[理學(xué)]第6章固定床反應(yīng)器

1、第六章第六章 固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器6 . 1 概述概述凡是流體通過固定的固體物料所凡是流體通過固定的固體物料所形成的床層而進行反應(yīng)的裝置都形成的床層而進行反應(yīng)的裝置都稱作稱作固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器。如：氣如：氣-固相催化反應(yīng)器、固相催化反應(yīng)器、氣氣-固相非催化反應(yīng)器。固相非催化反應(yīng)器。乙苯乙苯水蒸氣水蒸氣催化劑催化劑產(chǎn)品產(chǎn)品測測溫溫口口6-1乙苯脫氫的絕熱床反應(yīng)器乙苯脫氫的絕熱床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單高空速高空速很少催化劑損耗很少催化劑損耗很小氣固返混很小氣固返混較長的擴散時間及距離較長的擴散時間及距離高床層壓降高床層壓降床內(nèi)取熱供熱困難床內(nèi)取熱供熱困難催化劑取出更新困難催化劑取出更新困

2、難催化劑顆粒大，效率低催化劑顆粒大，效率低一、固定床反應(yīng)器的特點一、固定床反應(yīng)器的特點1.固定床反應(yīng)器的固定床反應(yīng)器的優(yōu)點優(yōu)點是：是：返混小，流體同催化劑可進返混小，流體同催化劑可進行有效接觸，當反應(yīng)伴有串聯(lián)副反應(yīng)時可得較高選擇性。行有效接觸，當反應(yīng)伴有串聯(lián)副反應(yīng)時可得較高選擇性。催化劑機械損耗小。催化劑機械損耗小。結(jié)構(gòu)簡單。結(jié)構(gòu)簡單。2.固定床反應(yīng)器的固定床反應(yīng)器的缺點缺點是：是：傳熱差，反應(yīng)放熱量很大時，傳熱差，反應(yīng)放熱量很大時，即使是列管式反應(yīng)器也可能出現(xiàn)飛溫（反應(yīng)溫度失去控制，即使是列管式反應(yīng)器也可能出現(xiàn)飛溫（反應(yīng)溫度失去控制，急劇上升，超過允許范圍）。急劇上升，超過允許范圍）。操作過

3、程中催化劑不能更操作過程中催化劑不能更換。換。催化劑需要頻繁再生的反應(yīng)一般不宜使用，常代之以流化催化劑需要頻繁再生的反應(yīng)一般不宜使用，常代之以流化床反應(yīng)器或移動床反應(yīng)器。床反應(yīng)器或移動床反應(yīng)器。 固定床反應(yīng)器的分類固定床反應(yīng)器的分類固定床固定床反應(yīng)器反應(yīng)器不同不同的傳的傳熱要熱要求和求和傳熱傳熱方式方式絕絕熱熱式式二段二段三段三段四段四段冷激式冷激式反應(yīng)反應(yīng)特征特征單段絕熱式單段絕熱式段間反應(yīng)段間反應(yīng)氣冷卻或氣冷卻或加熱方式加熱方式中間間接換熱式中間間接換熱式多段絕熱式多段絕熱式原料氣冷激式原料氣冷激式非原料氣冷激式非原料氣冷激式換換熱熱式式對外換熱式對外換熱式自熱式自熱式加壓熱水（加壓熱水（

4、240）導(dǎo)熱油（導(dǎo)熱油（250300 ）熔鹽（熔鹽（300 ）反應(yīng)氣的反應(yīng)氣的流動方向流動方向軸向流動固定床反應(yīng)器軸向流動固定床反應(yīng)器徑向流動固定床反應(yīng)器徑向流動固定床反應(yīng)器傳熱介質(zhì)選用原則：傳熱介質(zhì)選用原則： 保證催化劑床層與傳熱介質(zhì)之間有適宜的溫差。保證催化劑床層與傳熱介質(zhì)之間有適宜的溫差。常用傳熱介質(zhì)的溫度范圍常用傳熱介質(zhì)的溫度范圍 沸騰水沸騰水 100-300 有機液態(tài)傳熱介質(zhì)有機液態(tài)傳熱介質(zhì) 200-350 熔鹽熔鹽 300-400 煙道氣煙道氣 600-700 絕熱式固定床反應(yīng)器和換熱式固定床反應(yīng)器的區(qū)別在與其絕熱式固定床反應(yīng)器和換熱式固定床反應(yīng)器的區(qū)別在與其與外界交換的熱能與外界

5、交換的熱能Q是否等于零。是否等于零。 ?0Q反應(yīng)器按催化劑床是否與外界進行熱量交換分為：絕熱反應(yīng)器按催化劑床是否與外界進行熱量交換分為：絕熱反應(yīng)器與換熱式反應(yīng)器反應(yīng)器與換熱式反應(yīng)器 單段絕熱式單段絕熱式 特點：反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，特點：反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)能力大。生產(chǎn)能力大。缺點：反應(yīng)過程中溫度缺點：反應(yīng)過程中溫度變化較大。變化較大。一、絕熱式一、絕熱式6-2甲醇氧化制甲醛的反應(yīng)器適合熱效應(yīng)不大、反應(yīng)適合熱效應(yīng)不大、反應(yīng)對溫度的要求較寬的反對溫度的要求較寬的反應(yīng)應(yīng)多段絕熱床多段絕熱床根據(jù)段間反應(yīng)氣體的冷卻或加熱方式，多段絕熱床又分根據(jù)段間反應(yīng)氣體的冷卻或加熱方式，多段絕熱床又分為中間間接換熱式和冷

