固定床流体力学精.ppt

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1、固定床流体力学第1页，本讲稿共29页 固固定定床床中中进进行行催催化化剂剂反反应应时时，同同时时发发生生传传热热及及传传质质过过程程，后后两两者者又又与与流流体体在在床床层层内内的的流流动动状状况况密密切切有有关关。为为了了研研究究固固定定床床中中化化学学反反应应的的宏宏观观反反应应过过程程，进进行行合合理理的的反反应应器器结结构构设设计计，必必须须先先讨讨论论固固定定床床的的传传递递过过程程，即即固固定定床床中中的的流流体体力力学学、传热及传质问题。传热及传质问题。第2页，本讲稿共29页1.1.非中空固体颗粒的当量直径及形状系数非中空固体颗粒的当量直径及形状系数 常常用用的的非非中中空空颗颗

2、粒粒当当量量直直径径的的表表示示方方法法有有三三种种，即即等等体体积积圆圆球球直直径径、等等外外表表面面积积圆圆球球直直径径和和等等比比外外表表面面积积圆圆球球直径。直径。若若以以Sp和和Vp表表示示非非中中空空颗颗粒粒的的外外表表面面积积和和体体积积，按按等等体体积圆球直径计算的当量直径可表示如下：积圆球直径计算的当量直径可表示如下：(5-1)式（式（5-1）中）中Vp为与非中空颗粒等体积的圆球体积。为与非中空颗粒等体积的圆球体积。一一.固定床的物理特性固定床的物理特性第3页，本讲稿共29页 按等外表面积圆球直径计算的当量直径按等外表面积圆球直径计算的当量直径Dp可表示如下：可表示如下：(5

3、-2)式（式（5-2）中）中Sp为非中空颗粒等外表面积的圆球的外表面积。为非中空颗粒等外表面积的圆球的外表面积。按等比外表面积圆球直径计算的当量直径按等比外表面积圆球直径计算的当量直径ds可表示如下：可表示如下：(5-3)式式（5-3）中中Sv 为为与与非非中中空空颗颗粒粒等等比比外外表表面面积积的的圆圆球球比比外表面积。外表面积。第4页，本讲稿共29页 再以再以SS表示与非中空颗粒等体积的圆球的外表面积，则表示与非中空颗粒等体积的圆球的外表面积，则 (5-4)因因此此，引引入入一一个个量量纲纲1数数 ，称称为为颗颗粒粒的的形形状状系系数数，其其值值如下：如下：(5-5)第5页，本讲稿共29页

4、 对对于于球球形形颗颗粒粒，=1；对对于于非非球球形形颗颗粒粒，小小于于1。形形状状系数说明了颗粒形状与圆球的差异程度。系数说明了颗粒形状与圆球的差异程度。形形状状系系数数 可可由由颗颗粒粒的的体体积积及及外外表表面面积积算算得得。非非中中空空颗颗粒粒的的体体积积可可由由实实验验测测得得，或或由由其其质质量量及及密密度度计计算算。形形状状规规则则的的颗颗粒粒，例例如如圆圆柱柱形形颗颗粒粒，其其外外表表面面积积可可由由直直径径及及高高求求出出；形形状状不不规规则则的的颗颗粒粒外外表表面面积积却却难难以以直直接接测测量量，这这时时可可测测定定由由待待测测颗颗粒粒所所组组成成的的固固定床压力降来计算

5、形状系数。定床压力降来计算形状系数。第6页，本讲稿共29页 上上述述三三种种当当量量直直径径dv、Dp、ds与与形形状状系系数数间间的的相相互互关关系可表示如下系可表示如下 (5-6)及及 (5-7)第7页，本讲稿共29页2.2.混合颗粒的平均直径及形状系数混合颗粒的平均直径及形状系数 破碎成的碎块破碎成的碎块形状不规则，大小也不均匀形状不规则，大小也不均匀 算术平均直径算术平均直径 为为 (5-8)di两相邻筛孔净宽乘积的平方根；两相邻筛孔净宽乘积的平方根；xi为直径为直径di颗粒的质量分数。颗粒的质量分数。调和平均直径调和平均直径 为为 (5-9)在在固固定定床床及及流流化化床床的的流流体

