反应工程课件第五章.ppt

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1、第五章第五章 固定床气固定床气-固相催化反应工程固相催化反应工程5.1 5.1 5.1 5.1 固定床气固相催化反应器的基本类型和数学固定床气固相催化反应器的基本类型和数学固定床气固相催化反应器的基本类型和数学固定床气固相催化反应器的基本类型和数学模型模型模型模型5.2 5.2 5.2 5.2 固定床流体力学固定床流体力学固定床流体力学固定床流体力学5.3 5.3 5.3 5.3 绝热式固定床催化反应器绝热式固定床催化反应器绝热式固定床催化反应器绝热式固定床催化反应器5.4 5.4 5.4 5.4 连续换热内冷自热式催化反应器连续换热内冷自热式催化反应器连续换热内冷自热式催化反应器连续换热内冷

2、自热式催化反应器5.5 5.5 5.5 5.5 催化反应过程进展催化反应过程进展催化反应过程进展催化反应过程进展气气反应物和产物为气相反应物和产物为气相固固固体催化剂固体催化剂 炼油工业中的催化重整，炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。气气-固相催化反应是化学工业中固相催化反应是化学工业中应用最广、规模最大应用最广、规模最大的的反应过程。据统计，按产品吨位计反应过程。据统计，按产品吨位计约约90%90%的化工产品的

3、化工产品是通过是通过气固相反应过程生产的。气固相反应过程生产的。2SO2 +O2=2SO35.1 5.1 5.1 5.1 固定床气固相催化反应器的基本类型和数学模型固定床气固相催化反应器的基本类型和数学模型固定床气固相催化反应器的基本类型和数学模型固定床气固相催化反应器的基本类型和数学模型气固相催化反应器气固相催化反应器固定床反应器固定床反应器流化床反应器流化床反应器绝热式绝热式换热式换热式内冷式内冷式外冷外冷(热热)多段绝热多段绝热单段绝热单段绝热气固相催化反应器的基本类型气固相催化反应器的基本类型换热方换热方式式颗粒状颗粒状态态5.1.1.1 5.1.1.1 5.1.1.1 5.1.1.1

4、 固定床反应器固定床反应器固定床反应器固定床反应器 定义：定义：定义：定义：凡是凡是凡是凡是流体流体流体流体通过通过通过通过不动的固体物料不动的固体物料不动的固体物料不动的固体物料所形成的床层，进行反应所形成的床层，进行反应所形成的床层，进行反应所形成的床层，进行反应的装置都称作固定床反应器。的装置都称作固定床反应器。的装置都称作固定床反应器。的装置都称作固定床反应器。非催化的气非催化的气非催化的气非催化的气固相反应：固相反应：固相反应：固相反应：如水煤气的生产，氮与电石反应如水煤气的生产，氮与电石反应如水煤气的生产，氮与电石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生成石灰氮生成石

5、灰氮(CaCN(CaCN(CaCN(CaCN2 2 2 2)以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。反应器。反应器。反应器。气气气气-固相催化反应：固相催化反应：固相催化反应：固相催化反应：氨合成、氨合成、氨合成、氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯天然气转化，石油化工中的乙烯天然气转化，石油化工中的乙烯天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。乙烯等等。乙烯等等。乙烯等等。用

6、途用途固定床反应器优点：固定床反应器优点：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固定床中催化剂不易固定床中催化剂不易固定床中催化剂不易磨损磨损磨损磨损；床层内流体的流动接近于床层内流体的流动接近于床层内流体的流动接近于床层内流体的流动接近于平推流平推流平推流平推流，与返混式的反应器相，与返混式的反应器相，与返混式的反应器相，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大较大较大较大的生产能力的生产能力的生产能力的生产能力

7、。由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，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因此特别有利于达到因此特别有利于达到因此特别有利于达到高的选择性和转化率高的选择性和转化率高的选择性和转化率高的选择性和转化率，在大规模生产，在大规模生产，在大规模生产，在大规模生产中尤为重要。中尤为重要。中尤为重要。中尤为重要。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；催化剂的更换必须停产进行；催化剂的更换必须停产进行；1)1)1)1)绝热式催化反应

8、器绝热式催化反应器绝热式催化反应器绝热式催化反应器(1(1）定义：）定义：反应过程为绝热进行，反应热使气体和床层反应过程为绝热进行，反应热使气体和床层温度升高，逐渐接近温度升高，逐渐接近最佳温度曲线最佳温度曲线。遇到的问题遇到的问题：为什么要采用绝热操作？反应器如实现：为什么要采用绝热操作？反应器如实现绝热操作？绝热操作？(2(2）可逆放热的气）可逆放热的气-固相催化固相催化反应过程反应过程平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线x x x xT T T T分析分析A A A A、平衡曲线：、平衡曲线：、平衡曲线：、平衡曲线：X-TeX-TeX-TeX-Te线线线线 表示在一定的温度、压力和组

