第五章固定床气固相催化反应工程dbdm.pptx

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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本章授课内容本章授课内容 固定床气固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型固相催化反应器的基本类型和数学模型固定床流体力学固定床流体力学固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程绝热式固定床催化反应器绝热式固定床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式外冷及外热管式催化反应器连续换热式外冷及外热管式催化反应器薄床层催化反应器薄床层催化反应器第一节第一节 固定床气固定床气-固相催化反应器的固相催化反应器的 基本类型和数学模型基本类型和数学模型一、固定床气一、固定床气-固相催化反应器的基本

2、类型固相催化反应器的基本类型图图5-1 单段绝热催化床单段绝热催化床 图图5-2 多段固定床绝热反应器多段固定床绝热反应器 图图5-3 单一可逆放单一可逆放热反应三段间接热反应三段间接换热式操作状况换热式操作状况图图5-4 单一可逆放单一可逆放热反应三段原料气热反应三段原料气冷激式操作状况冷激式操作状况图图5-5 单一可逆放单一可逆放热反应三段非原料热反应三段非原料气冷激式操作状况气冷激式操作状况 图图5-6 外冷管式外冷管式 催催化化铂铂重重整整是是石石油油加加工工中中的的重重要要过过程程，它它以以石石脑脑油油为为原原料料，可可生生产产高高辛辛烷烷值值汽汽油油和和芳芳烃烃，其其中中的的大大部

3、部分分反反应应都都是是强强吸吸热热反反应应，在在绝绝热热反反应应器器中中由由于于反反应应吸吸热热而而降降低低了了反反应应气气体体的的温温度度，必必须须采采用用三三至至四四段段反反应应器器串串联联，中中间间由由加加热热炉炉补补充充供供热热，一一般般重重整整催催化化床床的的入入口口温温度度为为480530。为为了了降降低低固固定定床床反反应应器器的的压压力力降降，一一些些重重整整流流程程采采用用径径向向流流动动反应器。反应器。连连续续换换热热式式催催化化床床中中反反应应与与换换热热过过程程同同时时进进行行。乙乙烯烯催催化化氧氧化化合合成成环环氧氧乙乙烷烷、萘萘氧氧化化制制邻邻苯苯二二甲甲酸酸酐酐及

4、及乙乙烯烯与与乙乙酸酸气气相相氧氧化化制制乙乙酸酸乙乙烯烯脂脂等等反反应应的的反反应应热热大大，采采用用管管式式催催化化床床，见见图图5-6，催催化化剂剂装装载载在在管管内内，以以增增加加单单位位体体积积催催化化床床的的传传热热面面积积。载载热热体体在在管管间间流流动动或或汽汽化化以以移移走走反反应应热热。合合理理地地选选择择载载热热体体是是控控制制反反应应温温度度和和保保持持稳稳定定操操作作的的关关键键。载载热热体体的的温温度度与与催催化化床床之之间间的的温温差差宜宜小小，但但又又必必须须移移走走大大量的反应热。量的反应热。反反应应温温度度不不同同，选选用用的的载载热热体体不不同同。般般反反

5、应应温温度度200250时时采采用用加加压压热热水水汽汽化化作作载载热热体体而而副副产产中中压压蒸蒸汽汽。反反应应温温度度250300时时，可可采采用用挥挥发发性性低低的的有有机机载载热热体体如如矿矿物物油油，联联苯苯-联联苯苯醚醚混混合合物物；反反应应温温度度在在300以以上上采采用用熔熔盐盐作作载载热热体体，有有机载热体和熔盐吸收的反应热都用来产生蒸汽。机载热体和熔盐吸收的反应热都用来产生蒸汽。图图5-7 三套管并流式冷管催化床温度分布及操作条件三套管并流式冷管催化床温度分布及操作条件 图图5-8 侧壁烧嘴式转化炉侧壁烧嘴式转化炉图图5-9 径向流动催化反应器径向流动催化反应器 按按照照反

