化学反应工程-19-第六章-气固相催化反应固定床反应器

1、第六章第六章气固相催化反应固定床反应器气固相催化反应固定床反应器流体在床层内的流动和空管不同，当床层中装有固体颗粒时，流体只能从颗粒之间的空隙通过，而且不断和颗粒相碰撞改变流向，因此它较空管更容易形成湍流。PBBBPBVV11111颗粒密度颗粒堆积密度颗粒体积颗粒质量床层体积颗粒质量床层体积颗粒体积床层体积空隙体积6.1流体在固定床中的传递特性流体在固定床中的传递特性6.1.1 流体在固定床内的流动特性流体在固定床内的流动特性一、床层空隙率与流体的流动一、床层空隙率与流体的流动床层空隙率以B表示，定义为：空隙率分布：空隙率分布：床层空隙率随粒子的形状、大小而异，同时与床层径向位置也有关系，在壁

2、面附近处空隙率大，一般在离壁一个粒子直径处空隙率最大；离壁越远，变化逐渐减小，最后趋于定值。空隙率分布的影响：空隙率分布的影响：直接影响流体流速的分布，进而使流体与颗粒、床层与反应器壁之间的传热、传质行为不同，流体的停留时间也不同，最终会影响到化学反应的结果。为减少壁效应，要求床层直径（dt）至少为粒径（dP）的八倍以上。 对球形催化剂，应用一个参数dP即可完整描述颗粒的全部几何性质，即自由度为1； 对规则形催化剂，如圆柱形，用两个参数如h、d即可； 对不规则颗粒，也是用两个参数来描述颗粒的几何性能：一是当量直径；另一是形状参数。二、颗粒的定型尺寸二、颗粒的定型尺寸颗粒的定型尺寸常用粒径来表示

3、：1、单个粒子、单个粒子粒径粒径dP：体积相当直径体积相当直径 （通常指（通常指 ） 颗粒的实际体积；颗粒的外表面积。，SSSV 、SVSSVdSVVdSVVd3234316SVVd对不规则颗粒有两个基本的几何参数。根据 来计算颗粒的当量直径。设粒子的体积为的定义：Pd指具有和固体颗粒相同体积的模型球直径。SSSV 、，adSSadSaSd22421SaSdSdSdSSSSVSdd3223444SSSSVd6SSVSSS2VVdS面积相当直径面积相当直径：设粒子的外表面积为的定义由下式确定：比表面积相当直径比表面积相当直径：由下式确定：形状系数的概念，以形状系数的概念，以表示：表示：（和粒子具

4、有相同体积的球形颗粒的外表面积）2aVSdd西勒模数就是以西勒模数就是以dS为定型尺寸的。为定型尺寸的。床层的当量直径niiiPdxd11PdixididededHeBeRSd44444又名床层的比表面积表面积单位体积床层中颗粒外空隙率颗粒润湿表面积空隙体积润湿周边流通截面积对于大小不等的混合颗粒，平均直径为：粒子群的平均直径；直径等于的颗粒所占的质量分率；3、固定床的当量直径、固定床的当量直径的定义：2、粒子群、粒子群筛分直径。RH水力半径 eS床VSVSSBS床SBBSSBSSSenVVdVSnVnSVnSS1 1611床SBBBSBeddd132164求床层的比表面积：，其中有n颗催化剂

5、粒子，每颗体积，外表面积。故：设床层体积为 122uddldPgedldPgu压降计算式：式中：为流体通过单位床高引起的压强变化；为流体密度；为流体通过床层的实际流速。三、流体通过床层的压降三、流体通过床层的压降Buu0 212123203203SgBBgBBSduuddldP43BggSggeudud132Re0BggSmud1Re0若以u0表示流体通过床层的空塔流速，则：（1）式变为：式中：，为摩擦系数，其值与雷诺数有关。令：称为修正雷诺数。雷诺数：mRe75. 1Re150m 3175. 1Re150203SgBBmdudldPSgBBmduLP203175. 1Re150与之间的关系如

6、下：（2）式最后为：如果流体通过床层时温度变化不大，压降相对较小，床层填充均匀，则方程解为：此式成为厄根（Ergun）方程。例例：在内径为50mm的管内装有4m高的催化剂层，催化剂的粒径分布如下表（形状系数S=0.65） ：粒径dV/mm3.404.606.90质量分数xi0.600.250.15催化剂为球体，空隙率为B=0.44。在反应条件下气体的密度g=2.46kg/m3，黏度g=2.310-5kg/(m.s)，气体的质量流速G=6.2kg/(m-2.s-1)。求床层的压降。SgBBmduLP203175. 1Re150mmdxddniiiVP96. 390. 615. 060. 425.

