固定床反應(yīng)器

固定床反應(yīng)器第1頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.

定義：凡是流體通過(guò)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(lái)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(guò)床層，進(jìn)行反應(yīng)的裝置稱(chēng)作固定床反應(yīng)器。

6.1概述

第2頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第3頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第4頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第5頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(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(lái)調(diào)節(jié)。氣體自上而下流過(guò)床層催化劑床層內(nèi)的流動(dòng)是通過(guò)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)狀況不完全相同第6頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器熱載體：水、高壓水：100~300℃

導(dǎo)生油：200~350℃

熔鹽：300~500℃

煙道氣：600~700℃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)合第7頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、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。第8頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(guò)熱；催化劑顆粒的更換費(fèi)事，不適于容易失活的催化劑。第9頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

三、固定床反應(yīng)器類(lèi)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(lèi)，可有以下幾類(lèi)：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。））第10頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類(lèi)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(méi)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(guò)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)。第11頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原料氣產(chǎn)物催化劑絕熱式固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器類(lèi)型第12頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類(lèi)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(guò)床層進(jìn)行反應(yīng)，床層同外界無(wú)熱交換第13頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類(lèi)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(guò)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(guò)的距離較短，流道截面積較大，床層阻力降較小。第14頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類(lèi)型（a）（b）第15頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類(lèi)型第16頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

固定床反應(yīng)器類(lèi)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(lèi)可逆放熱反應(yīng)過(guò)程，通過(guò)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。第17頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月間接換熱

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)品第18頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

固定床反應(yīng)器類(lèi)型

第19頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

固定床反應(yīng)器類(lèi)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(chēng)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(wàn)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。第20頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

固定床反應(yīng)器類(lèi)型

第21頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

固定床反應(yīng)器類(lèi)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(guò)程。反應(yīng)器由成千上萬(wàn)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，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛。第22頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月列管式固定床反應(yīng)器

第23頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類(lèi)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(lái)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。第24頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類(lèi)型第25頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類(lèi)型4、自熱式反應(yīng)器采用反應(yīng)放出的熱量來(lái)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。第26頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月逆流

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第27頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月逆流并流反應(yīng)器溫升快，且下降也快相反熱點(diǎn)靠近反應(yīng)器進(jìn)口熱點(diǎn)靠近反應(yīng)器出口反應(yīng)后期易過(guò)冷前期升溫較慢，后期易過(guò)熱可逆放熱反應(yīng)不可逆放熱反應(yīng)第28頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、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100~300℃。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(wú)腐蝕，無(wú)相變，溫度范圍200~350℃第29頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳熱介質(zhì)3.熔鹽：溫度范圍300℃～400℃，由無(wú)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：適用于600～700℃的高溫反應(yīng)。第30頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器的分類(lèi)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（250~300℃）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)器第31頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、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。第32頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(guò)熱；催化劑顆粒的更換費(fèi)事，不適于容易失活的催化劑。第33頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原料氣產(chǎn)物催化劑絕熱式固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器類(lèi)型第34頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月間接換熱

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)品第35頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

固定床反應(yīng)器類(lèi)型

第36頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月列管式固定床反應(yīng)器

第37頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月逆流

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第38頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類(lèi)型（a）（b）第39頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定床反應(yīng)器類(lèi)型第40頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(guò)床層。第41頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2固定床中的傳遞過(guò)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。第42頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、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)果不同第43頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(1)描述顆粒形狀

①顆粒的球形度φ

表明：顆粒形狀接近于球形的程度；

φ↑，則顆粒越接近于球形。球形顆粒：球形顆粒非球形顆粒第44頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月②顆粒的比表面積

a說(shuō)明：V相同時(shí)，a

↓，則顆粒越接近球形。a與φ關(guān)系：球形顆粒比表面積：第45頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例1邊長(zhǎng)為L(zhǎng)=4mm的正方體顆粒求：dv,ds,da,ψ,a解：第46頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月②dv,ds,da三者關(guān)系

da≤dv≤ds

第47頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(guò)量：通過(guò)篩孔的顆粒量；

篩余量：截留于篩面上的顆粒量。第48頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月①顆粒的篩分尺寸②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)①平均比表面積：

di-1didi+1di+2第49頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月②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

①定義：床層中，空隙所占體積分率。表明：

床層堆積的松散程度；

ε↑，空隙越大，床層越松散；

ε對(duì)流體流過(guò)床層的阻力影響很大。Lu第50頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

②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：③空隙率測(cè)量---充水法、稱(chēng)量法第51頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月非球形顆粒的形狀系數(shù)物料形狀φs物料形狀φs鞍形填料－0.3砂0.75拉西環(huán)－0.3各種形狀平均尖狀0.65煙道塵球狀0.89硬砂尖片狀0.43聚集態(tài)0.55砂圓形0.83天然煤灰大至10mm0.65砂有角狀0.73破碎煤粉0.75碎玻璃屑尖角狀0.65第52頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、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。第53頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月顆粒視密度又稱(chēng)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ρp=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ρB=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。第54頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(guò)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。

