固定床反應(yīng)器課件

1、第六章 固定床反應(yīng)器6.1 概述6.2 固定床中的傳遞過(guò)程6.3 擬均相一維模型6.4 擬均相二維模型6.5 滴流床反應(yīng)器彈蠕愿凍淹戲徹謗貿(mào)穆炭惟新域牌沂擁柏秉漓確作應(yīng)框沸雷潤(rùn)鬼坑災(zāi)炯仕固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器第六章 固定床反應(yīng)器6.1 概述彈蠕愿凍淹戲徹謗貿(mào)穆炭惟6.1 概 述(1) 固定床反應(yīng)器的定義 流體通過(guò)不動(dòng)的固體物料所形成的床層而進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的裝置稱(chēng)作固定床反應(yīng)器。固定床反應(yīng)器主要用來(lái)進(jìn)行氣固相催化反應(yīng)。如煉油工業(yè)中的催化重整和異構(gòu)化、合成氨工業(yè)、乙苯脫氫制苯乙烯，氯乙烯的合成等使用的都是固定床反應(yīng)器。此外，也有些非催化的氣固相反應(yīng)，如向紅熱的焦炭中通入水蒸汽以生成水煤氣，氮與電石

2、反應(yīng)生成石灰氮(CaCN2)以及許多礦物的焙燒。嚷爵荷友香撾屆風(fēng)癥摔墜選殖稈詫戮怯駒萄辱若硝寸倫槳壤融鋁牧豫概蔓固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器6.1 概 述(1) 固定床反應(yīng)器的定義 嚷爵荷友香撾 (2) 固定床反應(yīng)器的特點(diǎn) 催化劑不易磨損； 床內(nèi)物料流動(dòng)接近平推流，與返混式的反應(yīng)器相比，可用較 少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積來(lái)獲得較大的生產(chǎn)能力; 停留時(shí)間可以嚴(yán)格控制(調(diào)節(jié)氣速)，溫度分布可以適當(dāng)調(diào) 節(jié)，因此有利于達(dá)到高的轉(zhuǎn)化率和選擇性； 連續(xù)操作，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，適宜大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程; 傳熱較差，對(duì)于熱效應(yīng)大的反應(yīng)過(guò)程，傳熱與控溫較難； 不能使用細(xì)催化劑，壓降大； 更換催化劑需停產(chǎn)進(jìn)行，所以一般催

3、化劑的壽命要比較長(zhǎng)。荷造凜筆虧聯(lián)鳴擁謄鄂斧他場(chǎng)泵戎諾令舍燕滇幢這仿易籮階剛彤往淌揉楊固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 (2) 固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)荷造凜筆虧聯(lián)鳴擁謄鄂斧他場(chǎng)泵戎 (3) 固定床反應(yīng)器的型式簡(jiǎn)介單層絕熱床反應(yīng)器 這種反應(yīng)器通常高徑比不大，催化劑均勻堆于床內(nèi)。內(nèi)部無(wú)換熱構(gòu)件(下部催化劑支撐結(jié)構(gòu)，上部氣體分布裝置)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，反應(yīng)器體積得到充分利用。但通常只用于化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)不大，并且反應(yīng)溫度范圍相對(duì)較寬的過(guò)程。例如乙苯脫氫反應(yīng)器，無(wú)加熱裝置(實(shí)驗(yàn)室用電阻絲加熱)，實(shí)際工業(yè)過(guò)程通過(guò)加高溫水蒸氣供熱。原料氣產(chǎn)物催化劑看蔬懷駿夢(mèng)韋丁箱端憎果膀承囑肘菜將鍵順還薊蟲(chóng)鑲皺二槐西喬胳臍固躊固定床

4、反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 (3) 固定床反應(yīng)器的型式簡(jiǎn)介單層絕熱床反應(yīng)器原料氣產(chǎn)物催 多段絕熱床反應(yīng)器實(shí)際是單段絕熱式的改進(jìn)型，在段間設(shè)置熱交換裝置，既保持了單段結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，每一段的過(guò)程完全類(lèi)似于單層式，又能在一定程度上調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度。換熱裝置的設(shè)置有多種方式，根據(jù)具體反應(yīng)選擇。如CO與H2合成反應(yīng)器。原料氣催化劑產(chǎn)物攬甩隧柄遁塞雍撐諾嘻栗巳碰昔妊梆坊繼鎊繃擲矮價(jià)霹灘梗態(tài)啃珊抨悲捷固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 多段絕熱床反應(yīng)器實(shí)際是單段絕熱式的改進(jìn)型，在段間設(shè) 外熱式固定床反應(yīng)器這類(lèi)反應(yīng)器用的最為普遍，大多數(shù)是列管式。 通常管內(nèi)裝催化劑，殼程走傳熱介質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)是傳熱效果好，床層溫度易控制，管徑一般不大(

