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1、第第5章章 固定床气固定床气-固相催化反应工程固相催化反应工程目目目目 录录录录5.1固定床气固定床气-固相催化反应工程固相催化反应工程5.2固定床流体力学固定床流体力学5.3固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程5.4 绝热式固定床催化反应器绝热式固定床催化反应器5.5 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5.6 连续换热外冷及外热管式催化反应器连续换热外冷及外热管式催化反应器5.7 薄床层催化反应器薄床层催化反应器5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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相催化反应器的基本类
2、型和数学模型固相催化反应器的基本类型和数学模型一一一一 固定床气固定床气固定床气固定床气-固相催化反应器的基本类型固相催化反应器的基本类型固相催化反应器的基本类型固相催化反应器的基本类型进行气进行气固相催化反应器的装置主要有固定床和固相催化反应器的装置主要有固定床和流化床两大类。流化床两大类。固定床反应器（固定床反应器（Fixed Bed ReactorsFixed Bed Reactors）1 1、定义、定义：气体通过由静止的催化剂颗粒构成的床：气体通过由静止的催化剂颗粒构成的床层而进行反应的装置。层而进行反应的装置。2 2、应用：、应用：炼油工业：裂解、重整、异构化、加氢炼油工业：裂解、重
3、整、异构化、加氢精制精制无机化工：合成氨、硫酸生产无机化工：合成氨、硫酸生产有机化工：乙烯氧化制环氧乙烷、氯乙烯的合成有机化工：乙烯氧化制环氧乙烷、氯乙烯的合成乙烯水合成制乙醇。乙烯水合成制乙醇。5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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3 3 优缺点优缺点优点：优点：当床层不是太厚（当床层不是太厚（L/dp100L/dp100），流速不），流速不是太低（是太低（Re10Re10），流体的轴向流动可视为活塞），流体的轴向流动可视为活塞流，因此具
4、有流，因此具有PFRPFR的特点，的特点，c cA A ,r ,rA A ,x ,xAfAf由于床层中的颗粒是静止不动的，于是由于床层中的颗粒是静止不动的，于是catcat不不易磨损，这样降低易磨损，这样降低catcat消耗，降低了成本，提高消耗，降低了成本，提高了经济效益，尤其是对比较贵重的金属了经济效益，尤其是对比较贵重的金属catcat，更，更是如此。是如此。适应性强，生产规模可大可小，操作灵活（可适应性强，生产规模可大可小，操作灵活（可调），可在高压、高温下操作。调），可在高压、高温下操作。5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型固相
5、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相催化反应器的基本类型和数学模型缺点：缺点：最大的缺点是床层的传热性能差。最大的缺点是床层的传热性能差。原因原因:a.a.床层中装有固定不动的床层中装有固定不动的catcat，影响流体，影响流体的径向流动的径向流动b.b.由于受由于受PP的限制，的限制，u u ，传热速率，传热速率c.catc.cat颗粒多是导热性差的物质，如活性颗粒多是导热性差的物质，如活性炭，硅藻土等。炭，硅藻土等。为使为使P ,dP ,dp p=2-6mm,d=2-6mm,dp p ,catcat的更换和再生困难。的更换和再生困难。气固相催化反应器固定床固
6、定床反应器反应器流化床流化床反应器反应器 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4 4 4 4 反应器分类反应器分类反应器分类反应器分类5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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4.14.1按换热方式的不同
7、可分为：按换热方式的不同可分为：绝热式、换热式绝热式、换热式1 1）绝热式）绝热式单段：由反应物到产物一次完成。图单段：由反应物到产物一次完成。图5-15-1它适用于热效应小，单程转化率低，它适用于热效应小，单程转化率低，s s对对T T不敏感不敏感的反应。的反应。多段：反应多段：反应 换热换热 反应反应 换热换热 .即由反应物到产物多次完成。图即由反应物到产物多次完成。图5-25-2它可分为它可分为间接换热式间接换热式间接换热式间接换热式直接换热式（冷激式）直接换热式（冷激式）直接换热式（冷激式）直接换热式（冷激式）原料气冷激原料气冷激原料气冷激原料气冷激非原料气冷激非原料气冷激非原料气冷激