9、成下，可以达到的平表示在一定的温度、压力和组成下，可以达到的平表示在一定的温度、压力和组成下，可以达到的平表示在一定的温度、压力和组成下，可以达到的平 衡转化率衡转化率衡转化率衡转化率X X X X，即最大转化率。，即最大转化率。，即最大转化率。，即最大转化率。初始组成初始组成初始组成初始组成Y Y Y Yi0i0i0i0一定，压力一定，压力一定，压力一定，压力P P P P一定，平衡曲线就一定。一定，平衡曲线就一定。一定，平衡曲线就一定。一定，平衡曲线就一定。反之改变反之改变反之改变反之改变Y Y Y Yi0i0i0i0，P P P P，平衡曲线就改变。，平衡曲线就改变。，平衡曲线就改变。，

10、平衡曲线就改变。平衡曲线的作法：平衡曲线的作法：平衡曲线的作法：平衡曲线的作法：定义定义特性特性B B B B、最佳温度曲线：、最佳温度曲线：、最佳温度曲线：、最佳温度曲线：X-TmX-TmX-TmX-Tm线线线线 定义：将在不同转化率定义：将在不同转化率定义：将在不同转化率定义：将在不同转化率X X X XA A A A下使反下使反下使反下使反应速率应速率应速率应速率r r r rA A A A达到最大时温度连成曲达到最大时温度连成曲达到最大时温度连成曲达到最大时温度连成曲线，即是最佳温度曲线。线，即是最佳温度曲线。线，即是最佳温度曲线。线，即是最佳温度曲线。a a、通过实验测定、通过实验测

11、定b b、化学动力学控制时、化学动力学控制时，用公式计算，用公式计算最佳温度曲线的作法：最佳温度曲线的作法：最佳温度曲线的作法：最佳温度曲线的作法：平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线x x x xT T T T0.00.600.80r(x,T)最佳温度曲线特性：最佳温度曲线特性：最佳温度曲线特性：最佳温度曲线特性：反应器进口反应器进口：转化率低，：转化率低，要求的操作温度高。要求的操作温度高。反应器出口：反应器出口：转化率高，转化率高，要求的操作温度低。要求的操作温度低。实际反应过程分析实际反应过程分析实际反应过程分析实际反应过程分析A A A A、实际反应器进口物料转化率低，反应的最佳

12、温度高。、实际反应器进口物料转化率低，反应的最佳温度高。、实际反应器进口物料转化率低，反应的最佳温度高。、实际反应器进口物料转化率低，反应的最佳温度高。B B B B、实际反应器进口物料温度一般较低，略大于或等于环境温度。、实际反应器进口物料温度一般较低，略大于或等于环境温度。、实际反应器进口物料温度一般较低，略大于或等于环境温度。、实际反应器进口物料温度一般较低，略大于或等于环境温度。C C C C、将实际反应器物料较低的进口温度，加热到较高的最佳温度，、将实际反应器物料较低的进口温度，加热到较高的最佳温度，、将实际反应器物料较低的进口温度，加热到较高的最佳温度，、将实际反应器物料较低的进口

13、温度，加热到较高的最佳温度，需要大量换热面积和热能。需要大量换热面积和热能。需要大量换热面积和热能。需要大量换热面积和热能。D D D D、对耐热温度较低的催化剂，有可能出现进口处的最佳温度大、对耐热温度较低的催化剂，有可能出现进口处的最佳温度大、对耐热温度较低的催化剂，有可能出现进口处的最佳温度大、对耐热温度较低的催化剂，有可能出现进口处的最佳温度大于耐热温度。于耐热温度。于耐热温度。于耐热温度。绝热反应的使用绝热反应的使用绝热反应的使用绝热反应的使用单段绝热催化反应器；多段绝单段绝热催化反应器；多段绝单段绝热催化反应器；多段绝单段绝热催化反应器；多段绝热催化反应器；连续换热式催化反应器的进

