)交流,

12、一、顆粒直徑的表示方法 1、表示方法 體積相當(dāng)直徑 面積相當(dāng)直徑 比表面相當(dāng)直徑,式中：SV=ap/Vp， 顆粒的比表面積 ap 與非中空顆粒等外表面積的圓球外表面積 Vp 非中空顆粒等體積的圓球體積,注意：三種方法的計(jì)算結(jié)果不同,43,PPT學(xué)習(xí)交流,(1) 描述顆粒形狀,顆粒的球形度,表明：顆粒形狀接近于球形的程度； ，則顆粒越接近于球形。 球形顆粒：,44,PPT學(xué)習(xí)交流,顆粒的比表面積 a,說明：V相同時(shí)，a ，則顆粒越接近球形。,a 與關(guān)系：,球形顆粒比表面積：,45,PPT學(xué)習(xí)交流,例 1 邊長(zhǎng)為L(zhǎng)=4mm的正方體顆粒 求：dv,ds,da,a 解：,46,PPT學(xué)習(xí)交流,dv,

13、ds, da三者關(guān)系 dadvds,47,PPT學(xué)習(xí)交流,混合顆粒的特性參數(shù) (1) 顆粒的篩分尺寸 標(biāo)準(zhǔn)篩：有不同的系列，常用泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩。 篩號(hào)(目數(shù))：每英寸長(zhǎng)度篩網(wǎng)上的篩孔數(shù)目； 篩過量：通過篩孔的顆粒量； 篩余量：截留于篩面上的顆粒量。,48,PPT學(xué)習(xí)交流,顆粒的篩分尺寸, 篩分尺寸與顆粒特性參數(shù)的關(guān)系 顆粒不是明顯的長(zhǎng)或短： 顆粒在某方向上略長(zhǎng)： (2) 顆粒群的平均特性參數(shù) 平均比表面積：,49,PPT學(xué)習(xí)交流, 顆粒群的等比表面積當(dāng)量直徑,顆粒床層的特性,(1) 床層空隙率 定義：床層中，空隙所占體積分率。,表明： 床層堆積的松散程度； ，空隙越大，床層越松散； 對(duì)流體流過床層

14、的阻力影響很大。,50,PPT學(xué)習(xí)交流, 影響床層空隙率的因素 （a）裝填方法：干裝 濕裝,（b）顆粒特性的影響 顆粒形狀： 靠壁面處： 粒徑分布：, 空隙率測(cè)量-充水法、稱量法,51,PPT學(xué)習(xí)交流,非球形顆粒的形狀系數(shù),52,PPT學(xué)習(xí)交流,二、床層空隙率,床層空隙率：粒子間的空隙所占床層容積的分率,式中, 床層堆積密度； 顆粒視密度。,注意：顆粒視密度與真密度之間的區(qū)別。,53,PPT學(xué)習(xí)交流,顆粒視密度又稱顆粒密度。即單個(gè)顆粒的密度。若單個(gè)催化劑顆粒質(zhì)量為m，顆粒體積為V粒，則視密度p=m/V粒,床層堆積密度 是單位體積顆粒床層的固體質(zhì)量，顆粒床層體積是顆粒體積與顆粒之間空隙的總和。若

15、催化劑質(zhì)量為m，堆體積為VB，則堆密度B=m/VB。 同一種顆粒，其真密度不變，但當(dāng)床層的空隙率不同時(shí)，顆粒床層的堆密度不同。,54,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床的空隙率是顆粒物料層中顆粒間自由體積與整個(gè)床層體積之比，它是固定床的重要特性之一?？障堵蕦?duì)流體通過床層的壓力降、床層的傳熱都有重大的影響。,顆粒形狀、顆粒的粒度分布、充填方式、顆粒直徑與容器直徑之比都影響空隙率。固定床中同一截面上的空隙率也不相同，近壁處較大，中心處較小。一般工程上認(rèn)為當(dāng)床層直徑與顆粒直徑之比達(dá) 8 時(shí)，可不計(jì)壁效應(yīng)。,壁效應(yīng)影響是指靠近器壁的空間結(jié)構(gòu)與其他部分有很大差別，器壁處的流動(dòng)狀況、傳質(zhì)、傳熱狀況與主流體中也有很大差

