固定床反应器的设计与分析.ppt

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1、固定床反应器的设计固定床反应器的设计与分析与分析重点掌握重点掌握l固定床压力降的计算方法。l固定床催化反应器拟均相活塞流模型的建立与应用，包括考虑内扩散的情况。l绝热式固定床催化反应器催化剂用量的计算方法。深入理解深入理解 l固定床催化反应器的主要类型及其结构特点。l换热式固定床催化反应器的设计优化问题、参数敏感性问题以及飞温和失控的现象。广泛了解广泛了解l 固定床的轴向与径向传热与传质。l多段绝热式固定床催化反应器的优化原则。l实验室反应器的主要类型和特点。7.1 概述概述 凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器，其其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所

2、构成的中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气床层进行反应的气-固相催化反应器占最主要的地位。固相催化反应器占最主要的地位。如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。此外还有不少非催氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。此外还有不少非催化的气化的气固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮生成石灰氮(CaCN(CaCN2 2)以及许多矿物的焙烧等，也都采以及许多矿物的

3、焙烧等，也都采用固定床反应器用固定床反应器。1、固定床反应器优点、固定床反应器优点 固定床中催化剂不易磨损；固定床中催化剂不易磨损；固定床中催化剂不易磨损；固定床中催化剂不易磨损；床层内流体的流动接近于平推流，与返混床层内流体的流动接近于平推流，与返混床层内流体的流动接近于平推流，与返混床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。反应器容积来获得较大的生产能力。反应器容积来获得较大的生产能力。反应器容积来

4、获得较大的生产能力。由于停留时间可以严格控制，温度分布可由于停留时间可以严格控制，温度分布可由于停留时间可以严格控制，温度分布可由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大生产中尤为重要。转化率，在大生产中尤为重要。转化率，在大生产中尤为重要。转化率，在大生产中尤为重要。一、固定床反应器的优缺点一、固定床反应器的优缺点 2、固定床反应器缺点、固定床反应器缺点 固定床中的传热较差；固定床中的传热较差；固定床中的传热较差；固定床

5、中的传热较差；催化剂的更换必须停产进行。催化剂的更换必须停产进行。催化剂的更换必须停产进行。催化剂的更换必须停产进行。二二、固定床反应器类型、固定床反应器类型 1.绝热式反应器绝热式反应器 图6.1-1是绝热床反应器的示意图。它的结构简单，催化剂均匀堆置于床内，床内没有换热装置，预热到一定温度的反应物料流过床层进行反应就可以了。图6.1-1 绝热床反应器 典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。反应需供典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。反应需供典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。反应需供典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。反应需供热热热热140kJ140kJmolmol，是靠加入高温，是靠加入高温，是靠加入高温，是靠加

6、入高温(710(710)水蒸汽来供水蒸汽来供水蒸汽来供水蒸汽来供应的应的应的应的(乙苯乙苯乙苯乙苯:水蒸汽水蒸汽水蒸汽水蒸汽=1:2.6(=1:2.6(质量质量质量质量)，混合后在，混合后在，混合后在，混合后在630630入床，离床时降到入床，离床时降到入床，离床时降到入床，离床时降到565565。在此，水蒸汽的作用是：在此，水蒸汽的作用是：在此，水蒸汽的作用是：在此，水蒸汽的作用是：可以带入大量的显热；可以带入大量的显热；可以带入大量的显热；可以带入大量的显热；起稀释作用，使反应的平衡向有利于生成起稀释作用，使反应的平衡向有利于生成起稀释作用，使反应的平衡向有利于生成起稀释作用，使反应的平衡

7、向有利于生成苯乙烯的方向移动，提高单程转化率；苯乙烯的方向移动，提高单程转化率；苯乙烯的方向移动，提高单程转化率；苯乙烯的方向移动，提高单程转化率；使催化剂可能产生的结炭随时得到清除，使催化剂可能产生的结炭随时得到清除，使催化剂可能产生的结炭随时得到清除，使催化剂可能产生的结炭随时得到清除，从而保持反应器长期连续运转。从而保持反应器长期连续运转。从而保持反应器长期连续运转。从而保持反应器长期连续运转。除单层绝热床外，工业上还有用多段的，近代的除单层绝热床外，工业上还有用多段的，近代的除单层绝热床外，工业上还有用多段的，近代的除单层绝热床外，工业上还有用多段的，近代的大型合成氨反应器采用的是中间