14、口段。热催化反应器；连续换热式催化反应器的进口段。热催化反应器；连续换热式催化反应器的进口段。热催化反应器；连续换热式催化反应器的进口段。换热器换热器1换热器换热器2转化器转化器4040400700 400700 解决办法解决办法解决办法解决办法 采用采用采用采用绝热反应器绝热反应器绝热反应器绝热反应器。A A A A、气体在、气体在、气体在、气体在催化剂活性温度以上催化剂活性温度以上催化剂活性温度以上催化剂活性温度以上进入反应器，其后进行绝进入反应器，其后进行绝进入反应器，其后进行绝进入反应器，其后进行绝热反应，利用放热使气体（床层）升温。热反应，利用放热使气体（床层）升温。热反应，利用放热

15、使气体（床层）升温。热反应，利用放热使气体（床层）升温。B B B B、边反应边升温，逐步接近、边反应边升温，逐步接近、边反应边升温，逐步接近、边反应边升温，逐步接近最佳温度曲线最佳温度曲线最佳温度曲线最佳温度曲线。(3(3(3(3）单段绝热式催化反应器）单段绝热式催化反应器）单段绝热式催化反应器）单段绝热式催化反应器平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线x x x xT T T T 原料气原料气 产物产物催化剂催化剂 A A、绝热过程的热量衡算、绝热过程的热量衡算B、单段适用的场合、单段适用的场合a、转化率变化不大的反应过程、转化率变化不大的反应过程b、转化率变化较大，但相应绝热温升较小，

16、、转化率变化较大，但相应绝热温升较小，绝热操作线斜率较大，只要一段床层就可达到绝热操作线斜率较大，只要一段床层就可达到反应的目的过程。反应的目的过程。平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线x x x xT T T T(4(4(4(4）多段绝热式催化反应器）多段绝热式催化反应器）多段绝热式催化反应器）多段绝热式催化反应器绝热反应绝热反应换热换热绝热反应绝热反应换热换热分分类类间接换热式间接换热式冷激式冷激式间接换热式间接换热式+冷激式冷激式外部间接换热式外部间接换热式内部间接换热式内部间接换热式原料气冷激式原料气冷激式非原料气冷激式非原料气冷激式平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线x x

17、x xT T T TA A A A、间接换热式、间接换热式、间接换热式、间接换热式a a a a、内部间接换热式、内部间接换热式、内部间接换热式、内部间接换热式b b b b、外部间接换热式、外部间接换热式、外部间接换热式、外部间接换热式特点：特点：a a a a、由于、由于、由于、由于Y Y Y Yi0i0i0i0，P P P P不变，则不变，则不变，则不变，则x-x-x-x-T T T Te e e e，x-Tx-Tx-Tx-Tm m m m曲线不变，曲线不变，曲线不变，曲线不变，各各各各段共用。段共用。段共用。段共用。b b b b、冷却过程无反应，但、冷却过程无反应，但、冷却过程无反应

18、，但、冷却过程无反应，但温度变化，故各段冷却温度变化，故各段冷却温度变化，故各段冷却温度变化，故各段冷却线相互平行，且平行于线相互平行，且平行于线相互平行，且平行于线相互平行，且平行于T T T T轴。轴。轴。轴。c c c c、虽然反应过程中转化、虽然反应过程中转化、虽然反应过程中转化、虽然反应过程中转化率变化，但原料气的初率变化，但原料气的初率变化，但原料气的初率变化，但原料气的初始组成不变，始组成不变，始组成不变，始组成不变，各段的操各段的操各段的操各段的操作线斜率相同，相互平作线斜率相同，相互平作线斜率相同，相互平作线斜率相同，相互平行。行。行。行。平衡温度平衡温度线线最佳温度最佳温度

19、线线x x x xT T T TB B B B、原料气冷激式、原料气冷激式、原料气冷激式、原料气冷激式平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线x x x xT T T T特点：特点：a a a a、由于、由于、由于、由于Y Y Y Yi0i0i0i0，P P P P不变，则不变，则不变，则不变，则x-Tx-Tx-Tx-Te e e e，x-Tx-Tx-Tx-Tm m m m曲线不变，曲线不变，曲线不变，曲线不变，各段共用各段共用各段共用各段共用。b b b b、冷却过程虽然无反应，但、冷却过程虽然无反应，但、冷却过程虽然无反应，但、冷却过程虽然无反应，但反应后的气体与冷原料气混反应后的气体与冷