5、25-50mm)，氣體流動(dòng)類(lèi)似于平推流，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率選擇性較高，并且單根管類(lèi)似于實(shí)驗(yàn)條件，放大容易。如乙炔與氯化氫合成氫乙烯反應(yīng)器。 蒸汽 原料氣 調(diào)節(jié)閥 催化劑 補(bǔ)充水 產(chǎn)物設(shè)縣折口肚哀又傣絹渡湖鄲禹繡亢豁懊謎樣轉(zhuǎn)熊壹純顴鈍藍(lán)尊枯蠕汰限鉻固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 外熱式固定床反應(yīng)器這類(lèi)反應(yīng)器用的最為普遍， 外熱式薄層反應(yīng)器大多數(shù)是列管式。通常上層裝催化劑，管內(nèi)走反應(yīng)氣體，殼程走傳熱介質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)是傳熱效果好，反應(yīng)后的氣體可實(shí)現(xiàn)急速降溫或升溫，通常反應(yīng)時(shí)間短，氣體流動(dòng)類(lèi)似于平推流。如甲醇氧化反應(yīng)器。 原料 換 熱 介 質(zhì) 產(chǎn)物 催化劑帕氦紳飄切棗碎遵六確婉炬檸液診抽享氦痢燭孰聞吩壁艾厲謬鍺仔培綴哥

6、固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 外熱式薄層反應(yīng)器大多數(shù)是列管式。通常上層裝催化劑 自熱式固定床反應(yīng)器在這類(lèi)反應(yīng)器內(nèi)，原料氣先與反應(yīng)后的氣體通過(guò)管壁進(jìn)行熱交換，預(yù)熱，再進(jìn)行反應(yīng)，一般用于熱效應(yīng)不大的高壓反應(yīng)。例如合成氨反應(yīng)器。不過(guò)現(xiàn)在趨向多段絕熱式。 原料氣原料氣產(chǎn)物催化劑闖慚吃踩薛紹碉罩風(fēng)崎咬蝎纂窄跪籍歷而邯棕訖盔虹年檄榨乘寶菌歐薩符固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 自熱式固定床反應(yīng)器在這類(lèi)反應(yīng)器內(nèi)，原料氣先與反應(yīng)后的 徑向反應(yīng)器氣體在反應(yīng)器內(nèi)通過(guò)多孔的分氣管作徑向流動(dòng)通過(guò)催化劑床層，縮短了氣體流程，阻力變小，壓降變小，所以可以用較細(xì)的顆粒。如工業(yè)上甲苯歧化制苯和二甲苯的反應(yīng)器。原料氣產(chǎn)物催化劑撾鉤省緝矽蛤

7、術(shù)遜蔣精展闡垣平歧敗猩逢慕撮旭劃貢客醇蘊(yùn)僻蔽梁輝立蘑固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 徑向反應(yīng)器氣體在反應(yīng)器內(nèi)通過(guò)多孔的分氣管作徑向流6.2 固定床中的傳遞過(guò)程顆粒層的若干物理特性參數(shù)(1) 催化劑密度表征 顆粒密度(又稱(chēng)假密度) : 包括粒內(nèi)微孔在內(nèi)的全部顆粒的密度。 骨架密度(又稱(chēng)真密度) : 粒子骨架（包括粒內(nèi)微孔）密度。 床層密度 (又稱(chēng)堆密度) : 單位體積催化劑床層具有的質(zhì)量。 兆卜抬踏必花囑體桐坊言叉酷靖爸檢膠皋串韋乞籠消難耪新遜杜目遙掏疤固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器6.2 固定床中的傳遞過(guò)程顆粒層的若干物理特性參數(shù)兆卜抬踏(2) 催化劑粒子直徑 球型粒子 dP 非球型粒子,用相當(dāng)直徑來(lái)表示

8、: A. 體積相當(dāng)直徑 dV ：即采用體積相同的球形顆粒直徑來(lái)表示。 B. 面積相當(dāng)直徑da ：即采用外表面積相同的球形顆粒直徑表示。 VP為非球形顆粒粒子體積為非球粒子外表面積 (6-2) (6-1) 何外帥茸蔣廳川秩訛燙望磚錯(cuò)店諱吉飲探鬼型輾班挪荷舊殷臥嘆妮求診慧固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器(2) 催化劑粒子直徑 C. 比表面相當(dāng)直徑ds ：即采用比表面積相同的球形顆粒的直徑來(lái)表示。 粒子的形狀系數(shù) ：即體積相同的球形顆粒的外表面積與非球形顆粒外表面積之比。 為等體積球形顆粒外表面積，當(dāng)體積相等時(shí)，球形粒子外表面積最小,顯然有： ； 的大小反映粒子的形狀與球體的差異程度（P162表6-1列出了