8、非原料气冷激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 T5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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(2)(2)(2)(2)多段固定床绝热反应器多段固定床绝热反应器多段固定床绝热反应器多段固定床绝热反应器（a a）间接换热式间接换热式间接换热式间接换热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原原原原料料料料产产产产品品品品5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-固相催化反应器
9、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（b 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产产产产品品品品原原原原料料料料产产产产品品品品原原原原料料料料产产产产品品品品原原原原料料料料5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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(c)(c)(c)(c)非原料气冷激式非原料气冷
10、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 x xT T T T平衡温度线平衡温度线原原原原料料料料产产产产品品品品冷冷冷冷激激激激剂剂剂剂5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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2 2）换热式）换热式这类反应器类型
11、很多，常用的型式是列管式图这类反应器类型很多，常用的型式是列管式图5-65-6，套管式图，套管式图5-75-7。按换热介质不同可分为：按换热介质不同可分为：自身换热：以原料气为换热介质，自身换热，自身换热：以原料气为换热介质，自身换热，主要用于热效应不太大的高压反应，如合成氨和主要用于热效应不太大的高压反应，如合成氨和合成甲醇等。合成甲醇等。对外换热式：由热载体移出热量，按热载体的对外换热式：由热载体移出热量，按热载体的循环方式可分为：沸腾式、内循环式、外循环式。循环方式可分为：沸腾式、内循环式、外循环式。5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学
12、模型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相催化反应器的基本类型和数学模型温度温度温度温度床层深度床层深度床层深度床层深度温度温度温度温度反应进度反应进度反应进度反应进度三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况三套管并流式冷管催化床温度分布及操作状况5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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5.15.15.15.1固定床气固定床气固定
13、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4 42 2 按流体流动方向（反应气体的流动方向）分类按流体流动方向（反应气体的流动方向）分类1)1)轴向固定床，用的最多，不特殊说明，均指轴向床。轴向固定床，用的最多，不特殊说明，均指轴向床。缺点：缺点：u u ，PP2)2)径向固定床。图径向固定床。图5-95-9。流道短，压降小。径向床设计。流道短，压降小。径向床设计要求较高，分布流道的制造使气体均布。要求较高，分布流道的制造使气体均布。3)3)轴径向固定床。图轴径向固定床。图5-125-1
14、2VSVS5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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1 1、定义、定义：气体通过由处于流化状态的催化剂颗粒：气体通过由处于流化状态的催化剂颗粒构成的床层而进行反应装置。构成的床层而进行反应装置。注意：这里的注意：这里的“固定固定”与与“流化流化”都是对催
15、化剂颗都是对催化剂颗粒所处状态而言的。粒所处状态而言的。2 2、应用、应用：石油、化工、冶金、煤炭等部门。：石油、化工、冶金、煤炭等部门。气气固催化反应、矿石焙烧（冶金）、固体干燥固催化反应、矿石焙烧（冶金）、固体干燥（物理过程）、沸腾床（流化床）燃烧锅炉（电（物理过程）、沸腾床（流化床）燃烧锅炉（电力部门）。力部门）。二、流化床反应器：（二、流化床反应器：（Fluidized Bed Fluidized Bed ReactorsReactors）5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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相催化反应器的基本类