20、原料气混反应后的气体与冷原料气混反应后的气体与冷原料气混合，温度降低的同时，转化合，温度降低的同时，转化合，温度降低的同时，转化合，温度降低的同时，转化率也降低，故各段冷却线率也降低，故各段冷却线率也降低，故各段冷却线率也降低，故各段冷却线相相相相互不平行，也不平行于互不平行，也不平行于互不平行，也不平行于互不平行，也不平行于T T T T轴。轴。轴。轴。c c c c、虽然反应过程中转化率变、虽然反应过程中转化率变、虽然反应过程中转化率变、虽然反应过程中转化率变化，但原料气的初始组成不化，但原料气的初始组成不化，但原料气的初始组成不化，但原料气的初始组成不变，各段的操作线变，各段的操作线变，

21、各段的操作线变，各段的操作线斜率相同，斜率相同，斜率相同，斜率相同，相互平行。相互平行。相互平行。相互平行。平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线x x x xT T T TC C、非原料气冷激式、非原料气冷激式平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线x x x xT T T T平衡温度线平衡温度线平衡温度线平衡温度线最佳温度线最佳温度线x x x xT T T T平衡温度线平衡温度线a a、由于非原料气加入，使、由于非原料气加入，使、由于非原料气加入，使、由于非原料气加入，使得得得得Y Yi0i0逐段降低，导致逐段降低，导致逐段降低，导致逐段降低，导致T Te e上升，则上升，则上升，则上

22、升，则x-Tex-Te，x-Tmx-Tm曲线逐段抬高，曲线逐段抬高，曲线逐段抬高，曲线逐段抬高，各段不各段不各段不各段不相同。相同。相同。相同。b b、冷却过程无反应，各段、冷却过程无反应，各段、冷却过程无反应，各段、冷却过程无反应，各段冷却线冷却线冷却线冷却线相互平行，且平相互平行，且平相互平行，且平相互平行，且平行于行于行于行于T T轴。轴。轴。轴。c c、由于非原料气加入，使、由于非原料气加入，使、由于非原料气加入，使、由于非原料气加入，使得得得得Y Yi0i0逐段降低，导致绝逐段降低，导致绝逐段降低，导致绝逐段降低，导致绝热操作线斜率逐段增大，热操作线斜率逐段增大，热操作线斜率逐段增大

23、，热操作线斜率逐段增大，各段的各段的各段的各段的操作线相互不平操作线相互不平操作线相互不平操作线相互不平行。行。行。行。特点：特点：1 1）五段绝热式固定床催化反应器中，段间为）五段绝热式固定床催化反应器中，段间为间接换热，请画出操作状况简图（间接换热，请画出操作状况简图（X-TX-T图）。图）。2 2）五段绝热式固定床催化反应器中，段间为）五段绝热式固定床催化反应器中，段间为原料气冷激式，请画出操作状况简图（原料气冷激式，请画出操作状况简图（X-TX-T图）。图）。3 3）五段绝热式固定床催化反应器中，段间为）五段绝热式固定床催化反应器中，段间为非原料气冷激式，请画出操作状况简图（非原料气冷

24、激式，请画出操作状况简图（X-TX-T图）。图）。4 4）四段绝热式固定床催化反应器中，）四段绝热式固定床催化反应器中，1-21-2段间段间为原料气冷激式、其余段为间接换热式，请画为原料气冷激式、其余段为间接换热式，请画出操作状况简图（出操作状况简图（X-TX-T图）。图）。思考题：思考题：5 5）在多段固定床绝热式气一固相催化反应器中）在多段固定床绝热式气一固相催化反应器中,进行单一可进行单一可逆放热反应、对间接换热式操作状况叙述不正确的是逆放热反应、对间接换热式操作状况叙述不正确的是()()。（A A）操作线相互不平行；）操作线相互不平行；（B B）冷却线水平；）冷却线水平；（C C）最佳

25、温度曲线连续；）最佳温度曲线连续；（D D）平衡曲线连续；）平衡曲线连续；6 6）在多段固定床绝热式气一固相催化反应器中）在多段固定床绝热式气一固相催化反应器中,进行单一可进行单一可逆放热反应、对非原料气冷激式操作状况叙述不正确的是（逆放热反应、对非原料气冷激式操作状况叙述不正确的是（）。）。（A A）操作线相互不平行；）操作线相互不平行；（B B）冷却线水平；）冷却线水平；（C C）最佳温度曲线不连续；（）最佳温度曲线不连续；（D D）平衡曲线连续；）平衡曲线连续；7 7）气一固相催化反应器主要分为）气一固相催化反应器主要分为()()和和()()两大类。两大类。8)8)固定床催化反应器按换热