6、反应应气气体体在在催催化化床床中中的的流流动动方方向向，固固定定床床反反应应器器可可分分为为轴轴向向流流动动与与径径向向流流动动，轴轴向向流流动动反反应应器器中中气气体体流流向向与与反反应应器器的的轴轴平平行行，而而径径向向流流动动催催化化床床中中气气体体在在垂垂直直于于反反应应器器轴轴的的各各个个横横截截面面上上沿沿半半径径方向流动，见图方向流动，见图5-9。径径向向流流动动催催化化床床的的气气体体流流道道短短，流流速速低低，可可大大幅幅度度地地降降低低催催化化床床压压降降，为为使使用用小小颗颗粒粒催催化化剂剂提提供供了了条条件件。径径向向流流动动反反应应器器的的设设计计关关键键是是合合理理

7、设设计计流流道使各个横截面上的气体流量均等。道使各个横截面上的气体流量均等。图图5-10 径向二段冷激氨合成塔径向二段冷激氨合成塔图图5-11 径向二段间接热氨合成塔径向二段间接热氨合成塔 图图5-10和和图图5-11是是 公公司司大大型型氨氨合合成成反反应应器器的的径径向向二二段段冷冷激激式式及及径径向向二二段段间间接接换换热热式式径径向向催催化化床床中中也也可可以以安安装装冷冷管管。华华东东理理工工大大学学于于二二十十世世纪纪六六十十年年代代开开发发了了 800mm鼠鼠笼笼冷冷管管型型径径向向氨氨合合成成反反应应器器，于于八八十十年年代代开开发发了了丁丁烯烯氧氧化化脱脱氢氢制制丁丁二二烯烯

8、年年产产l.6万万吨吨二二段段绝绝热热段段间间喷喷水水冷冷激激的的径径向向反反应应器器，二二十十一一世世纪纪初初开开发发了了年年产产十十万万吨吨和和二二十十万万吨吨乙乙苯苯脱脱氢氢二二段段绝绝热热轴轴径径向向反反应应器器。轴轴径径向向催催化化床床见见图图5-12，催催化化床床由由无无分分隔隔的的二二部部分分组组成成，上上部部是是轴轴向向催催化化床床，下下部部是是轴轴径径向向混混合合流流动动催催化化床床，便便于于装装卸卸催催化化剂剂。顶顶端端不不封封闭闭且且侧侧壁壁不不开开孔孔，气气体体作作轴轴径径向向混混合合流流动动，主主要要部部分分仍仍用用侧侧壁壁开开孔孔调调节节以以保保证证气气体体作均匀径

9、向流动。作均匀径向流动。二、固定床催化反应器的数学模型二、固定床催化反应器的数学模型 非均相模型：非均相模型：计入传质、传热过程对催化剂本征反应速率的计入传质、传热过程对催化剂本征反应速率的 影响影响 拟均相模型：拟均相模型：v本征动力学控制本征动力学控制 传递过程的影响传递过程的影响v颗粒宏观动力学研究得不够，只能将颗粒宏观动力学研究得不够，只能将 还原还原 流体分布不均流体分布不均 等等影影响响计计入入本本征征动动力力学学，即即“活活性性校校正正系系数数”，再再计计入入失失活活（中毒、衰老）（中毒、衰老）“寿命因子寿命因子”v以以颗颗粒粒宏宏观观动动力力学学为为基基础础，再再计计入入流流体

10、体分分布布不不均均“活活性性校正系数校正系数”、失活、失活“寿命因子寿命因子”。一维模型一维模型只考虑轴向只考虑轴向（沿气流方向）的浓度及温差（沿气流方向）的浓度及温差 二维模型二维模型同时考虑径向同时考虑径向（垂直于气流方向）的浓差（垂直于气流方向）的浓差 及温差及温差 理想理想流动模型流动模型对于固定床气对于固定床气-固相反应器，指平推流模型固相反应器，指平推流模型非理想非理想流动模型流动模型平推流，再计入平推流，再计入轴向返混轴向返混最基础模型最基础模型一维、拟均相、平推流模型一维、拟均相、平推流模型 其数学处理最简单其数学处理最简单如模型中计入如模型中计入传递过程，二维，轴向返混传递过