8、冷激的多段绝热床。大型合成氨反应器采用的是中间冷激的多段绝热床。大型合成氨反应器采用的是中间冷激的多段绝热床。大型合成氨反应器采用的是中间冷激的多段绝热床。总之，不论是吸热或放热的反应，绝热床的应用相当总之，不论是吸热或放热的反应，绝热床的应用相当总之，不论是吸热或放热的反应，绝热床的应用相当总之，不论是吸热或放热的反应，绝热床的应用相当广泛。特别对大型的，高温的或高压的反应器，希望广泛。特别对大型的，高温的或高压的反应器，希望广泛。特别对大型的，高温的或高压的反应器，希望广泛。特别对大型的，高温的或高压的反应器，希望结构简单，同样大小的装置内能容纳尽可能多的催化结构简单，同样大小的装置内能容

9、纳尽可能多的催化结构简单，同样大小的装置内能容纳尽可能多的催化结构简单，同样大小的装置内能容纳尽可能多的催化剂以增加生产能力剂以增加生产能力剂以增加生产能力剂以增加生产能力(少加换热空间少加换热空间少加换热空间少加换热空间)，而绝热床正好能符，而绝热床正好能符，而绝热床正好能符，而绝热床正好能符合这种要求。不过绝热床的温度变化总是比较大的，合这种要求。不过绝热床的温度变化总是比较大的，合这种要求。不过绝热床的温度变化总是比较大的，合这种要求。不过绝热床的温度变化总是比较大的，而温度对反应结果的影响也是举足轻重的，而温度对反应结果的影响也是举足轻重的，而温度对反应结果的影响也是举足轻重的，而温度

10、对反应结果的影响也是举足轻重的，因此如何因此如何因此如何因此如何取舍，要综合分析并根据实际情况来决定。取舍，要综合分析并根据实际情况来决定。取舍，要综合分析并根据实际情况来决定。取舍，要综合分析并根据实际情况来决定。此外还应此外还应此外还应此外还应注意到绝热床的高径比不宜过大，床层填充务必均注意到绝热床的高径比不宜过大，床层填充务必均注意到绝热床的高径比不宜过大，床层填充务必均注意到绝热床的高径比不宜过大，床层填充务必均匀，并注意气流的预分布，以保证气流在床层内的均匀，并注意气流的预分布，以保证气流在床层内的均匀，并注意气流的预分布，以保证气流在床层内的均匀，并注意气流的预分布，以保证气流在床

11、层内的均匀分布。匀分布。匀分布。匀分布。2.换热式反应器换热式反应器n 换热式反应器以列管式为多。通常是换热式反应器以列管式为多。通常是在管内放催化剂，管间走热载体在管内放催化剂，管间走热载体(在用高在用高压水或用高压蒸汽作热载体时，则把催压水或用高压蒸汽作热载体时，则把催化剂放在管间，而使管内走高压流体化剂放在管间，而使管内走高压流体)。图6.1-2乙炔法合成氯乙烯反应器 管径：一般为管径：一般为管径：一般为管径：一般为252550mm50mm的管子，但不小于的管子，但不小于的管子，但不小于的管子，但不小于25mm25mm。催化剂粒径：应小于管径的催化剂粒径：应小于管径的催化剂粒径：应小于管

12、径的催化剂粒径：应小于管径的8 8倍，通常固定床用的粒径约倍，通常固定床用的粒径约倍，通常固定床用的粒径约倍，通常固定床用的粒径约为为为为2 26mm6mm，不小于，不小于，不小于，不小于1.5mm1.5mm。传热所用的热载体：传热所用的热载体：传热所用的热载体：传热所用的热载体：l l沸水可以用于沸水可以用于沸水可以用于沸水可以用于100100300300的温度范围。的温度范围。的温度范围。的温度范围。l l联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分能联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分能联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分能联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油

13、馏分能用于用于用于用于200200350350的范围。的范围。的范围。的范围。l l无机熔盐无机熔盐无机熔盐无机熔盐(硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物)可用于可用于可用于可用于300300400400的情况。的情况。的情况。的情况。l l对于对于对于对于600600700700左右的高温反应，只能用烟道气作为热左右的高温反应，只能用烟道气作为热左右的高温反应，只能用烟道气作为热左右的高温反应，只能用烟道气作为热载体。载体。载体。载体。列管式反应器优点：列管式反应器优点：列管式反应器优点：列管式反应器

14、优点：传热较好，管内温度较易控制；传热较好，管内温度较易控制；传热较好，管内温度较易控制；传热较好，管内温度较易控制；返混小、选择性较高；返混小、选择性较高；返混小、选择性较高；返混小、选择性较高；只要增加管数，便可有把握地进行放大；只要增加管数，便可有把握地进行放大；只要增加管数，便可有把握地进行放大；只要增加管数，便可有把握地进行放大；对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物料来稀释催化剂物料来稀释催化剂物料来稀释催化剂物料来稀释催化剂 适用适用 原料成本高，副产物价值