6、体力力学学中中，用用调调和和平平均均直直径径较较为为符符合合实实验验数数据据。大大小小不不等等形形状状各各异异的的混混合合颗颗粒粒 由由固固定定床床P计算。计算。第8页，本讲稿共29页3.固定床的当量直径固定床的当量直径 床床 层层 中中 颗颗 粒粒 的的 比比 表表 面面 积积（不不 计计 入入 接接 触触 而而 减减 少少 的的 表表 面面 积积）：(5-10)水力半径：水力半径：固定床的当量直径：固定床的当量直径：(5-11)床层由中空颗粒，如单孔环柱体，多通孔环柱体等组成时，床层由中空颗粒，如单孔环柱体，多通孔环柱体等组成时，不能使用式（不能使用式（5-11）。）。第9页，本讲稿共29

7、页4.4.固定床的空隙率及径向流速分布固定床的空隙率及径向流速分布 与与下下列列因因素素有有关关：颗颗粒粒形形状状，颗颗粒粒的的粒粒度度分分布布，充充填填方方式式，dP/dt之比（壁效应）之比（壁效应）图图5-13表表达达了了上上述述关关系系，当当dTdP时时，壁壁效效应应可可不不计计，一般工程上认为当一般工程上认为当di/dP8时，可不计壁效应。时，可不计壁效应。图图5-14（b）表表示示不不同同Re数数时时流流体体的的径径向向分分布布，Re大大分分布布较平坦。较平坦。第10页，本讲稿共29页二二.单相流体在固定床颗粒层中的流动及压力降单相流体在固定床颗粒层中的流动及压力降 固固定定床床中中

8、，流流体体在在颗颗粒粒物物料料组组成成的的孔孔道道中中流流动动，孔孔道道相相互互交交错错联联通通、弯弯曲曲，各各孔孔道道的的几几何何形形状状相相差差甚甚大大，孔孔截截面面积积也也很很不不规规则则且且不不相相等等。流流体体在在固固定定床床中中流流动动时时，旋旋涡涡的的数数目目比比空空管管多多，由由滞滞留留转转入入湍湍流流是是一一个个逐逐渐过渡的过程。渐过渡的过程。1.流动特性流动特性第11页，本讲稿共29页2.单相流体通过固定床颗粒层的压力降单相流体通过固定床颗粒层的压力降 单单相相流流体体通通过过固固定定床床时时要要产产生生压压力力损损失失，主主要要来来自自颗颗粒粒的的黏黏滞滞曳曳力力，即即流

9、流体体与与颗颗粒粒表表面面间间的的摩摩擦擦，流流体体流流动动过过程程中中孔孔道道截截面面积积突突然然扩扩大大和和收收缩缩，及及流流体体对对颗颗粒粒的的撞撞击击及及流流体体的的再再分分布布。低低流流速速时时，压压力力降降主主要要是是由由于于表表面面摩摩擦擦而而产产生生，高高流流速速及及薄薄床床层层中中流流动动时时，扩扩大大、收收缩缩则则起起着着主主要要作作用用。如如果果容容器器直直径径与与颗颗粒粒直直径径之之比比值值较较小小，还还应应计计入入壁壁效应对压力降的影响。效应对压力降的影响。第12页，本讲稿共29页 计计算算单单相相流流体体通通过过固固定定床床颗颗粒粒层层压压力力降降的的方方法法很很多

10、多，其其中中有有许许多多都都是是利利用用流流体体在在空空圆圆管管中中流流动动时时的的压压力力降降公公式式，加加以以合合理理地地修修改改而而成成。下下面面介介绍绍其其中中的的一一个个使使用用最最广广泛泛的的Ergun方方法法。流流体体在在空空圆圆管管中中作作等等温温流流动动，且且流流体体密密度度的的变变化化可可不不计计时时，压压力力降降可可表示为表示为 (5-12)式式中中：L管管长长，m；d圆圆管管的的内内直直径径，m；流流体体的的密密度度，kg/m3；u0e流流体体的的平平均均流流速速，m/s；f摩摩擦擦系系数数，量量纲纲1数数；压力降，压力降，N/m2。第13页，本讲稿共29页 上上式式应