16、別。當(dāng)采用實(shí)驗(yàn)規(guī)模的小型設(shè)備研究傳質(zhì)、傳熱、反應(yīng)的規(guī)律時(shí)，器壁的影響遠(yuǎn)比大型設(shè)備為大。,55,PPT學(xué)習(xí)交流,6-9填充床的空隙率,床層空隙率B,光滑均一,光滑非均一,粘土,球形,圓柱形,不規(guī)則,光滑均一,剛玉均一尺寸,1 / 4 英寸陶質(zhì)拉西環(huán),熔融剛玉,熔融磁鐵,鋁砂,56,PPT學(xué)習(xí)交流,三、固定床的當(dāng)量直徑,1、床層比表面,式中，np 單位體積床層中顆粒的個(gè)數(shù)。,B床層空隙率 Vp 非中空顆粒等體積的圓球體積,57,PPT學(xué)習(xí)交流,2、床層當(dāng)量直徑,式中，RH 水力半徑。,根據(jù)水力半徑的定義有：,58,PPT學(xué)習(xí)交流,3、固定床的徑向流速分布,盡管在近壁處空隙率較大，但壁摩擦阻力使流速

17、將低到接近0。一般工程上認(rèn)為當(dāng)床層直徑與顆粒直徑之比dt / ds=8 時(shí)，可不計(jì)壁效應(yīng)。,59,PPT學(xué)習(xí)交流,按混合顆粒的平均直徑計(jì)算離壁距離,床層空隙率B,0,1,0.8,0.4,0.51 1.5 2 2.5 2 3.5 4 4.5 5,距壁4個(gè)顆粒直徑處，床層空隙率和流速分布趨平坦，因此一般工程上認(rèn)為當(dāng)床層直徑與顆粒直徑 之比值達(dá) 8 時(shí)可不計(jì)壁效應(yīng)。,60,PPT學(xué)習(xí)交流,空管內(nèi)層流,空管內(nèi)湍流,填充層內(nèi)液體流動(dòng),填充層內(nèi)氣體流動(dòng),1,0,2,61,PPT學(xué)習(xí)交流,6.2.2 床層壓降,床層壓降是固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，要求床層壓降不超過床內(nèi)壓力的15%。,氣體流動(dòng)通過催化劑床層

18、的壓力降厄根(Ergun)方程計(jì)算式：,摩擦系數(shù),62,PPT學(xué)習(xí)交流,修正雷諾數(shù)：,um 平均流速(空床氣速)； L 床層高度； 、 流體的密度和粘度； ds 比表面當(dāng)量直徑。,63,PPT學(xué)習(xí)交流,Rem1000，湍流，上式中右邊第一項(xiàng)可忽略。,64,PPT學(xué)習(xí)交流,式中：dp 體積相當(dāng)直徑； 質(zhì)量流速。 fm和n可由圖6-11查取。,常用的p計(jì)算公式：,65,PPT學(xué)習(xí)交流,圖6-11 固定床的摩擦系數(shù),66,PPT學(xué)習(xí)交流,推導(dǎo)在化工原理中：,de：當(dāng)量床層直徑 dp/dl：床層高向的壓強(qiáng)變化 ：流體密度 u：實(shí)際流速，通常以空塔氣速um=u/B表示,67,PPT學(xué)習(xí)交流,影響固定床壓

19、力降的因素,流體,流體的密度 流體的粘度 流體的質(zhì)量流率,床層,床層的高度 床層的空隙率 流通截面積,顆粒,顆粒的形狀 顆粒的粒度 顆粒的表面粗糙度 顆粒的物理特性,68,PPT學(xué)習(xí)交流,床層直徑與顆粒直徑之比 dt / ds 8 時(shí)應(yīng)考慮壁效應(yīng)對(duì)固定床壓力降的影響。用下列關(guān)聯(lián)式：,69,PPT學(xué)習(xí)交流,床層壓降計(jì)算 例：在內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)裝有4m高的催化劑層，催化劑的粒度分布如下表。催化劑為球體，空隙率B0.44。在反應(yīng)條件下的氣體密度=2.46kg/m3，粘度=2.310-5kg/(ms)，氣體的質(zhì)量流速G =6.2kg/(m2s)。求床層壓降。,70,PPT學(xué)習(xí)交流,一、顆粒直徑的表