15、低以及分离不是原料成本高，副产物价值低以及分离不是原料成本高，副产物价值低以及分离不是原料成本高，副产物价值低以及分离不是十分容易的情况。十分容易的情况。十分容易的情况。十分容易的情况。3.自热式反应器自热式反应器l 反应前后的物料在床层中自己进行换热称作自热式反应器。l 图6.1-3 自热式反应器示意图7.2 固定床中的传递过程固定床中的传递过程 一、床层空隙率 表征床层结构的主要参数为床层空隙率，床层表征床层结构的主要参数为床层空隙率，床层表征床层结构的主要参数为床层空隙率，床层表征床层结构的主要参数为床层空隙率，床层空隙率的大小与颗粒形状、粒度分布、颗粒直径空隙率的大小与颗粒形状、粒度分

16、布、颗粒直径空隙率的大小与颗粒形状、粒度分布、颗粒直径空隙率的大小与颗粒形状、粒度分布、颗粒直径与床直径之比以及颗粒的充填方法等有关。与床直径之比以及颗粒的充填方法等有关。与床直径之比以及颗粒的充填方法等有关。与床直径之比以及颗粒的充填方法等有关。固定床中同一横截面上的空隙率是不均匀的，固定床中同一横截面上的空隙率是不均匀的，固定床中同一横截面上的空隙率是不均匀的，固定床中同一横截面上的空隙率是不均匀的，对于对于对于对于粒度均一粒度均一粒度均一粒度均一的颗粒所构成的床层，在与器壁距的颗粒所构成的床层，在与器壁距的颗粒所构成的床层，在与器壁距的颗粒所构成的床层，在与器壁距离为离为离为离为1 12

17、 2倍颗粒直径处，空隙率最大，床层中心倍颗粒直径处，空隙率最大，床层中心倍颗粒直径处，空隙率最大，床层中心倍颗粒直径处，空隙率最大，床层中心较小，这种影响，叫做较小，这种影响，叫做较小，这种影响，叫做较小，这种影响，叫做壁效应壁效应壁效应壁效应。在非球颗粒充填的床层中，同一截面上在非球颗粒充填的床层中，同一截面上的的值，除壁效应影响所及的范围外，都是值，除壁效应影响所及的范围外，都是均匀的。均匀的。但球形或圆柱形颗粒充填的床层，在同但球形或圆柱形颗粒充填的床层，在同一横截面上的一横截面上的值，除壁效应影响所及的范值，除壁效应影响所及的范围外，还在一平均值上下波动围外，还在一平均值上下波动.由于

18、壁效应的影响，床层直径与颗粒直由于壁效应的影响，床层直径与颗粒直径之比越大，床层空隙率的分布越均匀。径之比越大，床层空隙率的分布越均匀。床层空隙率床层空隙率 B(床层自由体积床层自由体积)/(床层体积床层体积)=(颗粒间的空隙体积颗粒间的空隙体积)/(床层体积床层体积)(6.2-1)通常所说的床层空隙率指的是平均空隙率。通常所说的床层空隙率指的是平均空隙率。二、床层压降 流体流动是通过床层空隙来实现的，流体的流通流体流动是通过床层空隙来实现的，流体的流通流体流动是通过床层空隙来实现的，流体的流通流体流动是通过床层空隙来实现的，流体的流通截面积为截面积为截面积为截面积为AA。但。但。但。但 不均

19、匀，真实流速不均匀，真实流速不均匀，真实流速不均匀，真实流速u u（缝隙速度）（缝隙速度）（缝隙速度）（缝隙速度）也存在分布问题，缝隙速度在壁面附近达到最大。也存在分布问题，缝隙速度在壁面附近达到最大。也存在分布问题，缝隙速度在壁面附近达到最大。也存在分布问题，缝隙速度在壁面附近达到最大。固定床层内流体流动从层流状态到湍流状态的转固定床层内流体流动从层流状态到湍流状态的转固定床层内流体流动从层流状态到湍流状态的转固定床层内流体流动从层流状态到湍流状态的转折过程并不明显（与空管中的流体流动相比）。折过程并不明显（与空管中的流体流动相比）。折过程并不明显（与空管中的流体流动相比）。折过程并不明显（

20、与空管中的流体流动相比）。在相同的条件下，可能在床层的一部分处于层流在相同的条件下，可能在床层的一部分处于层流在相同的条件下，可能在床层的一部分处于层流在相同的条件下，可能在床层的一部分处于层流状态，而其它部分则处于湍流状态。状态，而其它部分则处于湍流状态。状态，而其它部分则处于湍流状态。状态，而其它部分则处于湍流状态。流体流过固定床时所产生的压力损失主流体流过固定床时所产生的压力损失主要来自两方面：要来自两方面：一方面是由于颗粒的粘滞曳力，即流体与颗一方面是由于颗粒的粘滞曳力，即流体与颗一方面是由于颗粒的粘滞曳力，即流体与颗一方面是由于颗粒的粘滞曳力，即流体与颗粒表面间的摩擦；粒表面间的摩擦