11、应用用于于固固定定床床时时，u0e应应为为流流体体在在床床层层空空隙隙中中的的真真正正平平均均流流速速ue，圆圆管管的的直直径径应应以以固固定定床床的的当当量量直直径径de代代替替，而而管管长长则则应应以以流流体体在在固固定定床床中中的的流流动动途途径径来来代代替替。将将 和和 ，代代入入式式(5-12)，又又考考虑虑到到流流体体在在固固定定床床中中的的流流动动途途径径远远大大于于固固定定床床的的高高度度L，并并等等于于L的的若若干干倍，则固定床的压力降可表示为倍，则固定床的压力降可表示为 (5-13)式式中中u0以以床床层层不不含含内内构构件件和和所所载载固固体体的的空空截截面面积积Ac和和

12、操操作作状状态态下下气气体体体体积积流流量量计计算算的的流流速速，或或称称表表观观流流速速，m/s；fM修修正正摩擦系数。摩擦系数。第14页，本讲稿共29页 经经多多种种颗颗粒粒和和工工况况的的实实验验测测定定，修修正正摩摩擦擦系系数数fM与与修修正雷诺数的关系可表示如下正雷诺数的关系可表示如下 (5-14)而而 (5-15)式式中中 流流体体黏黏度度，；G流流体体质质量量流流率率或或质质量量通通量量，。第15页，本讲稿共29页 当当ReM1.75，即式，即式(5-13)可化简为可化简为 (5-16)当当ReM1000时时，处处 于于 完完 全全 湍湍 流流 状状 况况，式式(5-16)中中1

13、50/ReM1000时时，正正比比于于G2L，即即VR一一定定时时，正正比比于于(W/Ac)2L，或或 正正比比于于L3。改改为为径径向向流流动动，即即减减小小了了气气流流在在催催化化床床内内流流动动的的路路程程，同同时时增增加加了了垂垂直直于于流流向向的的截截面面积积和和减减小小了了气气流流速速度度，从从而而大大幅幅度度地地减减少少了了床床层层的的压压力力降降，为为使使用用小小颗颗粒粒催催化化剂剂，提提高高催催化化剂剂的的总总体体速速率率及及催催化化床床的的空空时时产产率率创创造造了了良良好好的条件。的条件。第20页，本讲稿共29页 颗颗粒粒粒粒度度和和形形状状是是影影响响床床层层压压力力降

14、降的的另另一一重重要要因因素素。形形状状相相同同的的颗颗粒粒，减减小小颗颗粒粒的的当当量量直直径径，会会导导致致固固定定床床压压力力降降增增加加。当当ReM1000时时，压压力力降降反反比比于于当当量量直直径径。颗颗粒粒的的筛筛析析范范围围相相同同，形形状状系系数数小小的的颗颗粒粒，如如片片状状，其其当当量量直直径径减减小小，床床层层的的压压力力降降增大。增大。第21页，本讲稿共29页 床床层层空空隙隙率率对对压压力力降降的的影影响响十十分分显显著著，当当ReM1000时时，压压力力降降正正比比于于 ，由由0.4增增至至0.5时时，压压力力降降可可降降至至原原来来的的1/2.3。床床层层空空隙

15、隙率率的的大大小小与与颗颗粒粒的的形形状状、粒粒度度分分布布、填填充充方方法法、颗颗粒粒直直径径与与容容器器直直径径之之比比值值等等因因素素有有关关。混混合合颗颗粒粒的的粒粒度度越越不不均均匀匀，小小颗颗粒粒填填充充在在大大颗颗粒粒之之间间，所所组组成成的的床床层层空空隙隙率率越越小小。催催化化剂剂在在使使用用过过程程中中逐逐渐渐破破碎碎、粉粉化化，当当质质量量流流率率不不变变时时，由由于于空空隙隙率率减减小小，床床层层压压力力降降相相应应地地逐逐步步增增大大。催催化化剂剂使使用用后后期期床床层层压压力力降降较较前前期期压压力力降降增增加加的的程程度度随随催催化化剂剂的的机机械械强强度度而而定