20、示方法 1、表示方法 體積相當(dāng)直徑 面積相當(dāng)直徑 比表面相當(dāng)直徑,式中：SV=ap/Vp， 顆粒的比表面積 ap 與非中空顆粒等外表面積的圓球外表面積 Vp 非中空顆粒等體積的圓球體積,注意：三種方法的計(jì)算結(jié)果不同,71,PPT學(xué)習(xí)交流,顆粒床層的特性,(1) 床層空隙率 定義：床層中，空隙所占體積分率。,表明： 床層堆積的松散程度； ，空隙越大，床層越松散； 對(duì)流體流過床層的阻力影響很大。,72,PPT學(xué)習(xí)交流,3、固定床的徑向流速分布,盡管在近壁處空隙率較大，但壁摩擦阻力使流速將低到接近0。一般工程上認(rèn)為當(dāng)床層直徑與顆粒直徑之比dt / ds=8 時(shí)，可不計(jì)壁效應(yīng)。,73,PPT學(xué)習(xí)交流,

21、空管內(nèi)層流,空管內(nèi)湍流,填充層內(nèi)液體流動(dòng),填充層內(nèi)氣體流動(dòng),1,0,2,74,PPT學(xué)習(xí)交流,顆粒視密度又稱顆粒密度。即單個(gè)顆粒的密度。若單個(gè)催化劑顆粒質(zhì)量為m，顆粒體積為V粒，則視密度p=m/V粒,床層堆積密度 是單位體積顆粒床層的固體質(zhì)量，顆粒床層體積是顆粒體積與顆粒之間空隙的總和。若催化劑質(zhì)量為m，堆體積為VB，則堆密度B=m/VB。 同一種顆粒，其真密度不變，但當(dāng)床層的空隙率不同時(shí)，顆粒床層的堆密度不同。,75,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床的空隙率是顆粒物料層中顆粒間自由體積與整個(gè)床層體積之比，它是固定床的重要特性之一。空隙率對(duì)流體通過床層的壓力降、床層的傳熱都有重大的影響。,顆粒形狀、顆粒

22、的粒度分布、充填方式、顆粒直徑與容器直徑之比都影響空隙率。固定床中同一截面上的空隙率也不相同，近壁處較大，中心處較小。一般工程上認(rèn)為當(dāng)床層直徑與顆粒直徑之比達(dá) 8 時(shí)，可不計(jì)壁效應(yīng)。,壁效應(yīng)影響是指靠近器壁的空間結(jié)構(gòu)與其他部分有很大差別，器壁處的流動(dòng)狀況、傳質(zhì)、傳熱狀況與主流體中也有很大差別。當(dāng)采用實(shí)驗(yàn)規(guī)模的小型設(shè)備研究傳質(zhì)、傳熱、反應(yīng)的規(guī)律時(shí)，器壁的影響遠(yuǎn)比大型設(shè)備為大。,76,PPT學(xué)習(xí)交流,修正雷諾數(shù)：,um 平均流速(空床氣速)； L 床層高度； 、 流體的密度和粘度； ds 比表面當(dāng)量直徑。,77,PPT學(xué)習(xí)交流,影響固定床壓力降的因素,流體,流體的密度 流體的粘度 流體的質(zhì)量流率,

23、床層,床層的高度 床層的空隙率 流通截面積,顆粒,顆粒的形狀 顆粒的粒度 顆粒的表面粗糙度 顆粒的物理特性,78,PPT學(xué)習(xí)交流,床層壓降計(jì)算 例：在內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)裝有4m高的催化劑層，催化劑的粒度分布如下表。催化劑為球體，空隙率B0.44。在反應(yīng)條件下的氣體密度=2.46kg/m3，粘度=2.310-5kg/(ms)，氣體的質(zhì)量流速G =6.2kg/(m2s)。求床層壓降。,79,PPT學(xué)習(xí)交流,例:在充填直徑為9mm,高為7mm的圓柱形鐵鉻催化劑的固定床反應(yīng)器中，在0.6865MPa下進(jìn)行水煤氣變換反應(yīng)。反應(yīng)氣體的平均相對(duì)分子量為18.96，質(zhì)量速度（按空床計(jì)算）為0.936kg/(

24、s.m2)。設(shè)床層的平均溫度為689K，反應(yīng)氣體的黏度為2.510-5Pa.s。已知催化劑的顆粒密度和床層的堆密度分別為2000kg/m3及1400kg/m3， L=1m 。試計(jì)算單位床層高度的壓力降。 解：由題意知,80,PPT學(xué)習(xí)交流,床層空隙率為,81,PPT學(xué)習(xí)交流,代入厄根(Ergun)方程：,82,PPT學(xué)習(xí)交流,小結(jié)： 固定床的優(yōu)缺點(diǎn) 固定床的分類 基本概念 顆粒直徑的表示方法 顆粒的形狀系數(shù) 混合顆粒的平均直徑 床層空隙率 床層比表面積 床層當(dāng)量直徑,83,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床的徑向流速分布 床層壓降 厄根(Ergun)方程 修正雷諾數(shù) 影響固定床壓力降的因素 固定床中的傳熱