21、；粒表面间的摩擦；粒表面间的摩擦；另一方面是由于流体流动过程中孔道截面积另一方面是由于流体流动过程中孔道截面积另一方面是由于流体流动过程中孔道截面积另一方面是由于流体流动过程中孔道截面积突然扩大和收缩，以及流体对颗粒的撞击及流体突然扩大和收缩，以及流体对颗粒的撞击及流体突然扩大和收缩，以及流体对颗粒的撞击及流体突然扩大和收缩，以及流体对颗粒的撞击及流体的再分布而产生。的再分布而产生。的再分布而产生。的再分布而产生。当流体处于层流时，前者起主要作用；在高当流体处于层流时，前者起主要作用；在高当流体处于层流时，前者起主要作用；在高当流体处于层流时，前者起主要作用；在高流速及薄床层中流动时，起主要作

22、用的是后者。流速及薄床层中流动时，起主要作用的是后者。流速及薄床层中流动时，起主要作用的是后者。流速及薄床层中流动时，起主要作用的是后者。压力降的计算压力降的计算 流体在固定床中的流动，与空管中的流体流动相似，流体在固定床中的流动，与空管中的流体流动相似，流体在固定床中的流动，与空管中的流体流动相似，流体在固定床中的流动，与空管中的流体流动相似，只是流道不规则而已。故此可将空管中流体流动的压力只是流道不规则而已。故此可将空管中流体流动的压力只是流道不规则而已。故此可将空管中流体流动的压力只是流道不规则而已。故此可将空管中流体流动的压力降计算公式修正后用于固定床。降计算公式修正后用于固定床。降计

23、算公式修正后用于固定床。降计算公式修正后用于固定床。固定床压力降计算公式：(6.2-2)(6.2-2)式中：式中：流体密度流体密度 d dS S 颗粒比外表面积相当直径颗粒比外表面积相当直径 f f 摩擦系数摩擦系数 L L 床层高度床层高度 u u0 0空管流速空管流速 床层空隙率床层空隙率 (6.2-3)(6.2-3)-流体的黏度流体的黏度 当当ReRe10 10 时，时，f f=150/=150/ReRe 当当R Re e1000 1000 时，时，f f=1.75=1.75。从上可知：从上可知：催化剂的粒度大时，催化剂的粒度大时，P，但催化剂的，但催化剂的有效因子有效因子 较小；如果颗

24、粒粉化、破碎，较小；如果颗粒粉化、破碎，那么床层的压降那么床层的压降P。由于在生产流程中，流体的压头有限，床由于在生产流程中，流体的压头有限，床层压降往往有重要影响，因此一般固定床中层压降往往有重要影响，因此一般固定床中的压降不宜超过床内压力的的压降不宜超过床内压力的15。所以颗粒。所以颗粒不能太细，而且最好都能做成圆球状，气流不能太细，而且最好都能做成圆球状，气流速度也应适可而止，因为流速与压降是平方速度也应适可而止，因为流速与压降是平方关系，它比其它因素对压降更为敏感。关系，它比其它因素对压降更为敏感。如果填充物料是一些不同尺寸的颗粒，或是一如果填充物料是一些不同尺寸的颗粒，或是一如果填充

25、物料是一些不同尺寸的颗粒，或是一如果填充物料是一些不同尺寸的颗粒，或是一些细长形的颗粒，则易产生空隙率不均匀而形成些细长形的颗粒，则易产生空隙率不均匀而形成些细长形的颗粒，则易产生空隙率不均匀而形成些细长形的颗粒，则易产生空隙率不均匀而形成偏流。对于列管式反应器，往往有上千根管子都偏流。对于列管式反应器，往往有上千根管子都偏流。对于列管式反应器，往往有上千根管子都偏流。对于列管式反应器，往往有上千根管子都要装填催化剂，因此要求各管装量相同，压降均要装填催化剂，因此要求各管装量相同，压降均要装填催化剂，因此要求各管装量相同，压降均要装填催化剂，因此要求各管装量相同，压降均等，否则气体偏流的结果，

26、将使各管反应程度不等，否则气体偏流的结果，将使各管反应程度不等，否则气体偏流的结果，将使各管反应程度不等，否则气体偏流的结果，将使各管反应程度不一，温度不一，和失活速度不一，从而使产品的一，温度不一，和失活速度不一，从而使产品的一，温度不一，和失活速度不一，从而使产品的一，温度不一，和失活速度不一，从而使产品的数量和质量都受到严重影响。数量和质量都受到严重影响。数量和质量都受到严重影响。数量和质量都受到严重影响。三、质量和热量的轴向扩散v 在第五章中，探讨了轴向扩散流动问题，其中用彼克列准数来衡量返混程度，其定义为（见148）：v v 对于固定床内的流体流动，使用类似的方法描述流体的返混程度，