11、程，二维，轴向返混等参数，其数学表达等参数，其数学表达式越复杂，求解也越难。式越复杂，求解也越难。一般一般L dP，不计入轴，不计入轴向返混；向返混；而薄床层计而薄床层计入轴向返混入轴向返混1.1.固定床催化反应器的分类？各有哪些优固定床催化反应器的分类？各有哪些优缺点？分别适用于哪些场合？缺点？分别适用于哪些场合？2.2.常用的载热体有哪些？分别适用于什么常用的载热体有哪些？分别适用于什么反应温度？为什么不同的反应温度必须反应温度？为什么不同的反应温度必须采用不同温度的载热体？采用不同温度的载热体？3.3.轴向催化床与径向催化床有什么不同？轴向催化床与径向催化床有什么不同？哪种更为先进？哪种

12、更为先进？4.4.研究催化反应器的数学模型有哪几种？研究催化反应器的数学模型有哪几种？第二节第二节 固定床流体力学固定床流体力学 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、传传热热及及传传质问题。质问题。1.1.非中空固体颗粒的当量直径及形

13、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比外表面积圆球直径。等比外表面积圆球直径。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，按按等等体体积积圆圆球球直直径径计计算算的的当当量量直直径径可可表表示示如如下：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、固定床的物理特性一、固定床的物理特性 按按等等外外表表面面积积圆圆球球直直径径计计算算的

14、的当当量量直直径径Dp可可表表示如下：示如下：(5-2)式式（5-2）中中Sp为为非非中中空空颗颗粒粒等等外外表表面面积积的的圆圆球球的的外外表面积。表面积。按按等等比比外外表表面面积积圆圆球球直直径径计计算算的的当当量量直直径径ds可可表示如下：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的圆球比外表面积。积的圆球比外表面积。再再以以SS表表示示与与非非中中空空颗颗粒粒等等体体积积的的圆圆球球的的外外表表面积，则面积，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，其值如下：数，其值如下：(5-5

15、)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。形状系数说明了颗粒形状与圆球的差异程度。形状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固定床压力降来计算形状

16、系数。的固定床压力降来计算形状系数。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互关系可表示如下相互关系可表示如下 (5-6)及及 (5-7)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两两相相邻邻筛筛孔孔净净宽宽乘乘积积的的平平方方根根；xi为为直直径径di颗颗粒粒的质量分数。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体力力学学中中，用用调调和和平平均均直直径径较较

17、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粒颗粒 由固定床由固定床P计算。计算。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面积）：表面积）：(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（体等组成时，不能使用式（5-11）。）。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

18、粒粒度度分分布，充填方式，布，充填方式，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，一一般般工工程程上上认认为为当当di/dP8时时，可可不不计计壁壁效效应。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大分布较平坦。大分布较平坦。二、单相流体在固定床颗粒层中的流动及压力降二、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，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

19、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，由由滞留转入湍流是一个逐渐过渡的过程。滞留转入湍流是一个逐渐过渡的过程。1.流动特性流动特性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 为什么研究固定床的压降？为什么研究固定床的压降？怎样研究和计算？怎样研究和计算？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150/ReM1.75，即式，即式(5-13)可化简为可化简为

20、 (5-17)如如果果dt/ds的的比比值值不不够够大大时时，应应考考虑虑壁壁效效应应对对固固定定床床压压力力降降的的影影响响。根根据据dt/ds比比值值在在7至至91的的范范围围内内的实验结果整理获得下列关联式的实验结果整理获得下列关联式4 (5-18)式中式中 (5-19)如如果果使使用用的的催催化化剂剂是是中中空空的的单单孔孔环环柱柱体体，当当量量直直径径 的的计计算算可可参参见见式式（5-20）至至式式（5-22）表表示示如如下下 (5-20)式式中中Vcyl是是单单孔孔环环柱柱体体的的体体积积，Scyl是是单单孔孔环环柱柱体体的的外表面积，外表面积，E由下式确定由下式确定(5-21)