26、方式分为固定床催化反应器按换热方式分为()和和()两两类，按气体在催化床中流动方向分为类，按气体在催化床中流动方向分为()和和()两两类。类。9 9）多段换热式分为）多段换热式分为()()和和()()两类。两类。2)2)2)2)连续换热式催化反应器连续换热式催化反应器连续换热式催化反应器连续换热式催化反应器自热式反应器自热式反应器自热式反应器自热式反应器:反应前后的物料在床层中自己进行换反应前后的物料在床层中自己进行换反应前后的物料在床层中自己进行换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。热称作自热式反应器。热称作自热式反应器。热称作自热式反应器。自热式反应器示意图自热式反应器示意

27、图自热式反应器示意图自热式反应器示意图（1)1)概述概述 反应和换热同时进行反应和换热同时进行，边反应，边换热，换热器设置在，边反应，边换热，换热器设置在床层内。床层内。连续换热式操作状况：开始有一连续换热式操作状况：开始有一绝热段绝热段，为绝热操作，为绝热操作，升温至冷却段的进口，已接近最佳温度，冷却段升温至冷却段的进口，已接近最佳温度，冷却段连续换热连续换热，接近最佳温度曲线操作。接近最佳温度曲线操作。平衡温平衡温度线度线最佳温最佳温度线度线x x x xT T T T平衡温平衡温度线度线最佳温最佳温度线度线x x x xT T T T分分类类外冷列管式外冷列管式单管逆流式单管逆流式内冷自

28、热式内冷自热式外部供热管式外部供热管式单管并流式单管并流式双套管并流式双套管并流式三套管并流式三套管并流式按换热按换热情况分情况分按冷管按冷管结构分结构分 管径：管径：管径：管径：一般为一般为一般为一般为2525252550mm50mm50mm50mm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25mm25mm25mm25mm。催化剂粒径：催化剂粒径：催化剂粒径：催化剂粒径：应小于管径的应小于管径的应小于管径的应小于管径的8 8 8 8分之一分之一分之一分之一，通常固定床，通常固定床，通常固定床，通常固定床用的粒径约为用的粒径约为用的粒径约为用的粒径约为2 2 2 26mm

29、6mm6mm6mm，不小于，不小于，不小于，不小于1.5mm1.5mm1.5mm1.5mm。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：沸水沸水沸水沸水可以用于可以用于可以用于可以用于100100100100300300300300的温度范围。的温度范围。的温度范围。的温度范围。联苯与联苯醚联苯与联苯醚联苯与联苯醚联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分能用于能用于能用于能用于200200200200350350350350的范围。的范围。的范围。的范围。无机

30、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)可用可用可用可用于于于于300300300300400400400400的情况。的情况。的情况。的情况。对于对于对于对于600600600600700700700700左右的高温反应，只能用烟道气作为左右的高温反应，只能用烟道气作为左右的高温反应，只能用烟道气作为左右的高温反应，只能用烟道气作为热载体。热载体。热载体。热载体。列管式反应器优点：列管式反应器优点：列管式反应器优点：列管式反应器优点：传热较好，管内温度较易控制；传热较好，管

31、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，便可有把握地进行只要增加管数，便可有把握地进行只要增加管数，便可有把握地进行只要增加管数，便可有把握地进行放大放大放大放大；对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物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料来稀释催化剂料来稀释催化剂料来稀释催化剂 适用原料成本高，副产物价值低以及分离不是适用原料成本高，副产物价值低以及分离不是适用

32、原料成本高，副产物价值低以及分离不是适用原料成本高，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。温度温度温度温度床床床床层层层层深深深深度度度度温度温度温度温度转转转转化化化化率率率率（2)2)三套管并流式三套管并流式A A、结构、结构：冷管，中心管，冷气分气盒，集气盒。：冷管，中心管，冷气分气盒，集气盒。B B、气体流程：、气体流程：冷气冷气 分气盒分气盒 冷管内冷管内 内环隙内环隙 集气盒集气盒 中心管中心管 床层。床层。C C、气体间的换热：、气体间的换热：床层热气与环隙冷气间换热。床层热气与环隙冷气间换热。D D、温度分布、温度分布（3)3)

33、双套管并流式双套管并流式（4)4)单管并流式单管并流式（5)5)单管逆流式单管逆流式（6)6)单管外冷式单管外冷式3 3 3 3）轴向反应器与径向反应器轴向反应器与径向反应器轴向反应器与径向反应器轴向反应器与径向反应器VSVS流态化现象流态化现象5.1.1.2 流化床反应器流化床反应器 LLf LLf L0 LLmf 流体流体流体流体 流体流体流体流体 流体流体流体流体 流体流体流体流体 流体流体流体流体 流体流体流体流体 固固固固定定定定床床床床起起起起始始始始流流流流化化化化膨膨膨膨胀胀胀胀床床床床鼓鼓鼓鼓泡泡泡泡床床床床气气气气力力力力输输输输送送送送节节节节涌涌涌涌 流化床反应器流化床