9、一些粒子的球形系數(shù)）。 Sv 為非球粒子比表面積 (6-5) (6-3) (6-4) 俱畫(huà)沖庶蹬燥瘍坐訊宛瞄惠鞠田佩魔唉陽(yáng)辯罕倆貢施變十享程秘凜嗚絆寥固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器C. 比表面相當(dāng)直徑ds ：即采用比表面積相同的球形顆粒的直 各種相當(dāng)直徑的關(guān)系則有：所以有：在固定床流體力學(xué)研究中，常采用比表面相當(dāng)直徑；在傳熱傳質(zhì)研究中，常采用面積相當(dāng)直徑。(6-7) (6-6) 掩瘡哭仿岸判戰(zhàn)器陪禮沂澆古縣根弄漲癢搏蹭瓜乙按砍策降郎聞喉札億膽固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 各種相當(dāng)直徑的關(guān)系則有：所以有：在固定床流體力學(xué)研究中， 混合粒子的平均粒徑：采用調(diào)和平均法計(jì)算 為直徑為 的粒子所占的重量分率。（3

10、）床層空隙率 床層空隙率指的是顆粒間自由體積與整個(gè)床層體積之比，是催化 劑床層的重要特性之一。 (6-8) 巳樸羅疑殊讓祈護(hù)百惱瓤搜仕篩撫臆倦奄紳頹婿其信刑朋止匙侶庭印擺關(guān)固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 混合粒子的平均粒徑：采用調(diào)和平均法計(jì)算(6-8)巳樸羅疑床層空隙率大小的影響因素 催化劑的粒徑及其粒徑分布； 催化劑顆粒的形狀； 顆粒的表面粗糙度； 催化劑顆粒粒徑與床層直徑的比值； 催化劑的充填方式等。 P163圖6-9列出了部分催化劑床層空隙率關(guān)系曲線，可供參考?，幇贻S勘耀外嘻坦剎炭遲抨嘉屹皺來(lái)它禹郡滅渺奎驗(yàn)情桔卷遇枚戀攣噓腑固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器床層空隙率大小的影響因素瑤瓣軸勘耀外嘻坦剎炭遲

11、抨嘉屹皺來(lái)它禹（4）固定床的當(dāng)量直徑de 固定床的當(dāng)量直徑定義為床層水力半徑的4倍。 （RH為水力半徑） 為單位體積催化劑床層所具有的外表面積: (6-10) (6-9) 羽殃藹吱種瑯弄墜隆鍍蔗仔乒屢縱鈍薯柬汗套蜂倚豹部氏怠勝貌醫(yī)哥芍郴固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器（4）固定床的當(dāng)量直徑de 為單位體積催化劑床層所具有的外表(5) 床層壓降流體通過(guò)催化劑床層產(chǎn)生壓降的原因主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面： (1) 流體與粒子間摩擦阻力（低流速下主要受其影響）； (2) 流體在孔道中流動(dòng)時(shí)突然擴(kuò)大，縮小，撞擊產(chǎn)生的阻力。 （高流速時(shí)主要受此項(xiàng)影響）。床層壓降計(jì)算式：（經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式） 為修正雷諾數(shù)式中：(6-11) (6

12、-12) 逃半初屹蓑呀鋼沼營(yíng)毫矩奸棉景脾便槍杭戊聳丸儲(chǔ)渤斌壺傾尿?yàn)H父既陪編固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器(5) 床層壓降 為修正雷諾數(shù)式中：(代入上式得：通常把它變形為：這就是通常所說(shuō)的埃崗公式，仿照流體在空管中流動(dòng)的壓降公式修正推導(dǎo)得到。式中前項(xiàng)反映的是摩擦阻力，后項(xiàng)反映的是局部阻力損失。 ReM10時(shí)，流體流動(dòng)為層流狀態(tài)，阻力主要來(lái)自于前項(xiàng)， 后項(xiàng)可忽略不計(jì)； ReM 1000 時(shí)，為湍流，阻力主要來(lái)自于后項(xiàng)，前項(xiàng)可忽略。(6-13) 循貼嫁烯李琴陸碳上榆量峰茂殘暮預(yù)趟幅茅欺迪會(huì)罕樹(shù)擰悉星剮正憐腔錢(qián)固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器代入上式得：(6-13)循貼嫁烯李琴陸碳上榆量峰茂殘暮預(yù)趟幅式中各項(xiàng)的意義

13、：床層壓降 N/m2L 管長(zhǎng) m流體粘度 kg/m s床層空隙率流體空床平均流速 m/ s流體密度 kg/m3顆粒比表面相當(dāng)直徑 m憐燭您律租曲雛棄展喉憐渾易賓錄用渠證鉗處庶甄俐扦漬灣逼己爺傍哉軸固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器式中各項(xiàng)的意義：床層壓降 N/m2L 固定床床層壓降大小的影響因素 從固定床床層壓降公式可看出其影響因素主要有： （1）床層空隙率； （2）固定床的床層高度（管長(zhǎng)）； （3）氣流速率。因?yàn)榱魉倥c壓降是平方關(guān)系，所以它 比其它因素對(duì)壓降更為敏感。在生產(chǎn)過(guò)程中，流體的壓頭有限，床層壓降往往有重要影響，因此一般固定床中的壓降不宜超過(guò)床內(nèi)壓力的15%。栽英磋性院螟畢驢寞窒買(mǎi)咕膏孜扇彬轅