6、激式。為中間間接換熱式和冷激式。特點特點：催化劑床層的溫度波動小。：催化劑床層的溫度波動小。缺點缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，催化劑裝卸較困難。：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，催化劑裝卸較困難。間接換熱間接換熱 原料冷激原料冷激 非原料冷激非原料冷激多段固定床絕熱反應(yīng)器多段固定床絕熱反應(yīng)器原料原料原料原料冷冷激激劑劑原料原料產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品冷激式冷激式 特點：反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，便于裝卸催化劑，催化劑床層的特點：反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，便于裝卸催化劑，催化劑床層的溫度波動小。溫度波動小。缺點：操作要求較高缺點：操作要求較高應(yīng)用：適用于放熱反應(yīng)，能做成大型催化反應(yīng)器應(yīng)用：適用于放熱反應(yīng)，能做成大型催化反應(yīng)器 二、換熱式二、換熱式

7、按換熱介質(zhì)不同，可分為對外換熱式固定床反應(yīng)器和自熱按換熱介質(zhì)不同，可分為對外換熱式固定床反應(yīng)器和自熱式固定床反應(yīng)器。式固定床反應(yīng)器。 對外換熱式固定床反應(yīng)器對外換熱式固定床反應(yīng)器 列管式固定床反應(yīng)器列管式固定床反應(yīng)器:通常是在管內(nèi)放催化劑，管間走熱載通常是在管內(nèi)放催化劑，管間走熱載體體對外換熱式反應(yīng)器對外換熱式反應(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制循環(huán)換熱，水溫靠調(diào)節(jié)閥控制壓力來調(diào)節(jié)。氣體自上而下流過床層氣體自上而下流過床層催化劑床層內(nèi)的流動是通過顆粒催化劑床層內(nèi)的流動是通過顆粒之間的空隙進行的，易達到湍流，之間的空隙進行的，易達到湍流，但與圓管內(nèi)的流動

8、狀況不完全相但與圓管內(nèi)的流動狀況不完全相同同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逆流逆流并流并流反應(yīng)器溫升快，且下降也快反應(yīng)器溫升快，且下降也快相反相反熱點靠近反應(yīng)器進口熱點靠近反應(yīng)器進口熱點靠近反應(yīng)器出口熱點靠近反應(yīng)器出口反應(yīng)后期易過冷反應(yīng)后期易過冷前期升溫較慢，后期易過熱前期升溫較慢，后期易過熱可逆放熱反應(yīng)可逆放熱反應(yīng)不可逆放熱反應(yīng)不可逆放熱反應(yīng)催化劑的粒徑取值催化劑的粒徑取值催化劑的粒徑催化劑的粒徑 25 -30mm催化劑的粒徑催化劑的粒徑管徑管徑1/8粒徑粒徑阻力阻力 ，粒徑，粒徑 當當1時，反應(yīng)過程為動力學(xué)控制，當時，反應(yīng)過程為動力學(xué)控制，當1時，反應(yīng)過程時，反應(yīng)

9、過程為內(nèi)擴散控制。為內(nèi)擴散控制。內(nèi)擴散不僅影響反應(yīng)速率，而且影響復(fù)合反應(yīng)的內(nèi)擴散不僅影響反應(yīng)速率，而且影響復(fù)合反應(yīng)的選擇性選擇性。工業(yè)上減少內(nèi)擴散影響的辦法：選用工業(yè)上適宜的催化劑工業(yè)上減少內(nèi)擴散影響的辦法：選用工業(yè)上適宜的催化劑顆粒尺寸；必須采用細顆粒時，可以考慮改用顆粒尺寸；必須采用細顆粒時，可以考慮改用徑向反應(yīng)器徑向反應(yīng)器 其他型式固定床反應(yīng)器其他型式固定床反應(yīng)器 氣固相固定床催化反應(yīng)器除以上幾種主要型式外，近年來氣固相固定床催化反應(yīng)器除以上幾種主要型式外，近年來又發(fā)展了又發(fā)展了徑向反應(yīng)器徑向反應(yīng)器。按照反應(yīng)氣體在催化床中的流動方。按照反應(yīng)氣體在催化床中的流動方向，固定床反應(yīng)器可分為軸向

10、流動與徑向流動。軸向流動向，固定床反應(yīng)器可分為軸向流動與徑向流動。軸向流動反應(yīng)器中氣體流向與反應(yīng)器的軸平行，而徑向流動催化床反應(yīng)器中氣體流向與反應(yīng)器的軸平行，而徑向流動催化床中氣體在垂直于反應(yīng)器軸的各個橫截面上沿半徑方向流動中氣體在垂直于反應(yīng)器軸的各個橫截面上沿半徑方向流動 徑向流動催化床的氣體流道短，流速低，可大幅度地降低徑向流動催化床的氣體流道短，流速低，可大幅度地降低催化床壓降，為使用小顆粒催化劑提供了條件。徑向流動催化床壓降，為使用小顆粒催化劑提供了條件。徑向流動反應(yīng)器的設(shè)計關(guān)鍵是合理設(shè)計流道使各個橫截面上的氣體反應(yīng)器的設(shè)計關(guān)鍵是合理設(shè)計流道使各個橫截面上的氣體流量均等，對分布流道的制