16、型和数学模型固相催化反应器的基本类型和数学模型3 3、特点、特点优点：优点：传热效率高，温度分布均匀，于是特别适传热效率高，温度分布均匀，于是特别适用于对用于对T T敏感的反应。敏感的反应。固体固体catcat具有流动性，更换和再生容易，适用于具有流动性，更换和再生容易，适用于catcat容易失活需及时更换再生的反应，如催化裂容易失活需及时更换再生的反应，如催化裂解等。解等。用用dp dp 的的cat cat,u u .生产能力生产能力 5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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相催化反应器的基本类型和数学模
17、型固相催化反应器的基本类型和数学模型缺点：缺点：偏离活塞流程度大，转化率低偏离活塞流程度大，转化率低粒子的损失和带出严重，于是必须附设粒子回收粒子的损失和带出严重，于是必须附设粒子回收装置，如旋风分离器等。装置，如旋风分离器等。由于粒子的湍动，对床层内壁和内部构件磨损严由于粒子的湍动，对床层内壁和内部构件磨损严重。重。由实验室工业化，放大效应大，放大周期长，放由实验室工业化，放大效应大，放大周期长，放大费用高，丙烯腈放大大费用高，丙烯腈放大5 5年。年。(300-300-3000)3000)5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型固相催化反应
18、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相催化反应器的基本类型和数学模型4 4、流化床类型：、流化床类型：按操作气速分类：鼓泡床、湍动床、快速硫化按操作气速分类：鼓泡床、湍动床、快速硫化床，提升管。床，提升管。按按catcat受力方式分类：流体流化床，磁控流化床，受力方式分类：流体流化床，磁控流化床，离心流化床。离心流化床。按相态分类：两相床，三相床。按相态分类：两相床，三相床。按按GeldartGeldart分类：分类：A A、B B、C C、D D。一般教科书的讨。一般教科书的讨论只限于鼓泡床。流化床是反应工程学科最活论只限于鼓泡床。流化床是反应工程学科最活跃的领域，发展
19、较快，中国有跃的领域，发展较快，中国有“颗粒学会颗粒学会”，定期召开全国流态化会议。定期召开全国流态化会议。5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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1 1、流化床、流化床固定床，流化床换热，固定床反应。固定床，流化床换热，固定床反应。2 2、固定床反应（管内），流化床换热（管间）。、固定床反应（管内），流化床换热（管间）。三、复合床：三、复合床：5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型固相催
20、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相催化反应器的基本类型和数学模型反应器设计原则反应器设计原则反应器设计：化工工艺设计、机械设计反应器设计：化工工艺设计、机械设计化工工艺设计：反应器造型，工艺操作条件的化工工艺设计：反应器造型，工艺操作条件的确定，反应器及换热器工艺尺寸的计算。确定，反应器及换热器工艺尺寸的计算。机械设计：机械结构设计和强度设计。机械设计：机械结构设计和强度设计。设计前具备条件：设计前具备条件：热力学数据及有关物性数据。热力学数据及有关物性数据。反应动力学及传递过程模型及数据。反应动力学及传递过程模型及数据。5.15.15.15.1固定床气固定床气
21、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反应器设计应遵循的原则：反应器设计应遵循的原则：根据工艺特点和工程实际情况，确定最佳工艺根据工艺特点和工程实际情况，确定最佳工艺条件，而且要有一定的操作弹性。条件，而且要有一定的操作弹性。反应器的类型和结构要考虑工艺条件，设备制反应器的类型和结构要考虑工艺条件，设备制造、检修、造、检修、cat.cat.的装卸。的装卸。反应器的内、外件要合理放置，使气流分布均反应器的内、外件要合理放置，使气流分布均匀，匀，机械结构要可靠。机械结构要可靠。二二二
22、二 固定床催化反应器的数学模型固定床催化反应器的数学模型固定床催化反应器的数学模型固定床催化反应器的数学模型1 1、定义：、定义：它是用数学方程式表示实际过程中各它是用数学方程式表示实际过程中各个参数的关系，用电子计算机进行设计放大的个参数的关系，用电子计算机进行设计放大的方法。方法。2 2、建立数学模型的步骤、建立数学模型的步骤对过程进行解析（研究它的微观动力学，传递过对过程进行解析（研究它的微观动力学，传递过程规律，了解过程特点）对过程进行合理简化程规律，了解过程特点）对过程进行合理简化（实际过程很复杂，很难将所有影响因素完全（实际过程很复杂，很难将所有影响因素完全用数字方程式表达出来，于
23、是要抓住实质，进用数字方程式表达出来，于是要抓住实质，进行简化）行简化）予以数学表达，建立数学模型予以数学表达，建立数学模型设计、放大设计、放大 检验、修正检验、修正 实际使用的模型。实际使用的模型。计算机计算机5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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3 3、模型法的特点：、模型法的特点：准确可靠（由于它是在对动力学规律及传递过程准确可靠（由于它是在对动力学规律及传递过程规律充分了解的基础上建立的），因次可以高规律充分了解的基础上建立的），因