21、式式中中Vp和和Sp是是外外形形与与单单孔孔环环柱柱体体相相等等的的圆圆柱柱体体的的体体积和外表面积，式积和外表面积，式(5-20)中指数中指数n由下式确定由下式确定(5-22)式中式中di是单孔环柱体内直径。是单孔环柱体内直径。3.影响固定床影响固定床压力降的压力降的因素因素 影影响响固固定定床床压压力力降降的的因因素素有有的的是是属属于于流流体体的的，如如流流体体的的黏黏度度、密密度度等等物物理理性性质质和和流流体体的的质质量量通通量量；有有的的是是属属于于床床层层的的，如如床床层层的的高高度度和和流流通通截截面面积积、床床层层的的空空隙隙率率，和和颗颗粒粒的的物物理理特特性性如如粒粒度度

22、、形状、表面粗糙度形状、表面粗糙度等。等。流流体体的的物物理理性性质质如如黏黏度度、密密度度与与反反应应物物系系的的温温度度、压压力力和和组组成成有有关关，是是反反应应器器操操作作工工艺艺所所确确定定的的。往往往往在在反反应应器器中中温温度度及及物物系系组组成成有有相相当当明明显显的的变变化化；此此时时，按按床床层层微微元元高高度度中中物物理理性性质质计计算压力降。算压力降。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

23、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。三、径向流动反应器中流体的分布三、径向流动反应器中流体的分布（了解）四、固定床流体的径向及轴向混合四、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

24、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及轴轴向向的的混混合合过过程程，而而其其中中径径向向混混合合比比轴轴向向更加显著。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）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数系数Ez一般用一般用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

25、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值值而而有有一一定定程程度度的的变化。变化。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

26、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，此此时时Pez=dsu/Ez=2由由此可得此可得 0.5(ds/L)0.005 (5-36)即即固固固固定定定定床床床床反反反反应应应应器器器器中中中中床床床床层层层层高高高高度度度度L L超超超超过过过过颗颗颗颗粒粒粒粒直直直直径径径径d ds s的的的的一一一一百百百百倍时，可以略去轴向返混的影响。倍时，可以略去轴向返混的影响。倍时，可以略去轴向返混的影响。倍时，可以略去轴向返混的影响。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

27、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大小小的的惰惰性性物物料料，造成整个填充床处于平推流状态。造成整个填充床处于平推流状态。第三节第三节 固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程 在固定床反应器中，若床层被冷却，热量在床在固定床反应器中，若床层被冷却，热量在床层中按对流、传导及辐射的综合方式传至床层近壁层中按对流、传导及辐射的综合方式传至床层近壁处，再通近壁处滞流边界层传向容器内壁。因此，处，

28、再通近壁处滞流边界层传向容器内壁。因此，床层中每一截面上都形成一定的径向温度分布，并床层中每一截面上都形成一定的径向温度分布，并且不同轴向位置处的径向温度分布也不相同，如图且不同轴向位置处的径向温度分布也不相同，如图5-18所示。另一方面，流体在固体颗粒间流动时，所示。另一方面，流体在固体颗粒间流动时，不断地分散与汇合，形成了径向及轴向混合过程的不断地分散与汇合，形成了径向及轴向混合过程的浓度分布。固定床反应器应将温度分布与浓度分布浓度分布。固定床反应器应将温度分布与浓度分布方程和动力学方程联立求解。方程和动力学方程联立求解。图图5-18 固定床反应器的温度分布固定床反应器的温度分布一、固定床

29、径向传热过程分析 流流体体通通过过固固定定床床的的径径向向热热量量传传递递是是通通过过多多种种方方式式进进行行的的。通通常常把把固固体体颗颗粒粒及及在在其其空空隙隙中中流流动动的的流流体体包包括括在在内内的的整整个个固固定定床床看看作作为为假假想想的的固固体体，按按传传导导传传热热的的方方式式来来考考虑虑径径向向传传热热过过程程。这这一一假假想想的的固固体体导导热热系系数数，称称为为径径向向有有效效导导热热系系数数 ，而而径径向向有有效效导导热热系系数数 又又分分解解成成静静止止流流体体径径向向有有效效导导热热系系数数 ，与与流流动动流流体体径径向向有有效效导导热热系系数数 二二部部分分10。