11、造要求較高，且要求催化劑有流量均等，對分布流道的制造要求較高，且要求催化劑有較高的機械強度，以免催化劑破損而堵塞分布小孔，破壞較高的機械強度，以免催化劑破損而堵塞分布小孔，破壞流體的均勻分布。流體的均勻分布。 徑向流動反應(yīng)器徑向流動反應(yīng)器中氣體在垂直中氣體在垂直于反應(yīng)器軸的各個橫截面上沿于反應(yīng)器軸的各個橫截面上沿半徑方向流動徑向流動催化床半徑方向流動徑向流動催化床的氣體流道短，流速低，可大的氣體流道短，流速低，可大幅度地降低催化床壓降，為使幅度地降低催化床壓降，為使用小顆粒催化劑提供了條件。用小顆粒催化劑提供了條件。 徑向反應(yīng)塔示意圖徑向反應(yīng)塔示意圖拉西環(huán)拉西環(huán)金屬環(huán)矩鞍金屬環(huán)矩鞍6 . 2

12、固定床中的傳遞過程固定床中的傳遞過程6.2.1 粒子直徑和床層空隙率粒子直徑和床層空隙率定型尺寸：最能代表顆粒性質(zhì)的尺寸為顆粒的當量直徑。定型尺寸：最能代表顆粒性質(zhì)的尺寸為顆粒的當量直徑。對于非球形顆粒，可將其折合成球形顆粒，以當量直徑表對于非球形顆粒，可將其折合成球形顆粒，以當量直徑表示。主要有三種表示：體積相當直徑、外表面積相當直徑示。主要有三種表示：體積相當直徑、外表面積相當直徑和比表面積相當直徑。和比表面積相當直徑。一、顆粒直徑的表示方法一、顆粒直徑的表示方法 1、表示方法、表示方法體積相當直徑體積相當直徑面積相當直徑面積相當直徑比表面相當直徑比表面相當直徑3/1)/6(PVVd 2/

13、1)/(Paad PPVSaVSd/6/6式中：式中：SV=ap/Vp， 顆粒的比表面積顆粒的比表面積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非中空顆粒等體積的圓球體積注意：三種方法的計算結(jié)果不同注意：三種方法的計算結(jié)果不同2、不同當量粒徑的關(guān)系、不同當量粒徑的關(guān)系PPSVSaVdd/62)/(aVSdd顆粒的形狀系數(shù)顆粒的形狀系數(shù)球體的形狀系數(shù)球體的形狀系數(shù)1，非，非球體的形狀系數(shù)球體的形狀系數(shù)1pSSaa /1S顆粒的顆粒的形狀系數(shù)形狀系數(shù)（球形系數(shù)）：（球形系數(shù)）：s等體積球形粒子的外表面積與非球顆粒的外表積之比。等體

14、積球形粒子的外表面積與非球顆粒的外表積之比。對于大小不等的混合粒子，其平均直徑可用篩分分析數(shù)據(jù)對于大小不等的混合粒子，其平均直徑可用篩分分析數(shù)據(jù)按下式求出：按下式求出：3、混合顆粒的平均直徑、混合顆粒的平均直徑n1iiiddx/1d大小不等且形狀也各異的混合顆粒，其形狀系數(shù)由待大小不等且形狀也各異的混合顆粒，其形狀系數(shù)由待測顆粒所組成的固定床壓力降來計算。同一批混合顆測顆粒所組成的固定床壓力降來計算。同一批混合顆粒，平均直徑的計算方法不同，計算出來的形狀系數(shù)粒，平均直徑的計算方法不同，計算出來的形狀系數(shù)也不同。也不同。非球形顆粒的形狀系數(shù)非球形顆粒的形狀系數(shù)物料物料形狀形狀s物料物料形狀形狀s

15、鞍形填料鞍形填料0.3砂砂0.75拉西環(huán)拉西環(huán)0.3各種形狀平均各種形狀平均尖狀尖狀0.65煙道塵煙道塵球狀球狀0.89硬砂硬砂尖片狀尖片狀0.43聚集態(tài)聚集態(tài)0.55砂砂圓形圓形0.83天然煤灰天然煤灰 大至大至 10mm0.65砂砂有角狀有角狀0.73破碎煤粉破碎煤粉0.75碎玻璃屑碎玻璃屑尖角狀尖角狀0.65二、床層空隙率二、床層空隙率床層床層空隙率：空隙率：粒子間的空隙所占床層容積的分率粒子間的空隙所占床層容積的分率式中式中Bp 床層堆積密度；床層堆積密度； 顆粒視密度。顆粒視密度。PBBPB1VV11床層層體顆粒體積床層體積空隙體積注意：顆粒視密度與真密度之注意：顆粒視密度與真密度之

16、間的區(qū)別。間的區(qū)別。顆粒視密度顆粒視密度又稱顆粒密度。即單個顆粒的密度。若單個催又稱顆粒密度。即單個顆粒的密度。若單個催化劑顆粒質(zhì)量為化劑顆粒質(zhì)量為m，顆粒體積為，顆粒體積為V粒粒，則視密度，則視密度p=m/V粒粒 床層堆積密度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)量為積與顆粒之間空隙的總和。若催化劑質(zhì)量為m，堆體積為，堆體積為VB，則堆密度，則堆密度B=m/VB。同一種顆粒，其真密度不變，但。同一種顆粒，其真密度不變，但當床層的空隙率不同時，顆粒床層的堆密度不同。當床層的空隙率不同時，

17、顆粒床層的堆密度不同。固定床的空隙率是顆粒物料層中顆粒間自由體積與整個固定床的空隙率是顆粒物料層中顆粒間自由體積與整個床層體積之比，它是固定床的重要特性之一?？障堵蕦Υ矊芋w積之比，它是固定床的重要特性之一?？障堵蕦α黧w通過床層的壓力降、床層的傳熱都有重大的影響。流體通過床層的壓力降、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。一般工程上認率也不相同，近壁處較大，中心處較小。一般工程上認為