24、次可以高倍数放大，它可以进行设计放大，也可以对现倍数放大，它可以进行设计放大，也可以对现有的设备进行校核，实现最佳控制。有的设备进行校核，实现最佳控制。5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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4 4、几个基本概念：、几个基本概念：1 1）非均相模型：颗粒内部和相间的传热，传质）非均相模型：颗粒内部和相间的传热，传质计入模型。计入模型。2 2）拟均相模型：化学动力学控制，不考虑颗粒）拟均相模型：化学动力学控制，不考虑颗粒内部及相间传递。内部及相
25、间传递。3 3）一维模型：）一维模型：，只考虑轴相变化。，只考虑轴相变化。4 4）二维模型：）二维模型：5 5、数学模型的分类：、数学模型的分类：共分为四大类，八小类。详见共分为四大类，八小类。详见P 153 P 153 表表5-15-15.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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一维一维模型模型A类类：拟均相模型拟均相模型B类类：非均相模型非均相模型AI：基础模型基础模型BI：基础模型相间基础模型相间分布分布AII：AI+轴向返混轴向返混BII
26、：BI+轴向返混轴向返混二维二维模型模型AIII：AI 径向分布径向分布BIII：BI径向分布径向分布AIV：AIII 轴向返混轴向返混 BIV：BIII轴向返混轴向返混6 6、模型的造取原则：、模型的造取原则：从从AI AIV AI AIV,BI BI BIVBIV ，模型的复杂程度，模型的复杂程度，计算精度计算精度，相应地，计算量，相应地，计算量。如何选取呢？如何选取呢？1 1）计算目的：指生产控制（实时控制）计算目的：指生产控制（实时控制/超前控超前控制）还是理论分析。制）还是理论分析。2 2）计算精度：是粗略估计还是精确计算。）计算精度：是粗略估计还是精确计算。3 3）计算机处理能力：
27、容量，速度。）计算机处理能力：容量，速度。拟均相一维较粗略，而非均相模型计算量太大，拟均相一维较粗略，而非均相模型计算量太大，一般计算机承受不了，且结果又与拟均相二维一般计算机承受不了，且结果又与拟均相二维很接近，因此拟均相二维最为适宜。很接近，因此拟均相二维最为适宜。5.15.15.15.1固定床气固定床气固定床气固定床气-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1 1、非中空固体颗粒的相当直径及形状系数、非中空固体颗粒的相当直径及形状系数在化工生产中，所用催化剂不仅有球形，而且也有在化工生产中，
28、所用催化剂不仅有球形，而且也有非球形。非球形。球形颗粒：用直径表示大小球形颗粒：用直径表示大小非球形非球形 颗粒：用当量直径（相当直径）表示大小颗粒：用当量直径（相当直径）表示大小相当直径有三种：相当直径有三种：等体积圆球直径（体积相当直径）等体积圆球直径（体积相当直径）等外表面积圆球（面积相当直径）等外表面积圆球（面积相当直径）等比外表面积圆球直径（比表面积相当直径）等比外表面积圆球直径（比表面积相当直径）5.25.25.25.2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一、一、固定床的物理特性固定床的物理特性1 1、体积相当直径、体积相当直径用与非球形颗粒体积相等的球形颗粒的
29、直径用与非球形颗粒体积相等的球形颗粒的直径d dV V 来表示非球形颗粒的大小，并称来表示非球形颗粒的大小，并称d dV V为非球形为非球形颗粒的体积相当直径。颗粒的体积相当直径。由球形体积计算公式由球形体积计算公式体积相等体积相等体积相等体积相等体积体积体积体积V V V Vp p p p体积体积体积体积V V V Vp p p p，直径，直径，直径，直径dydydydy5.25.25.25.2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2 2、面积相当直径、面积相当直径dada由球形面积的计算公式由球形面积的计算公式外表面积外表面积外表面积外表面积外表面积外表面积外表面积外表面
30、积S S S Sp p p p外表面积外表面积外表面积外表面积S S S Sp p p p 直径直径直径直径D D D Dp p p p5.25.25.25.2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3 3、比外表面积相当直径、比外表面积相当直径dsds比外表面积比外表面积对于直径为对于直径为d ds s的球形颗粒：的球形颗粒：比外表面积相等比外表面积相等比外表面积相等比外表面积相等体积体积体积体积V V V Vp p p p 外表面积外表面积外表面积外表面积S S S Sp p p p比外表面积比外表面积比外表面积比外表面积S S S Sy y y y5.25.25.25.2