27、即轴向传质的彼克列准数：v 轴向传热的彼克列准数：三、质量和热量的轴向扩散 理论推导和实验证明：对于气体：当Re10时，（Pea）m=2.对于液体：（Pea）m=0.31 讨论讨论 一般认为，彼克列准数的倒数是表征返混大小的一个无因次群。而且当1/Pea0.01时，流体的流动类型接近于平推流模型。在固定床内，一般认为当1/Pea10时，（Pea）m=2.有l l所以，当床所以，当床层高度高度Lr100dp时，可以忽略，可以忽略床床层内内轴向混合向混合扩散，即将流体在床散，即将流体在床层内内的的轴向流向流动似似为平推流流平推流流动。在。在实际反反应器，能器，能够满足足该前提条件，而前提条件，而实

28、验反反应器器往往不能达到，希注意。往往不能达到，希注意。对于非等温过程对于非等温过程，(Pea)h0.6（固定床）n对于均相系统，假设质扩散和热扩散的对于均相系统，假设质扩散和热扩散的机理相同，则有机理相同，则有(Pea)m=(Pea)h。n对于非等温固定床，判定其间流体是否对于非等温固定床，判定其间流体是否达到活塞流，则需满足达到活塞流，则需满足Lr150dp。四、固定床中的径向传质与传热 固定床内沿床层径向的温度变化情况如下图所示固定床内沿床层径向的温度变化情况如下图所示了。了。固定床中的传热方式固定床中的传热方式热量通过空隙中的流体以对流、传导和辐射的方热量通过空隙中的流体以对流、传导和

29、辐射的方热量通过空隙中的流体以对流、传导和辐射的方热量通过空隙中的流体以对流、传导和辐射的方式向外传递；式向外传递；式向外传递；式向外传递；热量通过固体颗粒向外传递，其中包括热量通过固体颗粒向外传递，其中包括热量通过固体颗粒向外传递，其中包括热量通过固体颗粒向外传递，其中包括 (a)(a)颗粒接颗粒接颗粒接颗粒接触面处的传导；触面处的传导；触面处的传导；触面处的传导；(b)(b)相邻颗粒周围的边界层的传导；相邻颗粒周围的边界层的传导；相邻颗粒周围的边界层的传导；相邻颗粒周围的边界层的传导；(c)(c)颗粒间的辐射；颗粒间的辐射；颗粒间的辐射；颗粒间的辐射；(d)(d)颗粒内的传导。颗粒内的传导

30、。颗粒内的传导。颗粒内的传导。床层与器壁的传热床层与器壁的传热床层与器壁的传热床层与器壁的传热-壁膜热阻壁膜热阻壁膜热阻壁膜热阻 径向传质径向传质 由于固定床反应器存在径向温度分布和由于固定床反应器存在径向温度分布和流速分布，因此径向浓度分布也必然存在。流速分布，因此径向浓度分布也必然存在。该问题的解决思路同轴向质扩散，可该问题的解决思路同轴向质扩散，可采用径向彼克列准数来描述。请同学们自采用径向彼克列准数来描述。请同学们自学。学。P190191。7.3固定床反应器的数学模型一、几个术语非均相模型 对于工业催化反应，在绝大多数情况下必须考虑颗粒内外传递过程对反应的影响即考虑气流主体、催化剂外表

31、面及内部存在的温度差及浓度差对反应的影响。这种计入传递对反应速率的影响的模型称为非均相模型。一、几个术语拟均相模型 对于化学动力学控制的催化反应，可以忽略传递对反应的影响即认为催化剂外表面及内部存在的温度及浓度同气流主体完全相同，反应过程的计算如同均相反应。这种不计入传递对反应速率影响的模型称为非均相模型。一、几个术语 一维模型 只考虑沿着气体流动方向上的浓度差和温度差，垂直于流向上的温度分布和浓度分布可忽略不计的模型。二维模型 必须同时考虑轴向和径向上的浓度分布和温度分布的模型。非均相模型和拟均相模型是对催化剂颗粒内外气体混合物的浓度分布和温度分布的处理方法。一维和二维模型是对反应器内气流主

32、体中的浓度分布和温度分布的处理方法。一维、拟均相、活塞流模型是处理气固相催化固定床反应器的最基本模型，一般反应的设计计算可采用此模型。在拟均相模型中，把包括颗粒与流体的床层在拟均相模型中，把包括颗粒与流体的床层在拟均相模型中，把包括颗粒与流体的床层在拟均相模型中，把包括颗粒与流体的床层看作为均一的固体物质，用一个有效导热系数看作为均一的固体物质，用一个有效导热系数看作为均一的固体物质，用一个有效导热系数看作为均一的固体物质，用一个有效导热系数 e e来表征其传热特性，来表征其传热特性，来表征其传热特性，来表征其传热特性，e e是流体流速的函数是流体流速的函数是流体流速的函数是流体流速的函数(流