18、當床層直徑與顆粒直徑之比達為當床層直徑與顆粒直徑之比達 8 時，可不計時，可不計壁效應(yīng)壁效應(yīng)。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，器壁處的流動狀況、傳質(zhì)、傳熱狀況與主流體中也有很大差別。當采用實驗規(guī)模的小型設(shè)備研究傳質(zhì)、傳熱、反應(yīng)的規(guī)律時，器壁的影響遠比大型設(shè)備為大。 6-9填充床的空隙率填充床的空隙率床層空隙率床層空隙率B光滑均一光滑均一光滑非均一光滑非均一粘土粘土球形球形圓柱形圓柱形不規(guī)則不規(guī)則光滑均一光滑均一剛玉均一尺寸剛玉均一尺寸1 / 4 英寸陶質(zhì)拉西環(huán)英寸陶質(zhì)拉西環(huán)熔融剛玉熔融磁鐵鋁砂三、固定床的當量直徑三、固定床的當量直徑1、床層比表面、床層比表面SBpp

19、BppppBppedVaaVanS/ )1 (6)1 ()1 (式中，式中，np 單位體積床層中顆粒的個數(shù)。單位體積床層中顆粒的個數(shù)。 B床層空隙率床層空隙率 Vp 非中空顆粒等體積的圓球體積非中空顆粒等體積的圓球體積VSBBSBBeBHeddSRd132132442、床層當量直徑、床層當量直徑式中，式中，RH 水力半徑。水力半徑。床層的空隙體積床層的空隙體積總的潤濕面積總的潤濕面積HR有效截面積有效截面積潤濕周邊潤濕周邊eBS根據(jù)水力半徑的定義有：根據(jù)水力半徑的定義有：3、固定床的徑向流速分布、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盡管在近壁處空隙率較大，但壁摩

20、擦阻力使流速將低到接近接近0。一般工程上認為當床層直徑與顆粒直徑之比。一般工程上認為當床層直徑與顆粒直徑之比dt / ds=8 時，可不計壁效應(yīng)。時，可不計壁效應(yīng)。按混合顆粒的平均直徑計算離壁距離按混合顆粒的平均直徑計算離壁距離床層空隙率床層空隙率B010.80.40.51 1.5 2 2.5 2 3.5 4 4.5 5距壁距壁4個顆粒直徑處，床層空隙率和流個顆粒直徑處，床層空隙率和流速分布趨平坦，因此一般工程上認為當速分布趨平坦，因此一般工程上認為當床層直徑與顆粒直徑床層直徑與顆粒直徑 之比值達之比值達 8 時可時可不計壁效應(yīng)。不計壁效應(yīng)。空管內(nèi)層流空管內(nèi)層流空管內(nèi)空管內(nèi)湍流湍流填充層內(nèi)液體

21、填充層內(nèi)液體流動流動填充層內(nèi)填充層內(nèi)氣體流動氣體流動10275. 1R1501LdupemB3BS2m6.2.2 床層壓降床層壓降床層壓降床層壓降是固定床反應(yīng)器設(shè)計的重要參數(shù)，要求床層壓是固定床反應(yīng)器設(shè)計的重要參數(shù)，要求床層壓降不超過床內(nèi)壓力的降不超過床內(nèi)壓力的15%。氣體流動通過催化劑床層的壓力降厄根氣體流動通過催化劑床層的壓力降厄根(Ergun)方程計算式：方程計算式：75. 1R150fem摩擦系數(shù)摩擦系數(shù))1(udRBmSem修正雷諾數(shù)：修正雷諾數(shù)：um 平均流速平均流速(空床氣速空床氣速)；L 床層高度；床層高度；、 流體的密度和粘度流體的密度和粘度；ds 比表面當量直徑。比表面當量

22、直徑。75. 1R1501LdupemB3BS2mRem1000，湍流，上式中右邊第一項可忽略。，湍流，上式中右邊第一項可忽略。3Bn3spn3B2md)1(LGf2p式中：式中：dp 體積相當直徑；體積相當直徑； 質(zhì)量流速。質(zhì)量流速。 fm和和n可由圖可由圖6-11查取。查取。muG常用的常用的p計算公式：計算公式：圖圖6-11 固定床的摩擦系數(shù)固定床的摩擦系數(shù)VBBeeeSdudfdldpudlfp)1 (4421222潤濕周邊流通截面積推導(dǎo)推導(dǎo)在化工原理中：在化工原理中：de：當量床層直徑dp/dl：床層高向的壓強變化 ：流體密度u：實際流速，通常以空塔氣速um=u/B表示VSBBSBB

23、eBHeddSRd13213244sBBsBBeBHeVseBHddSRdSdSR)1 (32)1 (6444/6而比表面當量直徑：總的潤濕面積床層空隙體積潤濕周邊有效截面積水力半徑：床層比表面積：SBed/ )1(6SVSsdd修正雷諾準數(shù)其中：中得、將eMeMBBsmBmsBBemeRRfffdufudfdldpudfdldpud)(4312)/(2)1 (3213222代入式75. 115032)1 (32emememBmseeRfRfRududR：的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式與 s2m3BBems2m3BBemdu175. 1R150LP du175. 1R150dldp Ergun解為床層填充均勻，

24、則方程對較小，溫度變化不大，壓降相如果流體通過床層時的方程得：影響固定床壓力降的因素影響固定床壓力降的因素流體流體流體的密度流體的密度流體的粘度流體的粘度流體的質(zhì)量流率流體的質(zhì)量流率床層床層床層的高度床層的高度床層的空隙率床層的空隙率流通截面積流通截面積顆粒顆粒顆粒的形狀顆粒的形狀顆粒的粒度顆粒的粒度顆粒的表面粗糙度顆粒的表面粗糙度顆粒的物理特性顆粒的物理特性75.1R1501LdupemB3BS2m床層直徑與顆粒直徑之比床層直徑與顆粒直徑之比 dt / ds0.2）Wmtt：床層平均溫度：床層平均溫度;：器壁溫度：器壁溫度;eprettptpeRPdLdddGcLy)/)(/)(/(442b