30、床床层的径向有效导热系数层的径向有效导热系数 即为此二者之综合。即为此二者之综合。静静止止流流体体有有效效导导热热系系数数是是固固定定床床内内流流体体不不流流动动时时床床层层主主体体的的有有效效导导热热系系数数，它它包包括括如如下下的的六六个个过过程，示意图如下。程，示意图如下。图图5-19 固定床的径向传热方式固定床的径向传热方式（a）水平箭头为热的流动方向；）水平箭头为热的流动方向；（b）垂直箭头为流体的流动方向）垂直箭头为流体的流动方向(l)床层空隙内部床层空隙内部流体的传热，它与流体的导热系数流体的传热，它与流体的导热系数 有关；有关；(2)颗粒之间颗粒之间通过接触的传热，其给热系数为

31、通过接触的传热，其给热系数为 ；(3)颗粒表面附近颗粒表面附近流体中的传热，它与流体的导热系数流体中的传热，它与流体的导热系数 有关；有关；(4)颗粒表面之间的热辐射颗粒表面之间的热辐射传热，其给热系数为传热，其给热系数为 ；(5)通过通过固体颗粒固体颗粒的传热，它与固体的导热系数的传热，它与固体的导热系数 有关；有关；(6)空空隙隙内内部部流流体体的的辐辐射射传传热热，它它与与辐辐射射给给热热系系数数 有有关关。流流动流体径向有效导效系数动流体径向有效导效系数 由传热方式由传热方式(7)所形成，所形成，(7)即流体通过固定床时，由于即流体通过固定床时，由于流体混合流体混合所引起的径向对流传热

32、。所引起的径向对流传热。图图5-19（b）指指出出热热流流2、3和和4是是并并联联的的，并并且且与与热热流流5串串联联，再再与与热热流流1、6并并联联，并并组组成成静静止止流流体体有有效效导导热热系系数数 ，最最后后 和和流流动动流流体体径径向向有有效效导导热热系数系数 并联组成整个固定床的有效导热系数并联组成整个固定床的有效导热系数 。如如果果固固定定床床被被冷冷却却，则则固固定定床床中中的的热热量量通通过过上上述述七七种种方方式式传传至至床床层层器器壁壁内内流流体体滞滞流流膜膜，再再通通过过滞滞流流膜膜传传向向器器壁壁，这这个个过过程程的的给给热热系系数数称称为为壁壁给给热热系系数数 。根

33、根据据上上述述传传热热过过程程分分析析，研研究究固固定定床床的的传传热热问问题常用下列两种不同的处理方法：题常用下列两种不同的处理方法：v分分别别测测定定床床层层的的径径向向有有效效导导热热系系数数 和和壁壁给给热热系系数数 ；v将将 和和 合合并并一一起起，测测定定整整个个固固定定床床层层对对壁壁的的给给热热系数系数 。如如果果只只需需要要确确定定固固定定床床的的传传热热面面积积时时，采采用用第第二二种种方方法法。如如果果既既需需要要确确定定传传热热面面积积，又又需需要要确确定定床层内径向温度分布，要采用第一种方法。床层内径向温度分布，要采用第一种方法。二、固定床对壁的给热系数二、固定床对壁

34、的给热系数 当当确确定定固固定定床床与与外外界界的的换换热热面面积积F时时，若若以以床床层层内内壁壁的的滞滞流流边边界界层层作作为为传传热热阻阻力力所所在在，应应以以近近壁壁处处的的床床层层温温度度TR和和换换热热面面内内壁壁温温度度Tw之之差差作作为为传传热热推推动动力力。但但是是，近近壁壁处处的的床床层层温温度度TR难难以以直直接接测测量量，一一般般要要从从床床层层的的径径向向温温度度分分布布来来求求解解，这这种种计计算算换换热面积的方法很不方便。热面积的方法很不方便。因因此此，若若只只需需要要计计算算固固定定床床与与外外界界换换热热所所需需的的传传热热面面积积时时，将将床床层层的的径径向