34、反应器流化床反应器流化床反应器思考题思考题1 1）连续换热式催化反应器可分为）连续换热式催化反应器可分为(),(),()(),(),()等三种。等三种。2 2）内冷自热式）内冷自热式催化床，根据冷管的结构不同，主要可分为催化床，根据冷管的结构不同，主要可分为(),(),()、（、（）等四种，其中没有绝热段的）等四种，其中没有绝热段的是（是（）。）。催化反应器的数学模型催化反应器的数学模型催化反应器的数学模型催化反应器的数学模型1)1)1)1)分类分类分类分类(1(1(1(1）按反应动力学分为：）按反应动力学分为：）按反应动力学分为：）按反应动力学分为：非均相模型、拟均相模型。非均相模型、拟均相

35、模型。非均相模型、拟均相模型。非均相模型、拟均相模型。非均相模型非均相模型非均相模型非均相模型:存在浓度差、温度差存在浓度差、温度差存在浓度差、温度差存在浓度差、温度差 拟均相：不存在浓度差、温度差拟均相：不存在浓度差、温度差拟均相：不存在浓度差、温度差拟均相：不存在浓度差、温度差 拟均相适用情况：拟均相适用情况：拟均相适用情况：拟均相适用情况：a a a a、化学动力学控制、化学动力学控制、化学动力学控制、化学动力学控制 b b b b、活性较正系数（无宏观动力学资料）、活性较正系数（无宏观动力学资料）、活性较正系数（无宏观动力学资料）、活性较正系数（无宏观动力学资料）(2(2(2(2）按气

36、体的流动方向和浓度、温度分布状况分为）按气体的流动方向和浓度、温度分布状况分为）按气体的流动方向和浓度、温度分布状况分为）按气体的流动方向和浓度、温度分布状况分为：一维模型、：一维模型、：一维模型、：一维模型、二维模型。二维模型。二维模型。二维模型。一维：轴向浓度差、温度差；一维：轴向浓度差、温度差；一维：轴向浓度差、温度差；一维：轴向浓度差、温度差；二维：轴向浓度差、温度差；轴径向浓度差、温度差；二维：轴向浓度差、温度差；轴径向浓度差、温度差；二维：轴向浓度差、温度差；轴径向浓度差、温度差；二维：轴向浓度差、温度差；轴径向浓度差、温度差；(3(3(3(3）按流动方式分为：）按流动方式分为：）

37、按流动方式分为：）按流动方式分为：理想流动，非理想流动。理想流动，非理想流动。理想流动，非理想流动。理想流动，非理想流动。理想流动：平推流，全混流。理想流动：平推流，全混流。理想流动：平推流，全混流。理想流动：平推流，全混流。非理想流动：考虑返混（扩散）。非理想流动：考虑返混（扩散）。非理想流动：考虑返混（扩散）。非理想流动：考虑返混（扩散）。维数维数维数维数相数相数相数相数返混返混返混返混根据相态根据相态(拟均相？非均相？），维数（一维？二拟均相？非均相？），维数（一维？二维？），返混（有返混？无返混？）的不同情况，维？），返混（有返混？无返混？）的不同情况，可以建立八种（）不同的数学模型可

38、以建立八种（）不同的数学模型表表表表5 5 5 51 1 1 1催化反应器数学模型分类催化反应器数学模型分类催化反应器数学模型分类催化反应器数学模型分类一维模型一维模型一维模型一维模型AA类类类类：拟均相模型拟均相模型拟均相模型拟均相模型BB类类类类：非均相模型非均相模型非均相模型非均相模型AAI I：基础模型基础模型基础模型基础模型BBI I：基础模型相间分布基础模型相间分布基础模型相间分布基础模型相间分布AAIIII：AAI+I+轴向返混轴向返混轴向返混轴向返混BBII II：BBI+I+轴向返混轴向返混轴向返混轴向返混二维模型二维模型二维模型二维模型AAIIIIII：AAI I 径向分布