25、 無量綱數(shù)/)/)(/)(2/1 ()2/(epWtpetWdhdddhb)b(;a21均為無量綱的b的函數(shù)40/GdphW 壁面處對流給熱系數(shù)；壁面處對流給熱系數(shù)；4 . 08 . 03/13/1094. 058. 2pppppWcGdcGddh適用范圍：適用范圍：由圖由圖6-16查得。查得。)(,21ba圖圖 6-16求求h0 例如：當例如：當b12.98時，時，分別對應(yīng)分別對應(yīng)5.02和和0.25)(,21ba)(,21bab6.2.4 固定床中的傳質(zhì)與混合固定床中的傳質(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

26、在差異。在滯流層內(nèi)有濃度差，必然劑顆粒表面濃度存在差異。在滯流層內(nèi)有濃度差，必然存在擴散。存在擴散。3ASAG1g1AASAGgAcmmolA:,scm:smolA:dddd濃度氣相主體和催化劑表面氣相傳質(zhì)系數(shù)物質(zhì)的摩爾數(shù)單位時間內(nèi)傳遞ccktnccaktn一、顆粒與流體間的傳質(zhì)系數(shù)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9 . 0,91. 0, 1:cm:2其它形狀圓柱球形顆粒表面利用系數(shù)催化劑外表面積a整個傳質(zhì)方程的核心，總包了各種條件對傳質(zhì)的影響。由實驗關(guān)聯(lián)式計算。關(guān)聯(lián)式之一：32ggDScGkJ傳質(zhì)因子：傳質(zhì)因子：JD實驗關(guān)聯(lián)式：實驗關(guān)聯(lián)式：DGScG

27、kJgg32ggD：氣相密度：氣相密度 ;：氣體質(zhì)量流率：氣體質(zhì)量流率 ;：氣相粘度：氣相粘度 ;：氣相分子擴散系數(shù)：氣相分子擴散系數(shù) ;JD是雷諾數(shù)的函數(shù)是雷諾數(shù)的函數(shù)3mkg12smkgsPa12sm41.0mDme51.0mDmeRe19.1J6000R300Re10.2J300R3.0)1(ugdRBgmgSemum ：平均流速：平均流速(空床氣速空床氣速)；g、g：氣體的密度和粘度；：氣體的密度和粘度；ds ： 比表面當量直徑。比表面當量直徑。當修正雷諾數(shù)在：當修正雷諾數(shù)在：DScggSc為施密特準數(shù)為施密特準數(shù)比表面當量直徑：單顆催化劑的外表面積折合成直徑為比表面當量直徑：單顆催化

28、劑的外表面積折合成直徑為dS的球形顆粒應(yīng)有的外表面積。的球形顆粒應(yīng)有的外表面積。傳質(zhì)對反應(yīng)的影響傳質(zhì)對反應(yīng)的影響Damkohler:DaDaddASASgSASAGSSAASAGgAcfcfakkVccckfVVrccaktnAS達姆科勒數(shù) Da為反應(yīng)速率與擴散速率的比值，反映了體系中外擴散為反應(yīng)速率與擴散速率的比值，反映了體系中外擴散的影響程度。數(shù)值越大，或反應(yīng)速率越快，外擴散的影的影響程度。數(shù)值越大，或反應(yīng)速率越快，外擴散的影響就越大。響就越大。對一級反應(yīng)對一級反應(yīng)AGASASASAGASASDa11DacccccccfDa21Da41DaAGAGSgAGASAAGASAGAS2ASASA

29、G2ASASccVakckfckfrcccccccccf學(xué)方程：有擴散影響的宏觀動力可以推廣到N級。，即：對二級反應(yīng)：特殊情況：特殊情況：反應(yīng)速率常數(shù)反應(yīng)速率常數(shù)k比傳質(zhì)系數(shù)比傳質(zhì)系數(shù)kg大得多，則顆粒外表面處大得多，則顆粒外表面處A的濃度為零，屬外擴散控制。的濃度為零，屬外擴散控制。反應(yīng)速率常數(shù)反應(yīng)速率常數(shù)k比傳質(zhì)系數(shù)比傳質(zhì)系數(shù)kg小得多，則顆粒外表面處小得多，則顆粒外表面處A的濃度與氣相主體濃度相等，屬內(nèi)擴散或動力學(xué)控制，的濃度與氣相主體濃度相等，屬內(nèi)擴散或動力學(xué)控制，外擴散可不予考慮。外擴散可不予考慮。AGSgAcdk6rAGAckfr32H)(JrppPGch傳熱因子傳熱因子32ggD

30、ScGkJ傳質(zhì)因子傳質(zhì)因子是雷諾數(shù)的函數(shù)：J流體導(dǎo)熱系數(shù):流體恒壓熱容:流體粘度:P普蘭特準數(shù),:P氣體質(zhì)量流率:式中：Hrr1111PP12KmWKkgJsPasmkgccuGGmDGgg：氣相密度 ：氣體質(zhì)量流率 ：氣相粘度 ：氣相分子擴散系數(shù) JD是雷諾數(shù)的函數(shù)3mkg12smkgsPa12smDScgg施密特準數(shù)由傳質(zhì)和傳熱的類比原理有由傳質(zhì)和傳熱的類比原理有上式在缺少數(shù)據(jù)時用來推算數(shù)據(jù)十分有用上式在缺少數(shù)據(jù)時用來推算數(shù)據(jù)十分有用.無論是傳質(zhì)或是傳熱系數(shù)無論是傳質(zhì)或是傳熱系數(shù), 增加質(zhì)量速率增加質(zhì)量速率G都可以加快都可以加快流體和催化劑外表面間的傳遞速率流體和催化劑外表面間的傳遞速率,