33、体静流体静流体静流体静止时的值以止时的值以止时的值以止时的值以 e0e0表示表示表示表示)。通常固定床的热量主要是在。通常固定床的热量主要是在。通常固定床的热量主要是在。通常固定床的热量主要是在中心与管壁间作径向的传递，除少数强放热等情中心与管壁间作径向的传递，除少数强放热等情中心与管壁间作径向的传递，除少数强放热等情中心与管壁间作径向的传递，除少数强放热等情况外，流动方向的轴向导热影响常可忽略不计。况外，流动方向的轴向导热影响常可忽略不计。况外，流动方向的轴向导热影响常可忽略不计。况外，流动方向的轴向导热影响常可忽略不计。因此因此因此因此 e e一般常是指一般常是指一般常是指一般常是指 er

34、er 二、固定床的传热计算二、固定床的传热计算 1.1.按拟均相处理按拟均相处理按拟均相处理按拟均相处理 一维模型一维模型 在一维模型中，床层径向温度被认为是相同在一维模型中，床层径向温度被认为是相同在一维模型中，床层径向温度被认为是相同在一维模型中，床层径向温度被认为是相同的。床层热阻和壁膜热阻合并作为一个热阻来考的。床层热阻和壁膜热阻合并作为一个热阻来考的。床层热阻和壁膜热阻合并作为一个热阻来考的。床层热阻和壁膜热阻合并作为一个热阻来考虑，用床层与器壁间的给热系数虑，用床层与器壁间的给热系数虑，用床层与器壁间的给热系数虑，用床层与器壁间的给热系数h h0 0来表示，给热来表示，给热来表示，

35、给热来表示，给热速率式以床层平均温度速率式以床层平均温度速率式以床层平均温度速率式以床层平均温度t tmm与壁温与壁温与壁温与壁温t tWW之差来定义：之差来定义：之差来定义：之差来定义：(6.2-4)(6.2-4)式中式中式中式中A A为传热面积，为传热面积，为传热面积，为传热面积，一般情况下，一般情况下，一般情况下，一般情况下，h ht t 值大致为值大致为值大致为值大致为61.261.2320320kJkJ(mm2 2hKhK)。下面推荐两个计算。下面推荐两个计算。下面推荐两个计算。下面推荐两个计算h ht t的关的关的关的关联式，联式，联式，联式，床层的传热系数床层的传热系数ht的经验

36、计算式的经验计算式对于球形颗粒：对于球形颗粒：(6.2-5)(6.2-5)此式的适用条件为此式的适用条件为 2020ReRe7600 7600 及及 0.050.05d dP Pd d t t0.30.3。d d t t为床层直径，为床层直径，d dP P为颗粒比外表面积相当直径。为颗粒比外表面积相当直径。f f为流体的为流体的导热系数。导热系数。若颗粒为圆柱形若颗粒为圆柱形 (6.2-6)(6.2-6)此式的应用范围是此式的应用范围是2020ReRe800800，0.030.03d dP Pd d t t0.20.2。h hf f不能用以计算床层的径向温度分布。不能用以计算床层的径向温度分布

37、。二维模型二维模型 二维模型需要考虑径向温度分布。在计算径二维模型需要考虑径向温度分布。在计算径二维模型需要考虑径向温度分布。在计算径二维模型需要考虑径向温度分布。在计算径向温度分布时，通常把固定床径向传热的热阻看向温度分布时，通常把固定床径向传热的热阻看向温度分布时，通常把固定床径向传热的热阻看向温度分布时，通常把固定床径向传热的热阻看成是由两部分组成：一是床层本身，另一是器壁成是由两部分组成：一是床层本身，另一是器壁成是由两部分组成：一是床层本身，另一是器壁成是由两部分组成：一是床层本身，另一是器壁上的层流边界层。上的层流边界层。上的层流边界层。上的层流边界层。床层热阻用径向有效导热系数床

38、层热阻用径向有效导热系数床层热阻用径向有效导热系数床层热阻用径向有效导热系数 er er 来描述。其来描述。其来描述。其来描述。其确定方法是先测定床层中的温度分布，后根据传确定方法是先测定床层中的温度分布，后根据传确定方法是先测定床层中的温度分布，后根据传确定方法是先测定床层中的温度分布，后根据传热方程式来反算求出热方程式来反算求出热方程式来反算求出热方程式来反算求出 erer。由于。由于。由于。由于 erer与反应无关，因与反应无关，因与反应无关，因与反应无关，因此可在无反应的情况下进行测定。此可在无反应的情况下进行测定。此可在无反应的情况下进行测定。此可在无反应的情况下进行测定。实验测得的