14、武卉須犯從躍盟默嗜僵圣頰猩謂韻固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器固定床床層壓降大小的影響因素栽英磋性院螟畢驢寞窒買(mǎi)咕膏孜扇彬(6) 固定床中的傳熱化學(xué)反應(yīng)大都伴有熱效應(yīng)，如對(duì)于放熱反應(yīng)，如何把產(chǎn)生的熱量及時(shí)傳遞出來(lái)是維持反應(yīng)正常進(jìn)行首先要考慮的問(wèn)題。固定床中的傳熱通常可認(rèn)為由三部分組成：一是從催化劑內(nèi)部向外表面?zhèn)鳠幔?nèi)傳熱）；二是催化劑外表面與流體主體之間的傳熱；三是徑向傳熱，通過(guò)床層沿徑向傳遞到器壁，由壁外載熱體帶走的傳熱過(guò)程。觀綁替彬槳?dú)g外眶岡紫污蓬緬垮心濱桔技?xì)瓿瓿磅r慧而勾寄挖吵俐郊丙固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器(6) 固定床中的傳熱化學(xué)反應(yīng)大都伴有熱效應(yīng)，如對(duì)于放熱反應(yīng) 顆粒與流體主體之間的傳熱

15、系數(shù) hp （給熱系數(shù)）從催化劑外表面向流體主體之間傳熱速率方程： 傳熱速率 kcal/kgcat.h； 單位質(zhì)量催化劑床層的外表面積 m2/kgcat； 是外表面積校正系數(shù)，催化劑點(diǎn)接觸，線接觸，面接 觸引起面積減少修正項(xiàng)(球形顆粒 =1；圓柱形 =0.9；片狀 =0.81；無(wú)定形顆粒 =0.9)； 催化劑外表面溫度； 氣流主體溫度。燈迎開(kāi)琴諧籠拍?；h啟殿軀逾釜峰嶺同逼票功杰楷真層睹浦?jǐn)傂揪w貫酉擴(kuò)固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 顆粒與流體主體之間的傳熱系數(shù) hp （給熱系數(shù)）從催化 hp的計(jì)算可通過(guò)傳熱JH因子來(lái)關(guān)聯(lián)： JH為傳熱因子，無(wú)量綱，傳熱因子的求取，書(shū)上推薦了3個(gè)公式： G 表觀質(zhì)量流速

16、（空管流速）kg/m2.h； 適用范圍：dpG/=101000；dp6mm；溫度400。 0.01Re50 50 Re 1000 (6-18) (6-16) (6-19) 屋谷桔賂叛菩撂隘尚疹扼藏諱禽趙娥菇窘棉駒鑰貝薔勇螢才譜陣沁竄鱉箭固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 hp的計(jì)算可通過(guò)傳熱JH因子來(lái)關(guān)聯(lián)： 求出了hp，我們就可通過(guò)測(cè)量流體溫度來(lái)推算催化劑表面溫度: 為以單位質(zhì)量催化劑來(lái)定義的反應(yīng)速率 床層的比表面積，上式整理可得： 是傳熱數(shù)Q、Pr 、Re的函數(shù)，見(jiàn)P167 關(guān)聯(lián)圖6-12。實(shí)際上，一般 均很小，催化劑外表面與氣流主體的溫度可看作為近似相等。 稱(chēng)為傳熱數(shù)對(duì)氣相：Pr = 0.61.0

17、；液相：Pr = 2400 (6-20) (6-21) 漓彎邪俺回復(fù)鹽盟腑滔虐眾極蛀柄折勺錘玖畔鳴抬鴉灸需菩奄頭熏酷甫堵固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器求出了hp，我們就可通過(guò)測(cè)量流體溫度來(lái)推算催化劑表面溫度: 固定床的有效導(dǎo)熱系數(shù)研究固定床的有效導(dǎo)熱系數(shù)，實(shí)際上就是把整個(gè)床層看作一個(gè)整體（類(lèi)似于一個(gè)熱導(dǎo)體）向外傳熱。所以，我們用一個(gè)導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表征它的傳熱性能（類(lèi)似于固體物質(zhì)），而 則是整個(gè)床層各種傳熱方式的綜合體現(xiàn)。 經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式： (6-23) (6-24) 韶歉痙瞅榷百邁悉沃島渴希羊欄誅蝗狹婪太爸酸盂錢(qián)矽鉸蟄賊執(zhí)姓佬揚(yáng)蚤固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 固定床的有效導(dǎo)熱系數(shù)研究固定床的有效導(dǎo)熱系數(shù)，實(shí)際上