31、 但相應(yīng)的床層壓降但相應(yīng)的床層壓降也增加也增加.外擴散速率外擴散速率,內(nèi)擴散速率內(nèi)擴散速率,表面反應(yīng)速率的相對大小是決表面反應(yīng)速率的相對大小是決定反應(yīng)控制步驟的關(guān)鍵定反應(yīng)控制步驟的關(guān)鍵.HDJJ12. 6外擴散過程對表面溫度的影響外擴散過程對表面溫度的影響HVTTahrTTahHVrHVrtQSGSpAGSpSASAdd由傳質(zhì)計算可得：由傳質(zhì)計算可得：ASAGSgAccVakrASAGpgGSccHhkTT兩式相等可得：兩式相等可得：SASAGgSGSpVCCakHVTTah上式將流固相的溫度差與濃度差聯(lián)系起來了。上式將流固相的溫度差與濃度差聯(lián)系起來了。進一步簡化，前面有：進一步簡化，前面有：

32、0.41meHme0.51meHme0.41meDme0.51meDme1.28RJ6000R3002.26RJ300R0.061.19RJ6000R3002.10RJ300R0.3極為相似。極為相似。JHJD相除相除076. 1ckhScPrGkGchJJ1.0761.191.28JJ6000Re3001.0762.102.26JJ300Re0.06Pggp32ggPpDHDHmDHm1ScPr32ASAGPgGSccHc93. 0TTPgpgc93. 0hk據(jù)實驗得：據(jù)實驗得：例：苯加氫反應(yīng)器在例：苯加氫反應(yīng)器在1013.3kPa下操作，氣體質(zhì)量速度下操作，氣體質(zhì)量速度G=3000 kg.

33、m-2h-1，催化劑為，催化劑為89mm圓柱體，顆粒密圓柱體，顆粒密度度P=0.9g.cm-3，床層堆積密度，床層堆積密度B=0.6 g.cm-3，在反應(yīng)器某，在反應(yīng)器某處氣體溫度為處氣體溫度為220，氣體組成為，氣體組成為10苯，苯，80氫，氫，5環(huán)環(huán)己烷和己烷和5甲烷甲烷(體積分率體積分率)，測得該處宏觀反應(yīng)速率，測得該處宏觀反應(yīng)速率(-rA)=0.015mol.h-1g-1(cat) 。估算該處催化劑的外表面濃度。估算該處催化劑的外表面濃度。已知：氣體粘度已知：氣體粘度=1.410-4 g.cm-1s-1，綜合擴散系數(shù)，綜合擴散系數(shù)D=0.267cm2s-1。解：解：（1）計算催化劑的粒

34、徑）計算催化劑的粒徑dS。cm8308. 0267. 34524. 066cm4524. 09 . 08 . 044cm267. 38 . 09 . 08 . 0242SSS322S222SVdLdVLdda（2）計算床層中氣體的修正雷諾數(shù)。）計算床層中氣體的修正雷諾數(shù)。7 .814333. 0110000360091. 0104 . 1100030008308. 01GdR333. 09 . 06 . 0114BgSmePBB（3）計算）計算JD和和kg值。值。132343332gggDg33mgiim41. 041. 0mDcm.s397. 6267. 01056. 3104 . 1105

35、6. 31030000762. 0DGJkg.cm1056. 322027383144 .143 .1013RTpM4 .141605. 08405. 028 . 0781 . 0MxM0762. 07 .81419. 1Re19. 1J（4）計算）計算cAG和和cAS32525AGAS3538gSPAASAG32AAGmkmol10463. 21092. 810472. 21092. 8mkmol1092. 8cmmol1092. 891. 0267. 3397. 64524. 09 . 03600015. 0mkmol10472. 2220273314. 81 . 03 .1013ccak

36、VrccRTpc習(xí)題：試計算例題中催化劑的外表面處溫度。習(xí)題：試計算例題中催化劑的外表面處溫度。已知反應(yīng)熱為已知反應(yīng)熱為(-H)=2.135105Jmol-1，氣體的定壓比熱，氣體的定壓比熱容容cP=49Jmol-1K-1。小結(jié)：小結(jié)：顆粒與流體間的傳（給）熱系數(shù)顆粒與流體間的傳（給）熱系數(shù)hp傳熱因子傳熱因子JH流體與顆粒間傳熱溫差的計算流體與顆粒間傳熱溫差的計算固定床的有效熱導(dǎo)率固定床的有效熱導(dǎo)率床層與器壁間的給熱系數(shù)床層與器壁間的給熱系數(shù) h0傳質(zhì)因子傳質(zhì)因子JD6.3 擬均相一維模型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、概述，目前描述固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型可分

37、為擬均相、非均相兩大類。非均相兩大類。 一、擬均相模型一、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。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）一維擬均相模型只考慮沿氣體流動方向的溫度和濃度變化。根據(jù)流動形式只考慮沿氣體流動方向的溫度和濃度變化。根據(jù)流動形式還可分為平推流一維模型和軸向分散一維模型。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）二維擬均相模型 同時考慮軸向和徑向的溫度和濃度分布。同時考慮軸向和徑向的溫度和濃度分布。 二、非均相模型二、