35、向传传热热与与通通过过床床层层内内壁壁的的滞滞流流边边界界层层的的传传热热合合并并成成整整个个固固定定床床对对壁壁的的传传热热，这这时时就就要要以以固固定定床床中中同同一一截截面面处处流流体体的的平平均均温温度度Tm与与换换热热面面内内壁壁温温度度Tw之之差差作作为为传传热热推推动动力力，而而相相应应的的给给热热系系数数就就称称为为固固定定床床对对壁壁的的给给热热系系数数。此此时时，传热速率方程可表示如下：传热速率方程可表示如下：(5-37)当当相相同同的的质质量量通通量量G，kg/(m2s)，固固定定床床由由于于存存在在有有固固体体颗颗粒粒，增增加加了了流流体体的的涡涡流流，下下面面介介绍绍

36、其其中中的一种。的一种。当当流流体体流流过过固固定定床床而而被被冷冷却却时时，以以流流体体进进出出口口处处床床层层的的平平均均温温度度的的算算术术平平均均值值作作为为计计算算物物理理性性质质的的示示性性温温度度，对对于于玻玻璃璃或或低低导导热热系系数数的的瓷瓷质质球球状状颗颗粒粒，其其直直径径为为dV，床床层层对对壁壁的的给给热热系系数数 可可以以归归纳纳如下：如下：(5-38)上式的试验范围：上式的试验范围：dV/dt0.080.5；L/dt=1030；;Pr(Prandtl数)；（Nusselt数）。对于铜、铁等高导热系数球形颗粒，可归纳如下对于铜、铁等高导热系数球形颗粒，可归纳如下 (5

37、-39)上式试验范围：上式试验范围：dV/dt=0.10.5;L/dt=1030;ReP=30010000。对对于于圆圆柱柱形形颗颗粒粒，其其当当量量直直径径以以与与颗颗粒粒等等外外表表面面积积的的圆圆球球直直径径Dp计算。计算。如果固定床高度待求，则使用下式较为方便：如果固定床高度待求，则使用下式较为方便：对于球形颗粒，其直径为对于球形颗粒，其直径为dV (5-40)20ReP7600，0.05dV/dt0.3对于圆柱形颗粒对于圆柱形颗粒 (5-41)式中式中ds=6VP/SP，即等比外表面积球体直径，即等比外表面积球体直径，上式应用范围如下，上式应用范围如下 20ReS800，0.03 d

38、s/dt 0.2一般情况下，一般情况下，的值大致为的值大致为60 320三、固定床径向有效导热系数和壁给热系数三、固定床径向有效导热系数和壁给热系数 以以固固定定床床径径向向传传热热过过程程分分析析为为基基础础的的固固定定床床径径向向有有效效导导热热系系数数和和壁壁给给热热系系数数的的理理论论模模型型和和有有关关参参数可参见教材数可参见教材13第四章。第四章。1.理论模型理论模型2.实验关联式实验关联式 下下面面介介绍绍基基于于固固定定床床传传热热实实验验的的关关联联式式。中中国国科科学学院院大大连连化化学学物物理理研研究究所所根根据据气气体体通通过过固固定定床床的的床床层层径径向向温温度度分

39、分布布实实验验数数据据获获得得固固定定床床的的径径向向有有效效导热系数及壁给热系数的关联式：导热系数及壁给热系数的关联式：(5-42)式式中中A、B及及C为为常常数数，取取决决于于固固体体颗颗粒粒的的特特性性，其其数数值值列列于于表表5-2。流流体体的的物物性性数数据据，以以进进出出口口平平均均温温度的算术平均值作为定性温度。度的算术平均值作为定性温度。表表5-2 5-2 式式(5-42)(5-42)中常数中常数A A、B B及及C C值值 对于低导热系数颗粒，壁给热系数可计算如下：对于低导热系数颗粒，壁给热系数可计算如下：(5-43)对于高导热系数颗粒，壁给热系数可计算如下：对于高导热系数颗

40、粒，壁给热系数可计算如下：(5-44)对对于于圆圆柱柱形形颗颗粒粒，当当量量直直径径采采用用等等外外表表面面积积的的圆球直径。圆球直径。上列三式的实验范围如下：上列三式的实验范围如下：dV/dt0.0740.254(低导热系数颗粒低导热系数颗粒)；dV/dt0.120.20(高导热系数颗粒高导热系数颗粒)；L/dt 515；。按按式式(5-42)计计算算的的径径向向有有效效导导热热系系数数是是平平均均值值，与与径径向位置无关。向位置无关。有关固定床传热的研究工作表明：有关固定床传热的研究工作表明：v固固体体颗颗粒粒的的形形状状如如圆圆柱柱形形、单单孔孔环环柱柱形形及及低低管管径径与与颗颗粒粒直