39、实验测得的实验测得的实验测得的 erer值一般常归纳为值一般常归纳为值一般常归纳为值一般常归纳为ReRe与与与与PrPr的函数的函数的函数的函数关系，已有若干关于计算关系，已有若干关于计算关系，已有若干关于计算关系，已有若干关于计算 erer的关联式发表。其形的关联式发表。其形的关联式发表。其形的关联式发表。其形式如下：式如下：式如下：式如下：(6.2-8)(6.2-8)式中式中式中式中 f f是流体的导热系数，是流体的导热系数，是流体的导热系数，是流体的导热系数，a a及及及及b b为实验常数。为实验常数。为实验常数。为实验常数。内壁上的层流边界层热阻，可用壁膜传热系数内壁上的层流边界层热阻

40、，可用壁膜传热系数内壁上的层流边界层热阻，可用壁膜传热系数内壁上的层流边界层热阻，可用壁膜传热系数h hWW来描述。但已发表的实测数据极其分散，不同作来描述。但已发表的实测数据极其分散，不同作来描述。但已发表的实测数据极其分散，不同作来描述。但已发表的实测数据极其分散，不同作者的实验结果相差甚大，还没有一个公认比较满意者的实验结果相差甚大，还没有一个公认比较满意者的实验结果相差甚大，还没有一个公认比较满意者的实验结果相差甚大，还没有一个公认比较满意的关联式。可根据实际情况查找相关文献。的关联式。可根据实际情况查找相关文献。的关联式。可根据实际情况查找相关文献。的关联式。可根据实际情况查找相关文

41、献。给热速率式以靠近器壁流体温度给热速率式以靠近器壁流体温度给热速率式以靠近器壁流体温度给热速率式以靠近器壁流体温度t tR R与壁温与壁温与壁温与壁温t tWW之之之之差来定义：差来定义：差来定义：差来定义：(6.2-9)(6.2-9)2.颗粒与流体间的传热颗粒与流体间的传热 将颗粒与流体间的给热系数以将颗粒与流体间的给热系数以将颗粒与流体间的给热系数以将颗粒与流体间的给热系数以h hP P表示，利用表示，利用表示，利用表示，利用给热系数给热系数给热系数给热系数h hP P可以算出粒子与流体间的温差。如反可以算出粒子与流体间的温差。如反可以算出粒子与流体间的温差。如反可以算出粒子与流体间的温

42、差。如反应速率及反应热分别为应速率及反应热分别为应速率及反应热分别为应速率及反应热分别为r r A A(以单位质量催化剂为基以单位质量催化剂为基以单位质量催化剂为基以单位质量催化剂为基准准准准 )及及及及H HA A，则根据单位质量催化剂的热量平衡，则根据单位质量催化剂的热量平衡，则根据单位质量催化剂的热量平衡，则根据单位质量催化剂的热量平衡，有有有有 (6.2-10)(6.2-10)式中：式中：式中：式中：a am m=S=Sa a/B B，单位质量催化剂的外表面积，单位质量催化剂的外表面积，单位质量催化剂的外表面积，单位质量催化剂的外表面积 将传热系数用传热因子将传热系数用传热因子将传热系

43、数用传热因子将传热系数用传热因子j jHH（P161P161，式，式，式，式6.96.9）的）的）的）的代替，可得粒子与流体间的温差：代替，可得粒子与流体间的温差：代替，可得粒子与流体间的温差：代替，可得粒子与流体间的温差：(6.2-11)(6.2-11)式中式中式中式中 ，称为传热数。，称为传热数。，称为传热数。，称为传热数。对于气体，对于气体，对于气体，对于气体，PrPr0.60.61.01.0，液体，液体，液体，液体PrPr2 2400400三、固定床反应器的数学模型三、固定床反应器的数学模型 1 1、假定、假定、假定、假定 绝大多数固定床反应器呈圆柱形，即与管式绝大多数固定床反应器呈圆

44、柱形，即与管式绝大多数固定床反应器呈圆柱形，即与管式绝大多数固定床反应器呈圆柱形，即与管式反应器相似，不同点在于比管式反应器多固体催反应器相似，不同点在于比管式反应器多固体催反应器相似，不同点在于比管式反应器多固体催反应器相似，不同点在于比管式反应器多固体催化剂。化剂。化剂。化剂。若用径向平均温度、平均浓度代替径向温度若用径向平均温度、平均浓度代替径向温度若用径向平均温度、平均浓度代替径向温度若用径向平均温度、平均浓度代替径向温度分布和浓度分布，则可将该反应器的问题简化为分布和浓度分布，则可将该反应器的问题简化为分布和浓度分布，则可将该反应器的问题简化为分布和浓度分布，则可将该反应器的问题简化