38、非均相模型非均相非均相反應(yīng)屬于擴散和化學(xué)動力學(xué)共同控制時，則反應(yīng)屬于擴散和化學(xué)動力學(xué)共同控制時，則催化劑顆粒表面、內(nèi)部、外部濃度不均一，傳遞阻力催化劑顆粒表面、內(nèi)部、外部濃度不均一，傳遞阻力或傳遞與動力學(xué)阻力不可忽略，應(yīng)計及催化劑的存在或傳遞與動力學(xué)阻力不可忽略，應(yīng)計及催化劑的存在和計算宏觀反應(yīng)速率，稱為和計算宏觀反應(yīng)速率，稱為“非均相非均相”模型。模型。簡言之即考慮顆粒與流體之間的溫度差和濃度差。簡言之即考慮顆粒與流體之間的溫度差和濃度差。一般來說，模型考慮得越全面，對過程模擬越精確，一般來說，模型考慮得越全面，對過程模擬越精確，但計算工作量也越大，甚至無法求解。因此，在工程但計算工作量也越

39、大，甚至無法求解。因此，在工程計算允許的誤差范圍內(nèi)應(yīng)盡可能選用簡單模型。計算允許的誤差范圍內(nèi)應(yīng)盡可能選用簡單模型。6.3.1 等溫反應(yīng)器的計算等溫反應(yīng)器的計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)計方法與平推流相似。濃度有關(guān)。按一維擬均相處理，設(shè)計方法與平推流相似。對右圖固定床反應(yīng)器取一微元段進對右圖固定床反應(yīng)器取一微元段進行物料衡算（行物料衡算（以以cat的質(zhì)量定義的質(zhì)量定義）0A0AxFdlTTAAdFF AF質(zhì)量衡算質(zhì)量衡算在管式反應(yīng)器中垂直于流動方向取一個微元，以這個在管式反應(yīng)器中垂直于流動方向

40、取一個微元，以這個微元對微元對A組份組份做物料衡算：做物料衡算：輸入輸入 輸出輸出= 反應(yīng)反應(yīng) 積累積累FA FA+dFA (-rA)(1-B)Aidl 0以催化劑顆粒體積計量以催化劑顆粒體積計量AAAdxFdWr0)(若以催化劑質(zhì)量計量：若以催化劑質(zhì)量計量：A0AxxAAW00A0A)r(dxFWFdW設(shè)計方程設(shè)計方程床層高度床層高度0AAccAABL0rdcudlL注意：一般來說，固定床反應(yīng)器換熱比較困難，很難做注意：一般來說，固定床反應(yīng)器換熱比較困難，很難做到等溫操作，僅用于對反應(yīng)器進行估算罷了。到等溫操作，僅用于對反應(yīng)器進行估算罷了。以催化劑顆粒體積計量：以催化劑顆粒體積計量：A00B

41、AAcu1rl dxdAx0BAA0AL00A00BAA0A0BAArxdcul dcul drxdcurl dxd對照平推流反應(yīng)器性能方程對照平推流反應(yīng)器性能方程二者相同二者相同Ax0BAA0AL00rxdcul dAx0AA0A0RrxdcVV6.3.2 單層絕熱式固定床反應(yīng)器單層絕熱式固定床反應(yīng)器定常態(tài)操作時，與流動方向垂直的截面上溫度、濃度均勻一定常態(tài)操作時，與流動方向垂直的截面上溫度、濃度均勻一致，且不隨時間變化。體系的溫度和濃度僅隨流動方向的空致，且不隨時間變化。體系的溫度和濃度僅隨流動方向的空間位置變化。間位置變化。取反應(yīng)器內(nèi)一微元段進行物料衡算和熱量衡算得：取反應(yīng)器內(nèi)一微元段進

42、行物料衡算和熱量衡算得：AABtAAdxFdldrdWr024)()()H(dxFdW)r)(H(dTcFdTcFAA0AAApipii0A0AxFdlTAAdFF AFtd上述兩式分別積分并整理得：上述兩式分別積分并整理得：)()()(0000AAAAPAAxxxxcHyTTA0AxxAA0A)r(dxFW設(shè)計方程設(shè)計方程操作方程操作方程設(shè)計方程和操作方程聯(lián)立求解，可求得設(shè)計方程和操作方程聯(lián)立求解，可求得W。但當動力學(xué)。但當動力學(xué)方程比較復(fù)雜時，難以得到解析解。一般采用數(shù)值積分方程比較復(fù)雜時，難以得到解析解。一般采用數(shù)值積分或圖解法計算。或圖解法計算。圖解法步驟圖解法步驟（1）由設(shè)計方程在）

43、由設(shè)計方程在 xAT 圖中作絕熱操作線；圖中作絕熱操作線；（2）在絕熱操作線上讀出若干組（）在絕熱操作線上讀出若干組（ xAi，Ti ）數(shù)據(jù)；）數(shù)據(jù)；（3）由（）由（ xAi，Ti ）數(shù)據(jù)計算（）數(shù)據(jù)計算（-rAi）和）和1/（-rAi）；）；（4）作）作1/（-rA） xA曲線。該曲線下方介于曲線。該曲線下方介于0 xAf之間的面積大小即之間的面積大小即 為為W/FA0。（5）床層高度）床層高度BSWLTT0 xA斜率斜率=1/絕熱操作線絕熱操作線xAiTiAr1W/FA0 xA6.3.3 多層絕熱式固定床反應(yīng)器的計算和優(yōu)化多層絕熱式固定床反應(yīng)器的計算和優(yōu)化固定床反應(yīng)器的缺點之一是換熱困難。