7、 040. 360. 011124044. 01103 . 22 . 610576. 21Re530BggSmud解：2aVSddmmda91. 4mmddSVdaVSSS576. 291. 496. 362323则：PaP533210948. 2444. 044. 0146. 210576. 222. 675. 11240150 PgeWhh、0颗粒内部的传热颗粒与流体之间的传热床层整体有效导热系数床层和反应器壁之间的传热对于中P，见第十七讲非等温反应宏观动力学方程。它的大小往往由固体颗粒自身的性质粒内孔隙情况决定的，颗粒内的传热主要是以热传导形式进行的。6.1.2固定床内的传热固定床内的传

8、热床层尺度上的传热过程包括四个方面：床层尺度上的传热过程包括四个方面：；。对于中的g第十七讲中已经讨论过。现重点讨论现重点讨论和和 ！一、固定床的有效导热系数一、固定床的有效导热系数eeere热量的传递主要有三种方式：热传导、对流和辐射。热传导：粒子内部，流体内部。对流：粒子和流体之间。辐射：温度较高时，床层内的热传递方式。综合考虑了床层中各种热量传递过程，它是流体及固体颗粒特性以综合考虑了床层中各种热量传递过程，它是流体及固体颗粒特性以及流动状态的函数及流动状态的函数。，r表示径向。有效导热系数有效导热系数P仅仅包括了颗粒固体部分和粒内空隙部分。固定床中的传热一般地主要沿着径向进行的，与反应

9、无关。这很重要，根据这一点，可以在无反应存在的前提下对式中：eeeeePrRebaeba、通常取决于如下几种因素：颗粒内的导热；颗粒与流体之间的对流传热；流体内的传热；床层内的辐射传热。的获得只能依赖于实验。进行测定，一般将表示成下列形式：气体导热系数；实验常数。下面重点讲解如何获得下面重点讲解如何获得“床层有效导热系数床层有效导热系数”。 1PrRe0Pee0e粒子形状，填料种类,/tPddf下面是一个常用的公式：流体静止时的床层导热系数；（1）式右边后一项表示流体流动、混合对径向传热的贡献。可以从相关图表获得（见陈甘棠主编化学反应工程第三版P167页图6-14查出）。0e 23211110

10、SPrSBPrVBedhdh 310011211227. 023 KmWThmBBrV，可用下式进行计算：右边第一项代表床层空隙部分对传热的贡献；第二项代表颗粒部分的贡献。hrV、hrS分别代表空隙和颗粒的辐射给热系数，可由下式计算： 41002227. 023 KmWThmrS， 5216. 026. 0212B颗粒表面的热辐射率；Tm床层的平均温度，K；S颗粒固体的导热系数。1、2可以从相关图表获得（见陈甘棠主编化学反应工程P168页图6-15查出）。 63210SBBeeerez 78 . 07 . 0PrRe0；Peez 850PrRe15 .14PrRe0CCddGCPPPePPez

11、；1、当dP很小，温度较低及含有液体时，hrV、hrS两项可忽略，则：2、当粒径在5mm以上，及高温时，辐射传热的影响显著；在真空中则完全由辐射控制。严格地讲是，至于轴向床层有效导热系数可由下列两式计算：或：两种极端情况：两种极端情况：上面的的计算如下：0hWh0hmt 90WmttAhqWt0h 10210ybaedddhtPPtPddtd二、床层与器壁间的给热系数二、床层与器壁间的给热系数及及1、一维模型中、一维模型中模型认为，床层的径向只有一个温度，没有形成温度分布。则：壁温；A传热面积反应壁效应的影响；床层内径；气体的导热系数。的计算：的计算： ba和21 11212edhddedhb