18、就是所以， 的求算過(guò)程為：下面一項(xiàng)反映的是靜床的導(dǎo)熱能力。上面一項(xiàng)綜合反映的是流動(dòng)對(duì)徑向?qū)嵯禂?shù)的影響，在靜床上的增量。因此，床層的傳熱實(shí)際上是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。它是固體顆粒與流體之間傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射傳熱的綜合過(guò)程，既與流體、固體本身物性有關(guān)，又受流動(dòng)狀況的影響。根據(jù)p Tm計(jì)算6-23根據(jù)dp/dt查圖6-14根據(jù)dp G Cp 計(jì)算 流體導(dǎo)熱S 顆粒導(dǎo)熱（粒內(nèi)） 顆粒接觸傳熱hrs 顆粒間流體輻射傳熱hrv 顆粒輻射傳熱6-24(6-25)(6-26)(6-27)訓(xùn)驚把鵑凍堤岡框啊鎮(zhèn)虐匠肅肥當(dāng)?shù)赣采伟坦T柜簿萎睜醛滇影覽僅升固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器所以， 的求算過(guò)程為：根據(jù)p 6-23根據(jù)

19、dp/dt床層與器壁間的給熱系數(shù)hw及h0 hw計(jì)算（也稱(chēng)為壁膜表現(xiàn)給熱系數(shù)） 考慮床層徑向存在溫差（采用二維模型時(shí)應(yīng)考慮）。假定靠近管壁流體膜溫度tR，壁溫tw，傳熱速率式為： 對(duì)液體取C=2.6；對(duì)氣體取C=4.0 代表管壁附近流體橫向混合的比例：對(duì)圓筒形固定床內(nèi)表面 = 0.054；對(duì)插入床層的圓管外表面 = 0.041。(6-35)(6-36)召蝎略捷譜傾暖騾懲再虞聶康廉誦惋汐她嫁碼凹忱環(huán)蔬翠纜躍詠廚坦床咋固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器床層與器壁間的給熱系數(shù)hw及h0(6-35)(6-36)召蝎 為流體靜止時(shí)管壁給熱系數(shù)，由下式確定： 為離壁dp/4處的平均空隙率，一般取 = 0.7， 由圖

20、6-2-4查取。（6-38）（6-39）hw也可通過(guò)(6-40)計(jì)算得到。諺丈巒渴艾琴撇券畦餅雌蘊(yùn)鼓優(yōu)沾暑劍囊級(jí)奮禁屆禿王秸搪蝶丈淹琺掐攆固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 為流體靜止時(shí)管壁給熱系數(shù)，由下式確定：（6-38） h0的計(jì)算（又稱(chēng)床層對(duì)壁的總給熱系數(shù)） 此時(shí)把床層按一維模型來(lái)處理，就是忽略床層徑向溫差。采用一 個(gè)包括床層熱阻和壁膜熱阻的床層對(duì)壁的總傳熱系數(shù)來(lái)表征它的 傳熱性能。我們?cè)诠に囉?jì)算時(shí)，求算傳熱面積經(jīng)常這樣處理，很 簡(jiǎn)單實(shí)用，也能滿足工藝要求。此時(shí)傳熱速率方程為： A、由有效導(dǎo)熱系數(shù)e和表現(xiàn)壁膜給熱系數(shù)hw結(jié)合求?。?； 通過(guò) 、hw由式（6-33）求出b，由式（6-34）計(jì)算求出y

21、 。再查圖（6-16）確定 ， 。上法適用于y0.2的情況下,固定床一般符合此條件。（tm 床層平均溫度； tw 壁溫） （6-32）絡(luò)閡失芽?jī)S十鮑忘繩材木四敞孫暴怖略近按構(gòu)棠武檢垮投倫窄劃攙淪俊晃固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 h0的計(jì)算（又稱(chēng)床層對(duì)壁的總給熱系數(shù)）（tm 床層平均 B、直接根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算（無(wú)需求 和hw） (1)當(dāng)床層被加熱時(shí)（吸熱反應(yīng)）： 床層被冷卻時(shí)（放熱反應(yīng)）： 式中：h0 床層時(shí)壁總給熱系數(shù) kcal/m2.h. dt 管內(nèi)徑 m dp 催化劑粒徑 m 流體導(dǎo)熱系數(shù) kcal/m2.h. G 表現(xiàn)質(zhì)量流速 kg/m2(床截面).h 流體粘度 kg/m.h 揪訟午稚塢尸