44、對反應(yīng)熱較大的反固定床反應(yīng)器的缺點之一是換熱困難。對反應(yīng)熱較大的反應(yīng)，在絕熱條件下反應(yīng)時，為了控制床層溫度在合適范圍應(yīng)，在絕熱條件下反應(yīng)時，為了控制床層溫度在合適范圍之內(nèi)，可采用多段床層，段間換熱的方法。之內(nèi)，可采用多段床層，段間換熱的方法。設(shè)可逆放熱反應(yīng)在二段絕熱固定床中反應(yīng)，流程如下：設(shè)可逆放熱反應(yīng)在二段絕熱固定床中反應(yīng)，流程如下：212,TxA100,TxA111,TxA201,TxAAx T 10TeT mT 2Ax1Ax11T21T一、多段絕熱固定床反應(yīng)器計算一、多段絕熱固定床反應(yīng)器計算采用逐段計算，每段的計算與單段絕熱固定床反應(yīng)器相采用逐段計算，每段的計算與單段絕熱固定床反應(yīng)器相同

45、。同。設(shè)段與段之間采用間接換熱，下一段入口的轉(zhuǎn)化率與上設(shè)段與段之間采用間接換熱，下一段入口的轉(zhuǎn)化率與上一段出口相同，但溫度不同。一段出口相同，但溫度不同。催化劑總量為各段催化劑量之和：催化劑總量為各段催化劑量之和：（A）Ai1-AixxiAAi0Ar-dxZFWZ式中式中 二、多段絕熱固定床反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計二、多段絕熱固定床反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計逐段計算時，每段床層出口轉(zhuǎn)化率需要給定。在其他條件相同，逐段計算時，每段床層出口轉(zhuǎn)化率需要給定。在其他條件相同，出口轉(zhuǎn)化率給定不同時，式（出口轉(zhuǎn)化率給定不同時，式（A）求得的催化劑總量不等。如）求得的催化劑總量不等。如何合理分配各段的反應(yīng)量，使催化劑總用量最少，

46、這就是多段何合理分配各段的反應(yīng)量，使催化劑總用量最少，這就是多段絕熱固定床反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計要解決的問題。絕熱固定床反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計要解決的問題。nA1AiA0i0iAcxxTREexpkr式（式（A）對）對xAi求導(dǎo)，并令求導(dǎo)，并令，即，即0rdxxrdxx.rdxx.rdxxrdxxrdxx2Ai1Ai1AiAi2A1AAi1Ai1A0AAi1Aixx2iAixx1iAixxxxiAi2Aixx1AixxiAi0 xZAi式中，不含式中，不含xi項的偏導(dǎo)數(shù)均為項的偏導(dǎo)數(shù)均為0，則上式可化簡為，則上式可化簡為求導(dǎo)得優(yōu)化條件之一求導(dǎo)得優(yōu)化條件之一（B）即：應(yīng)使下段入口處反應(yīng)速率與上段出口處反應(yīng)速率相

47、等。即：應(yīng)使下段入口處反應(yīng)速率與上段出口處反應(yīng)速率相等。0rdxrdxxrdxxrdxxxZAiAi1A1Ai1AiAiAi1Aix1x1ixxiAixx1iAixxiAiAiAiAix1ixir1r1式（式（A）對）對Ti求導(dǎo)，并令求導(dǎo)，并令0iTZ同理可得出同理可得出在在 與與 之間，必有使之間，必有使 的一點存在。由的一點存在。由此可得優(yōu)化設(shè)計條件之二：此可得優(yōu)化設(shè)計條件之二：各段入口操作點應(yīng)位于各段入口操作點應(yīng)位于 線的低溫側(cè)，出口操作點應(yīng)位于其線的低溫側(cè)，出口操作點應(yīng)位于其高溫側(cè)。高溫側(cè)。01iirT1ixixmT床層出口狀態(tài)的確定床層出口狀態(tài)的確定 作作 xA曲線和曲線和 =0 的

48、水平線；的水平線； 求交點求交點xopt和和xi-1之間曲線和直線包圍的面積；之間曲線和直線包圍的面積； 在在xopt右側(cè)確定一點右側(cè)確定一點xi，使其與，使其與xopt之間包圍面積與左側(cè)相等。之間包圍面積與左側(cè)相等。圖解法優(yōu)化設(shè)計步驟圖解法優(yōu)化設(shè)計步驟步驟如右圖所示。步驟如右圖所示。注意：注意：（1）轉(zhuǎn)化率和段數(shù)應(yīng)同時滿）轉(zhuǎn)化率和段數(shù)應(yīng)同時滿足規(guī)定。如不符，需調(diào)整出足規(guī)定。如不符，需調(diào)整出口狀態(tài)點，直至滿足要求。口狀態(tài)點，直至滿足要求。（2）以上計算均以本征動力學(xué)方程或反應(yīng)速率線圖為依據(jù)的，如使用）以上計算均以本征動力學(xué)方程或反應(yīng)速率線圖為依據(jù)的，如使用的催化劑存在有效系數(shù)問題，則應(yīng)按校正后的實際速率計算；如流動的催化劑存在有效系數(shù)問題，則應(yīng)按校正后的實際速率計算；如流動偏離平推流，結(jié)果會有一定誤差。偏離平推流，結(jié)果會有一定誤差。6.4 擬均相二維模型擬均相二維模型二維：軸向和徑向二維：軸向和徑向?qū)τ趶较虼嬖谳^大的溫度差、濃度差的反應(yīng)器，一維模型對于徑向存在較大的溫度差、濃度差的反應(yīng)器，一維模型有時不能滿足要求，需要考慮徑向的溫度濃度分布。有時不能滿足要求，需要考