39、径向分布径向分布径向分布BBIII III：BBI I径向分布径向分布径向分布径向分布AAIVIV：AAIII III 轴向返混轴向返混轴向返混轴向返混BBIV IV：BBIIIIII轴向返混轴向返混轴向返混轴向返混2 2）基础模型）基础模型 一维一维+拟均相拟均相+平推流平推流1 1）颗粒特性）颗粒特性）颗粒特性）颗粒特性（1 1 1 1）单个无规则颗粒直径：）单个无规则颗粒直径：）单个无规则颗粒直径：）单个无规则颗粒直径：A A A A、等体积相当直径、等体积相当直径、等体积相当直径、等体积相当直径d d d dp p p p：用体积相同的球形颗粒的直径表示非：用体积相同的球形颗粒的直径表

40、示非：用体积相同的球形颗粒的直径表示非：用体积相同的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的直径。球形颗粒的直径。球形颗粒的直径。球形颗粒的直径。球粒：球粒：球粒：球粒：非球粒：非球粒：非球粒：非球粒：V V V VP P P P V V V VP P P P=V=V=V=VS S S S 5.2 5.2 固定床流体力学固定床流体力学5.2.1 5.2.1 固定床的物理特性固定床的物理特性B B B B、等外表面积相当直径、等外表面积相当直径、等外表面积相当直径、等外表面积相当直径D D D Dp p p p：用外表面积相同的球形颗粒的直：用外表面积相同的球形颗粒的直：用外表面积相同的球形颗粒的直：用外

41、表面积相同的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的直径。径表示非球形颗粒的直径。径表示非球形颗粒的直径。径表示非球形颗粒的直径。球粒：球粒：球粒：球粒：非球粒：非球粒：非球粒：非球粒：S S S SP P P P S S S SS S S S=S=S=S=SP P P P C C C C、等比表面积相当直径、等比表面积相当直径、等比表面积相当直径、等比表面积相当直径d d d dS S S S：用比面积相同的球形颗粒的直径：用比面积相同的球形颗粒的直径：用比面积相同的球形颗粒的直径：用比面积相同的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的直径。表示非球形颗粒的直径。表示非球形颗粒的直径。表示非球形颗粒的直径。比表

42、面积比表面积比表面积比表面积Sg:Sg:Sg:Sg:m m m m2 2 2 2/m/m/m/m3 3 3 3:单位体积的催化剂所具有的表面积。单位体积的催化剂所具有的表面积。单位体积的催化剂所具有的表面积。单位体积的催化剂所具有的表面积。m m m m2 2 2 2/g:/g:/g:/g:单位质量单位质量单位质量单位质量 的催化剂所具有的表面积。的催化剂所具有的表面积。的催化剂所具有的表面积。的催化剂所具有的表面积。球粒：球粒：球粒：球粒：非球形颗粒：非球形颗粒：非球形颗粒：非球形颗粒：（2 2 2 2）颗粒的形状）颗粒的形状）颗粒的形状）颗粒的形状 形状系数：形状系数：形状系数：形状系数：

43、用体积相同的球形颗粒的外表面积比用体积相同的球形颗粒的外表面积比用体积相同的球形颗粒的外表面积比用体积相同的球形颗粒的外表面积比上非球形颗粒的外表面积。上非球形颗粒的外表面积。上非球形颗粒的外表面积。上非球形颗粒的外表面积。思考题：直径为思考题：直径为d d，高为，高为h h的圆柱形催化剂，（的圆柱形催化剂，（1 1）求其）求其相当直径相当直径d ds s与形状系数。（与形状系数。（2 2）若颗粒为高和直径相等）若颗粒为高和直径相等的圆柱形催化剂的圆柱形催化剂，求其相当直径，求其相当直径dsds与形状系数。与形状系数。（3 3）混合颗粒的直径）混合颗粒的直径）混合颗粒的直径）混合颗粒的直径平均

44、直径平均直径平均直径平均直径算术平均直径：算术平均直径：算术平均直径：算术平均直径：调和平均直径：调和平均直径：调和平均直径：调和平均直径：几何平均直径：几何平均直径：几何平均直径：几何平均直径：2 2）床层的特性）床层的特性）床层的特性）床层的特性（1 1 1 1）空隙率：）空隙率：）空隙率：）空隙率：指催化剂床层的空隙体积与催化剂床指催化剂床层的空隙体积与催化剂床指催化剂床层的空隙体积与催化剂床指催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比，用层总体积之比，用层总体积之比，用层总体积之比，用表示。表示。表示。表示。（2 2 2 2）壁效应：）壁效应：）壁效应：）壁效应：容器的器壁产生的影响。