41、直径径比比，将将影影响响固固定定床床径径向向有有效效导导热热系系数数和和壁壁给热系数的数值。给热系数的数值。v对对于于单单孔孔环环柱柱形形颗颗粒粒，采采用用同同时时计计入入外外环环和和内内环环表表面面积积的的等等比比表表面面积积的的当当量量直直径径整整理理实实验验数数据据较较好好，并并且且对对于于单单孔孔环环柱柱形形，内内环环与与外外环环直直径径比比较较大大时时，强强化化了了固固定定床床径径向向传传热热性性能能。异异形形多多通通孔孔催催化化剂剂的的固定床导热系数可参阅。固定床导热系数可参阅。四、固定床径向及轴向传热的偏微分方程四、固定床径向及轴向传热的偏微分方程 现现以以圆圆柱柱形形固固定定床

42、床为为例例讨讨论论其其中中不不进进行行化化学学反反应的热量传递过程，并采用下列应的热量传递过程，并采用下列假定假定：v由由于于轴轴向向有有效效导导热热系系数数数数值值远远低低于于径径向向有有效效导导热热系系数，即只考虑轴向随流体带入及带出的显热；数，即只考虑轴向随流体带入及带出的显热；v假假定定床床层层内内各各点点的的固固体体温温度度与与流流体体温温度度相相同同，即即不不考虑固体与流体间的温度差；考虑固体与流体间的温度差；v略去温度对热容的影响。略去温度对热容的影响。在在圆圆柱柱形形固固定定床床内内，取取一一高高为为dl、厚厚为为dr，并并对对称称于于床床层层轴轴的的微微元元环环柱柱体体，见见

43、图图5-20。单单位位时时间间内内，从从径径向向r面面传传入入的的热热量量为为Q1，由由rdr面面传传出出的的热热量量为为Q2；从从轴轴向向l面面传传入入的的热热量量为为Q3，由由ldl面面传传出出的的热热量量为为Q4。根根据据上上述述假假定定，以以0作作为为计计算算显显热热的的基基准准温温度度，若若床床层层被被冷冷却却，Q1、Q2、Q3及及Q4可可分别表示如下：分别表示如下：图图5-20 微元环柱体的传热模型微元环柱体的传热模型 对该微元体作热平衡，对该微元体作热平衡，Q1+Q3=Q2+Q4 由于由于 ；将上述关系代入，略去将上述关系代入，略去(dr)2项，化简后，可得项，化简后，可得 (5

44、-45)如如果果略略去去径径向向位位置置对对径径向向有有效效导导热热系系数数的的影影响响，即即 ，则上式化简为，则上式化简为 (5-46)式式(5-45)及及式式(5-46)是是固固定定床床内内径径向向与与轴轴向向传传热热的的偏偏微微分分方方程程，若若r0为为床床层层半半径径，L为为床床层层高高度度，T0为为床床层入口处温度，其边界条件如下：层入口处温度，其边界条件如下：l=0,r=0,r=r0,五、固定床中流体与颗粒外表面间的传热与传质五、固定床中流体与颗粒外表面间的传热与传质 固固定定床床中中流流体体与与颗颗粒粒外外表表面面间间的的传传热热及及传传质质过过程程 主主 要要 决决 定定 于于

45、 流流 体体 与与 颗颗 粒粒 外外 表表 面面 间间 的的 给给 热热 系系 数数 ，及传质系数，及传质系数 。关关于于 和和 与与流流体体的的流流动动特特性性和和物物理理性性质质、固固定定床床特特性性之之间间的的关关系系，发发表表了了许许多多从从实实验验数数据据整整理理获获得得的的关关联联式式，其其中中关关于于表表征征流流体体流流动动特特性性的的Re数数有三种方式有三种方式:下下面面二二项项关关联联式式是是整整理理有有关关床床层层空空隙隙率率对对流流体体与与颗颗粒粒外外表表面面间间传传热热及及传传质质影影响响的的众众多多文文献献实实验验数数据据后后，发发现现以以 与与传传热热J-因因子子J