25、 顆粒與流體間傳熱系數(shù),84,PPT學(xué)習(xí)交流,6.2.3 固定床中的傳熱,床層的傳熱性能直接決定了床內(nèi)的溫度分布，從而對(duì)反應(yīng)速率和產(chǎn)物的組成分布都具有十分重要的影響。,傳熱方式： 導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱、熱輻射。 傳熱途徑： 粒內(nèi)傳熱、顆粒與流體間傳熱、床層與器壁間傳熱。,85,PPT學(xué)習(xí)交流,固定床的徑向傳熱方式,床層空隙內(nèi)部流體的傳熱,顆粒之間通過接觸的傳熱,顆粒表面附近流體中的傳熱,空隙內(nèi)部流體的輻射傳熱,流體混合所引起的徑向?qū)α鱾鳠?顆粒表面之間的熱輻射傳熱,86,PPT學(xué)習(xí)交流,一、顆粒與流體間傳熱系數(shù),1、傳熱因子,適用范圍,顆粒與流體間的傳（給）熱系數(shù)hp,dp可用dv代,注意：在參考其

26、他教材時(shí)，給熱系數(shù)多以表示。,87,PPT學(xué)習(xí)交流,計(jì)算傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式有很多，可從有關(guān)文獻(xiàn)或工具書中查取。應(yīng)用時(shí)要注意公式規(guī)定的特性尺寸、特性溫度和適用范圍。,88,PPT學(xué)習(xí)交流,床層空隙的輻射給熱系數(shù)：hrv,式中， 粒子表面的熱輻射率； 床層的平均溫度； 空隙的輻射給熱系數(shù)；,89,PPT學(xué)習(xí)交流,顆粒的輻射給熱系數(shù)：, 顆粒接觸點(diǎn)處流體薄膜對(duì)導(dǎo)熱的影響。,由圖6-15查取。,式中， 粒子表面的熱輻射率； 床層的平均溫度； 顆粒輻射給熱系數(shù)；,90,PPT學(xué)習(xí)交流,當(dāng)顆粒直徑甚小，床層溫度不是很高，以及含有液體時(shí)，空隙和顆粒的輻射傳熱可忽略，床層空隙和顆粒對(duì)傳熱的貢獻(xiàn)可簡(jiǎn)化為：,91

27、,PPT學(xué)習(xí)交流,三、床層與器壁間的給熱系數(shù) h0 一維模型中，床層與器壁間傳熱速率為,h0可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,式中， y 無量綱數(shù),（適用范圍：y 0.2）,：床層平均溫度; ：器壁溫度;,92,PPT學(xué)習(xí)交流,6.2.4 固定床中的傳質(zhì)與混合,由于催化劑表面存在滯流邊界層，氣流主體濃度與催化劑顆粒表面濃度存在差異。在滯流層內(nèi)有濃度差，必然存在擴(kuò)散。,一、顆粒與流體間的傳質(zhì)系數(shù) 單位體積（或質(zhì)量）催化劑上著眼組分A的傳質(zhì)速率,93,PPT學(xué)習(xí)交流,整個(gè)傳質(zhì)方程的核心，總包了各種條件對(duì)傳質(zhì)的影響。 由實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算。關(guān)聯(lián)式之一：,94,PPT學(xué)習(xí)交流,傳質(zhì)因子：JD 實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：,：氣相密度 ;

28、 ：氣體質(zhì)量流率 ; ：氣相粘度 ; ：氣相分子擴(kuò)散系數(shù) ; JD是雷諾數(shù)的函數(shù),95,PPT學(xué)習(xí)交流,um ：平均流速(空床氣速)； g、g：氣體的密度和粘度； ds ： 比表面當(dāng)量直徑。,當(dāng)修正雷諾數(shù)在：,96,PPT學(xué)習(xí)交流,傳熱因子,傳質(zhì)因子,：氣相密度 ：氣體質(zhì)量流率 ：氣相粘度 ：氣相分子擴(kuò)散系數(shù) JD是雷諾數(shù)的函數(shù),施密特準(zhǔn)數(shù),97,PPT學(xué)習(xí)交流,由傳質(zhì)和傳熱的類比原理有 上式在缺少數(shù)據(jù)時(shí)用來推算數(shù)據(jù)十分有用. 無論是傳質(zhì)或是傳熱系數(shù), 增加質(zhì)量速率G都可以加快流體和催化劑外表面間的傳遞速率, 但相應(yīng)的床層壓降也增加. 外擴(kuò)散速率,內(nèi)擴(kuò)散速率,表面反應(yīng)速率的相對(duì)大小是決定反應(yīng)控