16、定。即即使使不不计计入入破破损损，操操作作一一段段时时期期后后，由由于于床床层层中中颗颗粒粒填填实实，使使床床层层下下沉沉，空空隙隙率率降降低而增高压力降。低而增高压力降。第22页，本讲稿共29页三三.径向流动反应器中流体的分布径向流动反应器中流体的分布径向流动反应器的优点：径向流动反应器的优点：流体流通截面积大、流速流体流通截面积大、流速小、流道短，床层压力降小、流道短，床层压力降小。小。径向流动反应器的结构如径向流动反应器的结构如图图5-9。第23页，本讲稿共29页四四.固定床流体的径向及轴向混合固定床流体的径向及轴向混合 当当流流体体流流经经固固定定床床时时，不不断断发发生生分分散散与与

17、汇汇合合，形形成成了了一一定定程程度度的的径径向向及及轴轴向向混混合合，尤尤其其当当固固定定床床中中进进行行化化学学反反应应而而又又与与外外界界换换热热时时，床床层层中中不不同同径径向向位位置置处处流流速速、温温度度及及反反应应速速率率都都不不相相同同，也也就就必必然然存存在在着着径径向向浓浓度度分分布布，更更加加加加剧剧床床层层中中径径向向及轴向的混合过程，而其中径向混合比轴向更加显著。及轴向的混合过程，而其中径向混合比轴向更加显著。1.固定床径向及轴向混合有效弥散系数固定床径向及轴向混合有效弥散系数 （effective dispersion coefficient）第24页，本讲稿共29

18、页 径径向向混混合合有有效效弥弥散散系系数数Er及及轴轴向向混混合合有有效效弥弥散散系系数数Ez一一般般用用Peclet数数(Pe)表示，此时表示，此时 (5-35-A)或或 (5-35-B)表表征征径径向向混混合合及及轴轴向向混混合合有有效效弥弥散散系系数数的的Pe数数与与Re数数的的关关系系见见图图5-17，由由图图可可见见，当当Re40，即即处处于于湍湍流流状状态态时时，无无论论对对于于气气体体还还是是液液体体，径径向向Per10，几几乎乎不不随随Re数数而而变变，气气体体的的轴轴向向Pez 2不不随随雷雷诺诺数数而而变变，但但液液体体的的轴轴向向值值Pez随随Re值值而而有一定程度的变

19、化。有一定程度的变化。第25页，本讲稿共29页 图图5-17 固定床轴向及径向固定床轴向及径向Pe数与数与Re数的关系数的关系第26页，本讲稿共29页2.固定床反应器中的轴向返混固定床反应器中的轴向返混 第第三三章章已已经经讨讨论论过过可可以以略略去去不不计计逆逆向向混混合合影影响响的的条条件件是是模模型型参参数数Ez/(uL)0.005。在在固固定定床床反反应应器器的的流流动动状状况况下下，一一般般Re40，此时，此时Pez=dsu/Ez=2由此可得由此可得 0.5(ds/L)0.005 (5-36)即即固固定定床床反反应应器器中中床床层层高高度度L超超过过颗颗粒粒直直径径ds的的一一百百倍倍时时，可可以以略去轴向返混的影响。略去轴向返混的影响。第27页，本讲稿共29页 某某些些固固定定床床反反应应器器，如如实实验验室室测测试试动动力力学学数数据据的的装装置置，床床层层高高度度与与颗颗粒粒直直径径的的比比值值往往往往低低于于一一百百倍倍，称称为为薄薄床床层层，此此时时必必须须考考虑虑轴轴向向返返混混的的影影响响。但但可可以以在在催催化化床床上上、下下部部填填充充适适当当大小的惰性物料，造成整个填充床处于平推流状态。大小的惰性物料，造成整个填充床处于平推流状态。第28页，本讲稿共29页 The end!谢谢观看！第29页，本讲稿共29页