12、PWPttW 12RePr442PttPtPedLdddGCLeyuG GdudCPPPP RePr，eWh其它变量的计算：都是b的函数，可由相关图表查出。式中：L床层的高度；上式适用于y0.2的情况。（有效导热系数）的计算已没问题，关键是找到的计算。Whmt 13WRWttAhqRtWtWh 14RePr1/11*0PWPWPWPWdhdhdh2、二维模型中、二维模型中模型认为温度沿着径向形成了一个分布，故这时床层向壁的传热速率：取靠近壁处的流体温度；反应器壁温度。如下式计算：的计算：的计算：没有意义。代表管壁附近流体横向混合比例， 15RePr2131*PPWCdh气体液体 4.0 6 .

13、 2CW 0.041 054. 0面对插入床层的圆管外表圆筒形固定床的内表面W0Wh 165 . 011000eWPWdh173111120SPrSWWPrVWWdhdhW4Pd7 . 0WW式中：式中：表示流体静止时管壁的给热系数，计算如下：而式中：离壁处的平均空隙率，一般；可由相关图表获得。的测定是不容易测准的，这是由于要在靠近壁面的地方安装热电偶是相当困难的，而且会影响该处的床层空隙率，从而引起流速的变化，所以床层该处的温度分布常是外推得出。因此文献上不同的关联式算得的Wh 18094. 058. 24 . 08 . 03131PPPPPWCGdCGddh40GdPWhWh计算的另一个较

14、为方便的式子如下：该式适用范围：应当指出：应当指出：值往往有较大的差异。例：例：在内径10cm的圆管内置有直径为4.0mm的球形粒子，已知床层的平均空隙率B=0.40，平均温度120，S=0.345W/m.K，辐射率=0.90，=0.0325 W/m.K，Pr=0.70，求在ReP=dPG/=120下，床层的有效导热系数e；管壁给热系数hW；床层总高为4m时的总括给热系数h0。 KmWhrV236 .131002731209 . 09 . 014 . 0124 . 011227. 0 KmWhrS233 .111002731209 . 029 . 0227. 06 .100325. 0345.

15、 0S解：解：求求e：因： 1PrRe0PeeSPrSBPrVBedhdh3211110因为：求（求（1）右边第一项：）右边第一项：060. 0152. 0211198. 0216. 026. 040. 0060. 0152. 0060. 0674. 10325. 0100 . 46 .133PrVdh390. 10325. 0100 . 43 .113PrSdh674. 4345. 00325. 032390. 11198. 01140. 01674. 1140. 00e查图得：由式：又：则：04. 01000 . 4tPdd11. 091.1370. 012011. 0674. 4eKmW

16、e.452. 00325. 091.13因：由图查得：故：求（求（1）右边第二项：）右边第二项：最后由（最后由（1）式：）式： 6 .10S11. 0W916. 4345. 00325. 031390. 111. 0117 . 01674. 127 . 00W0964. 0674. 45 . 0916. 4110PWdhKmWhW2303 .840964. 0100 . 40325. 0求求h hW：，查图得：由式：由式：故：因：根据： 2RePr1/11*0PWPWPWPWdhdhdh求（求（2）右边第一项：）右边第一项：4 .141207 . 0054. 019 .38110964. 01

17、PWdhKmWhW233 .117100 . 40325. 04 .14由式：最后由最后由式：式：故：求（求（2）右边第二项：）右边第二项： 9 .381207 . 00 . 4RePr21312131*PPWCdh98.12452. 0210103 .1172b 25. 002. 521ba，2 . 006. 112070. 00325. 0452. 0104001040. 04y92. 206. 125. 002. 591.131040. 00PdhKmWh23073.23100 . 40325. 092. 2求求h h0：，查图得：由式：由式：故：由式：根据：根据： ybadddhetPP210颗粒内部的传质eDgkPe颗粒与流体之间的传质固定床中流体的混合扩散 、前前已详细讨论；这里主要讲已详细讨论；这里主要讲。6.1.3固定床内的传质固定床内的传质；。床层的传质过程包括三个方面：当流体流经填充床时，不断发生着分散与汇合，在径向比在轴向往往