29、制步驟的關(guān)鍵.,98,PPT學(xué)習(xí)交流,外擴(kuò)散過程對(duì)表面溫度的影響,由傳質(zhì)計(jì)算可得：,99,PPT學(xué)習(xí)交流,兩式相等可得：,100,PPT學(xué)習(xí)交流,上式將流固相的溫度差與濃度差聯(lián)系起來了。 進(jìn)一步簡(jiǎn)化，前面有：,極為相似。JHJD相除,101,PPT學(xué)習(xí)交流,據(jù)實(shí)驗(yàn)得：,102,PPT學(xué)習(xí)交流,6.3 擬均相一維模型,概述，目前描述固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型可分為擬均相、非均相兩大類。 一、擬均相模型 忽略床層中催化劑顆粒與流體之間溫度與濃度差別，將氣相反應(yīng)物與催化劑看成均勻連續(xù)的均相物系。 （1）一維擬均相模型 只考慮沿氣體流動(dòng)方向的溫度和濃度變化。根據(jù)流動(dòng)形式還可分為平推流一維模型和軸向分散一維

30、模型。 （2）二維擬均相模型 同時(shí)考慮軸向和徑向的溫度和濃度分布。,103,PPT學(xué)習(xí)交流,二、非均相模型 非均相：反應(yīng)屬于擴(kuò)散和化學(xué)動(dòng)力學(xué)共同控制時(shí)，則催化劑顆粒表面、內(nèi)部、外部濃度不均一，傳遞阻力或傳遞與動(dòng)力學(xué)阻力不可忽略，應(yīng)計(jì)及催化劑的存在和計(jì)算宏觀反應(yīng)速率，稱為“非均相”模型。 簡(jiǎn)言之即考慮顆粒與流體之間的溫度差和濃度差。 一般來說，模型考慮得越全面，對(duì)過程模擬越精確，但計(jì)算工作量也越大，甚至無法求解。因此，在工程計(jì)算允許的誤差范圍內(nèi)應(yīng)盡可能選用簡(jiǎn)單模型。,104,PPT學(xué)習(xí)交流,6.3.1 等溫反應(yīng)器的計(jì)算 床層溫度均勻一致，反應(yīng)速率常數(shù)為常數(shù)，反應(yīng)速度僅與濃度有關(guān)。按一維擬均相處理

31、，設(shè)計(jì)方法與平推流相似。,對(duì)右圖固定床反應(yīng)器取一微元段進(jìn)行物料衡算（以cat的質(zhì)量定義）,105,PPT學(xué)習(xí)交流,質(zhì)量衡算 在管式反應(yīng)器中垂直于流動(dòng)方向取一個(gè)微元，以這個(gè)微元對(duì)A組份做物料衡算：,輸入 輸出= 反應(yīng) 積累 FA FA+dFA (-rA)(1-B)Aidl 0,以催化劑顆粒體積計(jì)量,106,PPT學(xué)習(xí)交流,若以催化劑質(zhì)量計(jì)量：,設(shè)計(jì)方程,床層高度,注意：一般來說，固定床反應(yīng)器換熱比較困難，很難做到等溫操作，僅用于對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行估算罷了。,107,PPT學(xué)習(xí)交流,以催化劑顆粒體積計(jì)量：,108,PPT學(xué)習(xí)交流,對(duì)照平推流反應(yīng)器性能方程 二者相同,109,PPT學(xué)習(xí)交流,6.3.2 單層絕熱式固定床反應(yīng)器 定常態(tài)操作時(shí)，與流動(dòng)方向垂直的截面上溫度、濃度均勻一致，且不隨時(shí)間變化。體系的溫度和濃度僅隨流動(dòng)方向的空間位置變化。 取反應(yīng)器內(nèi)一微元段進(jìn)行物料衡算和熱量衡算得：,110,PPT學(xué)習(xí)交流,上述兩式分別積分并整理得：,設(shè)計(jì)方程,操作方程,設(shè)計(jì)方程和操作方程聯(lián)立求解，可求得W。但當(dāng)動(dòng)力學(xué)方程比較復(fù)雜時(shí)，難以得到解析解。一般采用數(shù)值積分或圖解法計(jì)算。,111,PPT學(xué)習(xí)交流,圖解法步驟 （