第55頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6-9填充床的空隙率床層空隙率εB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第56頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、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)。

εB——床層空隙率

Vp

——非中空顆粒等體積的圓球體積第57頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、床層當(dāng)量直徑式中，RH——水力半徑。床層的空隙體積總的潤(rùn)濕面積有效截面積潤(rùn)濕周邊＝根據(jù)水力半徑的定義有：第58頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)。第59頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月按混合顆粒的平均直徑計(jì)算離壁距離床層空隙率εB010.80.40.5

11.522.523.544.55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)。第60頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月空管內(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)102第61頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(guò)床內(nèi)壓力的15%。氣體流動(dòng)通過(guò)催化劑床層的壓力降厄根(Ergun)方程計(jì)算式：摩擦系數(shù)第62頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月修正雷諾數(shù)：um——平均流速(空床氣速)；L——床層高度；ρ、μ——流體的密度和粘度；ds

——

比表面當(dāng)量直徑。第63頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Rem<10，層流，上式中右邊第二項(xiàng)可忽略；Rem>1000，湍流，上式中右邊第一項(xiàng)可忽略。第64頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月式中：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Δp計(jì)算公式：第65頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖6-11固定床的摩擦系數(shù)第66頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月推導(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ρ：流體密度u：實(shí)際流速，通常以空塔氣速u(mài)m=u/εB表示第67頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第68頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第69頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第70頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第71頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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第72頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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：第73頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月床層壓降計(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B＝0.44。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。粒度ds/mm3.404.606.90質(zhì)量分率w0.600.250.15第74頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第75頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第76頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、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)果不同第77頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

顆粒床層的特性(1)床層空隙率

①定義：床層中，空隙所占體積分率。表明：

床層堆積的松散程度；

ε↑，空隙越大，床層越松散；

ε對(duì)流體流過(guò)床層的阻力影響很大。Lu第78頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)。第79頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月空管內(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)102第80頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月顆粒視密度又稱(chēng)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ρp=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ρB=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。第81頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(guò)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。

第82頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月修正雷諾數(shù)：um——平均流速(空床氣速)；L——床層高度；ρ、μ——流體的密度和粘度；ds

——

比表面當(dāng)量直徑。第83頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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第84頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月床層壓降計(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B＝0.44。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。粒度ds/mm3.404.606.90質(zhì)量分率w0.600.250.15第85頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第86頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第87頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例: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/(s.m2)。設(shè)床層的平均溫度為689K，反應(yīng)氣體的黏度為2.5×10-5Pa.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：由題意知第88頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月床層空隙率為第89頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第90頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月代入厄根(Ergun)方程：第91頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)：固定床的優(yōu)缺點(diǎn)固定床的分類(lèi)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)量直徑第92頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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顆粒與流體間傳熱系數(shù)第93頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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。第94頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(guò)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鱾鳠犷w粒表面之間的熱輻射傳熱第95頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、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)hpdp可用dv代注意：在參考其他教材時(shí)，給熱系數(shù)多以α表示。第96頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第97頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月計(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(shū)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。第98頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)；第99頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)；第100頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(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：第101頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、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(wú)量綱數(shù)（適用范圍：y>0.2）：床層平均溫度;：器壁溫度;第102頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)速率第103頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月整個(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：第104頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳質(zhì)因子：JD實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：：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)第105頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月um

：平均流速(空床氣速)；ρg、μg：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：第106頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳熱因子傳質(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)第107頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由傳質(zhì)和傳熱的類(lèi)比原理有上式在缺少數(shù)據(jù)時(shí)用來(lái)推算數(shù)據(jù)十分有用.無(wú)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)控制步驟的關(guān)鍵.第108頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月外擴(kuò)散過(guò)程對(duì)表面溫度的影響由傳質(zhì)計(jì)算可得：第109頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月兩式相等可得：第110頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上式將流固相的溫度差與濃度差聯(lián)系起來(lái)了。進(jìn)一步簡(jiǎn)化，前面有：極為相似。JHJD相除第111頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第112頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?lián)?shí)驗(yàn)得：第113頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(lèi)。

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。第114頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、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(chēng)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(lái)說(shuō)，模型考慮得越全面，對(duì)過(guò)程模擬越精確，但計(jì)算工作量也越大，甚至無(wú)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。第115頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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，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）第116頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月質(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-εB)Aidl0以催化劑顆粒體積計(jì)量第117頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月若以催化劑質(zhì)量計(jì)量：設(shè)計(jì)方程床層高度注意：一般來(lái)說(shuō)，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。第118頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月以催化劑顆粒體積計(jì)量：第119頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)照平推流反應(yīng)器性能方程二者相同第120頁(yè)，課件共134頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.3