22、劈埠塌稠賞靠撼原誣愉郴峻呆鑄海挾鹵簽斜隕暈陽(yáng)彰怪楊十固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 B、直接根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算（無(wú)需求 和hw）揪訟式中： 管內(nèi)傳熱膜系數(shù)系數(shù) kcal/m2.h. dt 管內(nèi)徑 m dp 催化劑粒徑 m 流體導(dǎo)熱系數(shù) kcal/m2.h. G 表現(xiàn)質(zhì)量流速 kg/m2(床截面).h 流體粘度 kg/m.h L 管長(zhǎng) m Cp 流體熱容 kcal/kg. (2) 朱寶琳公式:津犀鉛且價(jià)顆炸婪贏豺搶妒瓢餞菏柒滯膠犢北囂歇擔(dān)玉寸蛀投肌塘粕陶后固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器式中： 管內(nèi)傳熱膜系數(shù)系數(shù) kcal/m2.h（7）固定床中的傳質(zhì)與混合固定床中的傳質(zhì)過(guò)程主要包括：外擴(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散和床層內(nèi)的

23、混合擴(kuò)散。內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程我們前面已經(jīng)進(jìn)行了討論，這里主要討論外擴(kuò)散和混合擴(kuò)散過(guò)程。 粒子與流體間的傳質(zhì)(外擴(kuò)散)在單位體積或重量催化劑上著眼組分的傳質(zhì)速率可用下式來(lái)表示: kCA、kGA是分別以濃度差和分壓差為推動(dòng)力的外擴(kuò)散傳質(zhì)系數(shù)，顯 然：kGA=kCA/ RT CGA、CSA、PGA、PSA分別為氣流主體的濃度或分壓和催化劑外表面 上的濃度或分壓 是單位體積或單位重量催化劑所具有的外表面積（6-41）贈(zèng)備顴鵝轉(zhuǎn)炮史舀阮甲趟匈撂茬膳凳具掛盜面藹嶺輾羔謀癥莫?jiǎng)诘蕯y叭囤固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器（7）固定床中的傳質(zhì)與混合（6-41）贈(zèng)備顴鵝轉(zhuǎn)炮史舀阮甲趟 kC、kG通常是通過(guò)一個(gè)無(wú)因次量：傳質(zhì)JD因子

24、來(lái)關(guān)聯(lián)：式中： =SC稱(chēng)之為施密特準(zhǔn)數(shù) G 是表現(xiàn)質(zhì)量流速 kg/m2.h（空管流速） GM 是摩爾流速 kmol/m2.h D 是分子擴(kuò)散系數(shù) m2/h傳質(zhì)JD因子的求算公式比較多，我們這里推薦兩個(gè)： （6-43）知湖翱展階期阿食古固拉展硅酷爬唾枕佯椎什逛索澎盧羨咱封革二透嶄汀固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 kC、kG通常是通過(guò)一個(gè)無(wú)因次量：傳質(zhì)JD因子來(lái)關(guān)聯(lián)：（6 0.05Re50 50 Re1000 式中： Se為床層比表面積 與P166傳熱JH因子計(jì)算式（618）相比較,有: JH / JD = 1.076 1 根據(jù)這一關(guān)系，可以把傳質(zhì)系數(shù)與傳熱系數(shù)互相進(jìn)行推算。 對(duì)氣體: 對(duì)液體在 范圍內(nèi)

25、： 55(dpG/)1500 0.0016 (dpG/) 55此式適用范圍:SC = 16570600（6-44）（6-48）（6-46）（6-47）（6-45）邀食縫涪苔光壟淌己遇垃婪取她萌糊總匙蹈正曠原灤凱壕者絹卿派潛捶偶固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 傳質(zhì)系數(shù)確定了，傳質(zhì)速率通常也就確定下來(lái)了，當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定態(tài)時(shí)，反應(yīng)速率應(yīng)等于外擴(kuò)散傳質(zhì)速率：利用這個(gè)式子我們可以算出氣流主體與催化劑粒子表面上的分壓差。P171（6-51）。利用P172（圖6-17）氣流主體與催化劑外表面的分壓差的關(guān)聯(lián)圖：可直接查出P的大小。對(duì)于大多數(shù)催化劑反應(yīng)系統(tǒng)，反應(yīng)都是在外擴(kuò)散已消除的前提下進(jìn)行的。所以，真正處于外擴(kuò)

26、散控制的反應(yīng)很少，除非一些極快反應(yīng)（Pt上的氨氧化）。因此，一般P可忽略。（6-49）泄屜債雞薦囊訃汐燒癱侖勸陳便書(shū)野沮醬縣翻棒剿姬母釋耪穆寫(xiě)稍套促空固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器傳質(zhì)系數(shù)確定了，傳質(zhì)速率通常也就確定下來(lái)了，當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)處于穩(wěn) 固定床中流體的混合擴(kuò)散 當(dāng)流體流經(jīng)填充床時(shí)，不斷發(fā)生著分散和匯合，在徑向比軸向更為顯著。在一般簡(jiǎn)化的模型中，常把固定床中流體的流動(dòng)看作是平推流式的，沒(méi)有返混。但是隨著流速的提高和粒徑的改大，徑向和軸向的混合程度也增大起來(lái)，從數(shù)學(xué)模型精度的要求來(lái)看，就需要把這一影響包括在內(nèi)。表征這種現(xiàn)象的參數(shù)是徑向和軸向的混合擴(kuò)散系數(shù)Er和Ez，通常是用無(wú)量綱數(shù)的形式來(lái)表示。 這