45、容器的器壁产生的影响。容器的器壁产生的影响。容器的器壁产生的影响。床层空隙率的大小与颗粒直径、形状、粒度床层空隙率的大小与颗粒直径、形状、粒度床层空隙率的大小与颗粒直径、形状、粒度床层空隙率的大小与颗粒直径、形状、粒度分布、颗粒直径与床直径之比，以及颗粒的充填分布、颗粒直径与床直径之比，以及颗粒的充填分布、颗粒直径与床直径之比，以及颗粒的充填分布、颗粒直径与床直径之比，以及颗粒的充填方法等有关。方法等有关。方法等有关。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，对于粒

46、度均一的颗粒所构成的床层，在与器壁距对于粒度均一的颗粒所构成的床层，在与器壁距对于粒度均一的颗粒所构成的床层，在与器壁距对于粒度均一的颗粒所构成的床层，在与器壁距离为离为离为离为0 0 0 01 1 1 1倍颗粒直径处，空隙率最大倍颗粒直径处，空隙率最大倍颗粒直径处，空隙率最大倍颗粒直径处，空隙率最大，床层中心，床层中心，床层中心，床层中心较小较小较小较小（3 3 3 3）固定床当量直径）固定床当量直径）固定床当量直径）固定床当量直径dededede de=4R de=4R de=4R de=4RH H H H n n式中：式中：式中：式中：d d d dS S S S等比表面积相当直径等比表

47、面积相当直径等比表面积相当直径等比表面积相当直径 水力半径水力半径=5.2.2 5.2.2 单相流体在固定床中的流动及压力降单相流体在固定床中的流动及压力降单相流体在固定床中的流动及压力降单相流体在固定床中的流动及压力降1 1 1 1）流动特性）流动特性）流动特性）流动特性 流体在固定床中的流动比在空管内的流动情况要复杂流体在固定床中的流动比在空管内的流动情况要复杂流体在固定床中的流动比在空管内的流动情况要复杂流体在固定床中的流动比在空管内的流动情况要复杂的多，是颗粒物料所组成的孔道中流动，受粒度、粒度分的多，是颗粒物料所组成的孔道中流动，受粒度、粒度分的多，是颗粒物料所组成的孔道中流动，受粒

48、度、粒度分的多，是颗粒物料所组成的孔道中流动，受粒度、粒度分布、形状及粗糙度的影响。一般情况颗粒是随机堆积的，布、形状及粗糙度的影响。一般情况颗粒是随机堆积的，布、形状及粗糙度的影响。一般情况颗粒是随机堆积的，布、形状及粗糙度的影响。一般情况颗粒是随机堆积的，床层中心处的空隙率往往比接近器壁处环形区域的空隙率床层中心处的空隙率往往比接近器壁处环形区域的空隙率床层中心处的空隙率往往比接近器壁处环形区域的空隙率床层中心处的空隙率往往比接近器壁处环形区域的空隙率小。小。小。小。2 2 2 2）床层流体的径向流速分布）床层流体的径向流速分布）床层流体的径向流速分布）床层流体的径向流速分布 流过床层的径

49、向流速分布是不均匀的。从床层中心处流过床层的径向流速分布是不均匀的。从床层中心处流过床层的径向流速分布是不均匀的。从床层中心处流过床层的径向流速分布是不均匀的。从床层中心处算起，随着径向位置的增大，流速增加，在离器壁的距离算起，随着径向位置的增大，流速增加，在离器壁的距离算起，随着径向位置的增大，流速增加，在离器壁的距离算起，随着径向位置的增大，流速增加，在离器壁的距离等于等于等于等于0 0 0 01 1 1 1倍颗粒直径处，流速最大，然后随径向位置的增倍颗粒直径处，流速最大，然后随径向位置的增倍颗粒直径处，流速最大，然后随径向位置的增倍颗粒直径处，流速最大，然后随径向位置的增大而降低，至壁面

50、处为零。大而降低，至壁面处为零。大而降低，至壁面处为零。大而降低，至壁面处为零。3 3 3 3）单相流体通过固定床的压力降）单相流体通过固定床的压力降）单相流体通过固定床的压力降）单相流体通过固定床的压力降 流体流过固定床时所产生的压力损失主要来流体流过固定床时所产生的压力损失主要来流体流过固定床时所产生的压力损失主要来流体流过固定床时所产生的压力损失主要来自三方面：一是由于自三方面：一是由于自三方面：一是由于自三方面：一是由于颗粒的粘滞力颗粒的粘滞力颗粒的粘滞力颗粒的粘滞力，即流体与颗，即流体与颗，即流体与颗，即流体与颗粒表面间的摩擦；二是由于流体流动过程中孔道粒表面间的摩擦；二是由于流体流