46、H或或 与与传传质质J-因因子子JD的的乘乘积积与与 来来关关联联，可可以以在在广广泛泛的的雷雷诺诺数数区区间间适适用用，并并同同时时适适用用于于固固定定床床及及流流化化床床，实实验验所所用用固固体体含含圆圆球球、圆圆柱柱形形、单单孔孔环环柱柱形形，鞍鞍形形及及不不规规则则形形状等颗粒，状等颗粒，Dp为等外表面积球体直径。为等外表面积球体直径。固固定定床床与与流流化化床床中中流流体体与与颗颗粒粒外外表表面面间间的的传传热热J因子因子JH可关联如下：可关联如下：(5-47)式中，式中，的适用范围为的适用范围为1015000。固固定定床床及及流流化化床床中中流流体体中中组组分分与与颗颗粒粒外外表表

47、面面间间的传质的传质J-因子因子JD可关联如下可关联如下 (5-48)式式中中，ReP的的适适用用范范围围为为0.0115000，DB为为组组分分的的分子扩散系数。分子扩散系数。上上二二式式中中流流体体的的物物性性数数据据都都以以膜膜温温计计算算，而而膜膜温温取取流流体体主主体体及及颗颗粒粒外外表表面面温温度度的的算算术术平平均均值值。由由上上二二式式可可见见，增增大大流流体体在在固固定定床床中中的的质质量量流流率率或或质质量量通通量量G，减减小小颗颗粒粒的的当当量量直直径径Dp，都都可可以以增增大大固固定定床床及及流流化化床床中中流流体体与与颗颗粒粒外外表表面面间间的的给给热热系系数数 和和

48、传质系数传质系数kG。第四节第四节 绝热式固定床催化反应器绝热式固定床催化反应器 图图5-21是是单单一一可可逆逆放放热热反反应应绝绝热热催催化化床床的的操操作作过过程程在在xAT图图上上的的标标绘绘。图图上上标标绘绘了了平平衡衡曲曲线线、最最佳佳温温度度曲曲线线和和绝绝热热操操作作线线AB，A点点表表示示进进口口状状态态，B点点表表示出口状态。示出口状态。一、绝热温升及绝热温降一、绝热温升及绝热温降图图5-21 绝热催化床的绝热催化床的xA-T图图 绝绝热热反反应应过过程程中中，整整个个催催化化床床与与外外界界没没有有热热量量交换，即交换，即 对上式从催化床进口到出口进行积分，可得对上式从催

49、化床进口到出口进行积分，可得 (5-49)式式(5-49)表表达达了了由由热热量量衡衡算算式式所所确确定定的的反反应应过过程程中中转转化化率率与与温温度度的的关关系系。Tb1及及Tb2，xA1及及xA2分分别别表表示示整整个个催催化化床床进进、出出口口处处的的温温度度和和反反应应组组分分A的的转转化化率率。反反应应热热 是是反反应应物物系系温温度度和和压压力力的的函函数数，等等压压摩摩尔尔热热容容CP是是反反应应混混合合物物组组成成及及温温度度的的函函数数，而而反反应应物物系系的的摩摩尔尔流流量量NT也也随随转转化化率率而而变变。因因此此，严严格格说说来来，对对式式(5-49)进进行行积积分分

50、计计算算时时，应应考考虑虑到到转转化化率率和和温温度度的的变变化化对对反反应应热热、热热容容和和反反应应物物系系摩摩尔尔流量的影响，只能用计算机运算。流量的影响，只能用计算机运算。在在工工业业计计算算中中可可以以简简化化，因因为为热热焓焓是是物物系系的的状状态态函函数数，可可以以将将绝绝热热反反应应过过程程简简化化成成：在在进进口口温温度度Tb1下下进进行行等等温温反反应应，转转化化率率由由xA1增增至至xA2，然然后后，组组成成为为的的反反应应物物系系由由进进口口温温度度Tb1升升至至出出口口温温度度Tb2。因因此此，在在式式(5-49)中中，反反应应热热 取取进进口口温温度度Tb1下下的的