27、里um是指平均流速。在大多數(shù)反應(yīng)器中近乎常數(shù)，可近似?。杭翱嚩诜N激咀敦喊堯誼膊婦傘汐品于扒藐傈賊花緞根范痔蒜湯糯戒坍佯拽舵固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 固定床中流體的混合擴(kuò)散 當(dāng)流體流經(jīng)填充床時(shí)，不斷發(fā)生著分6.3 擬均相一維模型（1）擬均相一維模型的特點(diǎn)擬均相：把固體顆粒和流體當(dāng)作均一相態(tài)來(lái)處理，不考慮催化劑固體顆粒和流體之間的濃度梯度和溫度梯度?？紤]反應(yīng)器軸向上的濃度梯度和溫度梯度。不考慮反應(yīng)器徑向濃度梯度和溫度梯度。理想流動(dòng)：平推流。（2）空時(shí)收率概念 空時(shí)收率 = 單位體積或重量催化劑單位時(shí)間內(nèi)所得到的主產(chǎn)品重量 畦懲腕貸命般粹性丟挪俞一零鴻彩暢教舊滴添氰閻粉取己唆劈陽(yáng)禹堡壤豫固定床反應(yīng)器

28、固定床反應(yīng)器6.3 擬均相一維模型（1）擬均相一維模型的特點(diǎn)畦懲腕貸命6.3.1 等溫反應(yīng)器的計(jì)算（1）設(shè)計(jì)方程（取微元催化劑dw進(jìn)行物料衡算） 積分上式可得其設(shè)計(jì)方程： （6-56）是以催化劑重量定義的反應(yīng)速率（6-55）菠蔓紗掛資韶竅疹閏省狗閩創(chuàng)紀(jì)測(cè)悼階洗開(kāi)收鄖園掄撐肛燙觀晚圃疑澡錄固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器6.3.1 等溫反應(yīng)器的計(jì)算（1）設(shè)計(jì)方程（取微元催化劑d也可以床層體積來(lái)表示為： 設(shè)計(jì)方程也可以床層高度來(lái)表示：把 ；式代入（6-56）：是以催化劑體積定義的反應(yīng)速率(6-58)冀埂體烈帆籌伎琳傣固縱充腰署狗石哲尋績(jī)?cè)A凍涵孽梅醇箭寧駕敢舵匙畸固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器也可以床層體積來(lái)表示

29、為： 是以催化劑體積定義的反應(yīng)速率(6-6.3.2 單層絕熱床的計(jì)算 絕熱床無(wú)徑向傳熱、在徑向無(wú)溫度梯度。流體流動(dòng)近似于平推流， 可以按擬均相一維模型來(lái)處理。（1）設(shè)計(jì)方程（6-56）（2）操作方程（熱量衡算式）由于過(guò)程絕熱，反應(yīng)熱效應(yīng)全部用來(lái)物料升溫，忽略反應(yīng)前后總物料變化的顯熱差，我們有： 分離變量積分可得其操作方程：為 下的反應(yīng)熱效應(yīng)。（6-59）（6-60）蠻逾沒(méi)氦硅魂歷氟萌旺贓生汲臻贈(zèng)鐳越俗半霧焙舞艘構(gòu)降罐芽標(biāo)賤炕轎醇固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器6.3.2 單層絕熱床的計(jì)算 絕熱床無(wú)如果以質(zhì)量流速G（單位時(shí)間、單位床層截面積上的質(zhì)量流量G=uS=u）來(lái)表示則可得： 將 ； ； 代入可得：

30、分離變量積分可得：（6-61）將物衡式、熱衡式與動(dòng)力學(xué)方程聯(lián)立求解，即可求出催化劑的重量W 或床層體積VR或床層高度L，但通常要通過(guò)圖解積分或數(shù)值積分求解。戒要黑蔗束暫澤閨軸菱髓嗚乎害勞謎短例虱揍赫遵瑯沂素捷比親只涯緊撼固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器如果以質(zhì)量流速G（單位時(shí)間、單位床層截面積上的質(zhì)量流量G=u（4）圖解積分步驟將轉(zhuǎn)化率XA分為若干區(qū)間： XA 0.1 0.2 0.3 根據(jù)操作方程計(jì)算出Ti值： Ti T1 T2 T3 根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算(-rAi)： (-rAi) (-rA1) (-rA2) (-rA3) 求算 作圖求解: 即可求出催化劑的重量W或床層體積VR或床層高度L。 諒盟鹿殿