45、为一个一维问题。一个一维问题。一个一维问题。一个一维问题。流体在固定床中的流动状况看作是平推流式流体在固定床中的流动状况看作是平推流式流体在固定床中的流动状况看作是平推流式流体在固定床中的流动状况看作是平推流式的，没有返混。的，没有返混。的，没有返混。的，没有返混。固定床反应器的物料、热量衡算方法按照平固定床反应器的物料、热量衡算方法按照平固定床反应器的物料、热量衡算方法按照平固定床反应器的物料、热量衡算方法按照平推流反应器处理方法进行。推流反应器处理方法进行。推流反应器处理方法进行。推流反应器处理方法进行。三、固定床反应器的数学模型n2、物料衡算n 在P112式4.27的基础上进修正，得到固

46、定床反应器的物料衡算式：n n 对于大多数多相催化反应，外扩散问题都可解决，即仅考虑内扩散的影响。n 三、固定床反应器的数学模型n3.热量衡算n 若不考虑轴向热扩散n 由P112式4.26可得：n n 若流体通过床层时压力变化较大时，其动量衡算：n 初值条件：n Z=0，XA=0，n T=T0，p=p0n 三、固定床反应器的数学模型n 若冷却介质的温度在床层中不能视为常数，则需：n若流体在床层中流动不满足活塞流假定，则要在上述方程中迭加轴向扩散，详见P192193。n 若反应中有多个反应，则需使用物质的量，并且要考虑关键组分A的总消耗。详见P192。n 三、固定床反应器的数学模型n 上述模型方

47、程的基础数据：n 1）反应动力学数据n 2）热力学数据n 3）传递速率数据，如黏度等，n 4）催化剂的宏观数据，如孔分布等。7.4 绝热床反应器绝热床反应器 绝热床反应器没有向径向床壁传热，一般可绝热床反应器没有向径向床壁传热，一般可绝热床反应器没有向径向床壁传热，一般可绝热床反应器没有向径向床壁传热，一般可以当作平推流处理，因此只考虑在流体流动的方以当作平推流处理，因此只考虑在流体流动的方以当作平推流处理，因此只考虑在流体流动的方以当作平推流处理，因此只考虑在流体流动的方向向向向(轴向轴向轴向轴向)上有温度和浓度的变化，用拟均相一维模上有温度和浓度的变化，用拟均相一维模上有温度和浓度的变化，

48、用拟均相一维模上有温度和浓度的变化，用拟均相一维模型来计算。型来计算。型来计算。型来计算。一、平衡温度及最优温度分布一、平衡温度及最优温度分布 对于不可逆或可逆的吸热反应，反应速率均对于不可逆或可逆的吸热反应，反应速率均对于不可逆或可逆的吸热反应，反应速率均对于不可逆或可逆的吸热反应，反应速率均随温度的升高而加快。最高允许温度取决于催化随温度的升高而加快。最高允许温度取决于催化随温度的升高而加快。最高允许温度取决于催化随温度的升高而加快。最高允许温度取决于催化剂或设备材质的性能等因素，然而对可逆的放热剂或设备材质的性能等因素，然而对可逆的放热剂或设备材质的性能等因素，然而对可逆的放热剂或设备材

49、质的性能等因素，然而对可逆的放热反应，则由于逆反应也随着温度的升高而加强，反应，则由于逆反应也随着温度的升高而加强，反应，则由于逆反应也随着温度的升高而加强，反应，则由于逆反应也随着温度的升高而加强，净反应速率将出现一极大值。净反应速率将出现一极大值。净反应速率将出现一极大值。净反应速率将出现一极大值。二、单层绝热床的计算二、单层绝热床的计算以以以以A A组分为关键组分，作物料、热量衡算：组分为关键组分，作物料、热量衡算：组分为关键组分，作物料、热量衡算：组分为关键组分，作物料、热量衡算：床层高度床层高度床层高度床层高度L L为为为为 三、多层绝热床的计算三、多层绝热床的计算 对于多层对于多层

50、对于多层对于多层(或多台串联或多台串联或多台串联或多台串联)的绝热床，每一层的计的绝热床，每一层的计的绝热床，每一层的计的绝热床，每一层的计算方法，原则上都与上面所介绍的一样，只不过从算方法，原则上都与上面所介绍的一样，只不过从算方法，原则上都与上面所介绍的一样，只不过从算方法，原则上都与上面所介绍的一样，只不过从一层出来的物料在进入到下一层去之前，如果由于一层出来的物料在进入到下一层去之前，如果由于一层出来的物料在进入到下一层去之前，如果由于一层出来的物料在进入到下一层去之前，如果由于放热放热放热放热(或吸热或吸热或吸热或吸热)的关系使其温度升高的关系使其温度升高的关系使其温度升高的关系使其