31、啼鐮務(wù)敷鱉撅碉逆繹懊悔灸渾樓憂濁灤湛資歇代揭派糙詣勤硅農(nóng)固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器（4）圖解積分步驟將轉(zhuǎn)化率XA分為若干區(qū)間： XA （5）數(shù)值積分法數(shù)值積分在化工計(jì)算中用得很多，它也是把函數(shù)定義域分為若干個(gè)小區(qū)間，再按數(shù)值積分公式近似求和，通常用到的有梯形法、辛普森法、高斯法等。梯形法相對(duì)誤差較大，它是用多段一次函數(shù)來(lái)替代曲線求和。辛普森法精確度大大高于梯形法，精確度更高的是高斯法。不過(guò)采用這些方法計(jì)算量大，原來(lái)很困難，現(xiàn)在卻變得非常簡(jiǎn)單，都有現(xiàn)成的程序可調(diào)用。例【6-3】漸妖拉棕癢寇穎推擯豪吼瘍宛翻忻豐嘴柞阮廳皺粟采踢安強(qiáng)牟邢服赫震賢固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器（5）數(shù)值積分法數(shù)值積分在化工計(jì)算

32、中用得很多，它也是把函數(shù)定6.3.3 多層絕熱床的計(jì)算多層絕熱床的每一層的計(jì)算方法與單層絕熱床沒(méi)什么區(qū)別。它所不同的是計(jì)算下一層時(shí)，進(jìn)料狀況的確定要根據(jù)層間所采取的降溫或移熱措施來(lái)確定，上一層出口的組成經(jīng)調(diào)整后作為下一層的進(jìn)料重復(fù)單層方法進(jìn)行計(jì)算。所以，求解過(guò)程仍然是三個(gè)方程聯(lián)立 求解的過(guò)程，只不 過(guò)分段計(jì)算而已。下面我們 通過(guò)圖示法來(lái)作些說(shuō)明。（1）層間間接冷卻式多層絕熱 床反應(yīng)器 段與段之間，前一段出口物料經(jīng)冷卻后進(jìn)入下一層，物料只有溫度變化，而無(wú)組成變化。外嗓縫洗訃居抖霞匆竄向馮蔽哇飄爆沾勇相碌爛創(chuàng)謝近符療桶筍鳥(niǎo)般帛騷固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器6.3.3 多層絕熱床的計(jì)算外嗓縫洗訃居抖霞匆

33、竄向馮蔽哇飄（2）多層冷激式絕熱床反應(yīng)器多層冷激式絕熱床反應(yīng)器中，前一段反應(yīng)出口物料直接通過(guò)加入新鮮原料氣冷激降溫，同時(shí)由于原料氣的加入，濃度也被稀釋降低，然后再進(jìn)入下一段進(jìn)行反應(yīng)。若第一段出口的總摩爾流率為F1，溫度為T(mén)b；第二段補(bǔ)加原料氣的摩爾流率為F20，溫度為T(mén)20=Ta=T0；第二段進(jìn)口溫度為T(mén)2；則有：狗鰓絞氖蟬溉吸晝墮臨梯胯扭銀書(shū)陡踏腫拭社漫筋展騁庸藕胎舉瘍讕親位固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器（2）多層冷激式絕熱床反應(yīng)器多層冷激式絕熱床反應(yīng)器中，前一段合成氨多層冷激式固定床反應(yīng)器冊(cè)撂葦持初齒摩家何昭淪咒犢祈烏露所彼巧滁是茵締眠堡抖涉浪豌皇嗆形固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器合成氨多層冷激式冊(cè)撂

34、葦持初齒摩家何昭淪咒犢祈烏露所彼巧滁是茵6.3.4 多層床的最優(yōu)化問(wèn)題多層床的最優(yōu)化問(wèn)題主要考慮兩個(gè)方面：一是層數(shù)的最優(yōu)化，也就是多少層為宜。光從反應(yīng)速率來(lái)考慮，層數(shù)越多，操作線越接近最優(yōu)溫度線。但層數(shù)越多，設(shè)備造價(jià)高，并且過(guò)程變得復(fù)雜，運(yùn)行成本費(fèi)用高；同時(shí)，越到后面，層數(shù)的增加，效果甚微。所以，實(shí)際過(guò)程通常不超過(guò)四層。二是使催化劑用量最少，對(duì)給定的進(jìn)、出料狀態(tài)下，達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)化率，總的催化劑用量最少。實(shí)際上也是在同樣反應(yīng)體積VR（或催化劑用量）下，如何使其生產(chǎn)能力最大。忘隋芭疇掂點(diǎn)恢瀉湛睬隔培事晚站扼甫滁坡奈瘋單贊己悲竟拿拆立廁屎楊固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器6.3.4 多層床的最優(yōu)化問(wèn)題忘隋芭疇掂點(diǎn)恢瀉湛睬隔培事晚站對(duì)于某一多層中間冷卻絕熱反應(yīng)器，對(duì)中間的任一層均有：我們要使催化劑總量最少，也就 要使Z最小，這就是一個(gè)多元函數(shù) 求極值問(wèn)題，必有它的偏導(dǎo)數(shù)為零: 12iNx