31、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4 4、形状系数、形状系数s s 体积相同的球形颗粒的外表面积体积相同的球形颗粒的外表面积与非球形颗粒外表面积之比与非球形颗粒外表面积之比我们知道，我们知道，S Ss sSSp p，在同体积的几何体中，以球体，在同体积的几何体中，以球体的外表面积为最小。的外表面积为最小。s s11s s 表示了非球形颗粒与球形颗粒的接近程度表示了非球形颗粒与球形颗粒的接近程度球形度。球形度。同时，同时，s s也是上述三种相当直径的关联系数，可也是上述三种相当直径的关联系数，可以证明：以证明：5.25.25.25.2固定床流体力学固定床流体力学固定床流体力
32、学固定床流体力学5 5、混合颗粒的平均直径、混合颗粒的平均直径上面讨论的是单个颗粒大小的表示方法，实际使用上面讨论的是单个颗粒大小的表示方法，实际使用的催化剂是存在一个粒度分布的混合颗粒群。我的催化剂是存在一个粒度分布的混合颗粒群。我们设计时，只能用一个直径，所以就要讨论众多们设计时，只能用一个直径，所以就要讨论众多颗粒的平均直径的计算方法。颗粒的平均直径的计算方法。一般有两种方法：一般有两种方法：算术平均直径算术平均直径调和平均直径调和平均直径计算对比发现，调和平均直径较为符合实验数据。计算对比发现，调和平均直径较为符合实验数据。所以在设计中，常用调和平均直径。所以在设计中，常用调和平均直径
33、。5.25.25.25.2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6 6、固定床的当量直径、固定床的当量直径由于床层中填充了固体催化剂颗粒，使流体的流由于床层中填充了固体催化剂颗粒，使流体的流道变小，所以在设计计算时不能采用空管的直道变小，所以在设计计算时不能采用空管的直径，而应使用当量直径。径，而应使用当量直径。（1 1）床层的比外表面积）床层的比外表面积（2 2）水力半径）水力半径（3 3）床层的当量直径）床层的当量直径5.25.25.25.2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7 7、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-床层空隙
34、率，是表征床结构的重要参数。床层空隙率，是表征床结构的重要参数。它不仅影响流体流动进而影响传热、传质，它不仅影响流体流动进而影响传热、传质，而且也是影响床层压力降的主要因素。而且也是影响床层压力降的主要因素。定义定义5.25.25.25.2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影响影响的因素的因素（1 1）颗粒形状：）颗粒形状：s s；（2 2）粒度分布：分布宽，）粒度分布：分布宽，（3 3）表面粗糙度：粗糙度）表面粗糙度：粗糙度；（4 4）填充方式：紧填充，）填充方式：紧填充，（5 5）d dp p/d/dt t ：dp/dt dp/dt；（6 6）径向位置：中心处）径向位
35、置：中心处，近壁处，近壁处。5.25.25.25.2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壁效应壁效应器壁对空隙率的影响以及由此造成的对器壁对空隙率的影响以及由此造成的对“三传、三传、一反一反”的影响，称为壁效应。的影响，称为壁效应。d dt t/d/dp p，壁效应，壁效应，于是在反应器设计时为了减小壁效应，应，于是在反应器设计时为了减小壁效应，应使使d dt t/d/dp p8 8。流速分布：流速分布图见流速分布：流速分布图见P144 P144 图图5-145-14。5.25.25.25.2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1 1、流动特性、流动特性
36、流体流动是通过床层空隙来实现的，流体的流流体流动是通过床层空隙来实现的，流体的流通截面积为通截面积为AA。但。但不均匀，真实流速不均匀，真实流速u u（缝隙速度）也存在分布问题，缝隙速度在（缝隙速度）也存在分布问题，缝隙速度在壁面附近达到最大。壁面附近达到最大。另外，固定床层内流体流动从层流状态到湍流另外，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（与空管中的流体状态的转折过程并不明显（与空管中的流体流动相比）。在相同的条件下，可能在床层流动相比）。在相同的条件下，可能在床层的一部分处于层流状态，而其它部分则处于的一部分处于层流状态，而其它部分则处于湍流状态。湍流状态。5.25.
37、25.25.2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二、二、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2 2、压力降、压力降PP产生的原因产生的原因（1 1）流体和颗粒外表面摩擦产生的摩擦阻力）流体和颗粒外表面摩擦产生的摩擦阻力（2 2）孔道的突然扩大和缩小造成的局部阻力）孔道的突然扩大和缩小造成的局部阻力PP的计算的计算计算思路：对计算空管阻力的计算思路：对计算空管阻力的ErgunErgun公式进行适公式进行适当修正用来计算固定床压力降。当修正用来计算固定床压力降。5.25.25.25.2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空管空管
38、PP计算公式计算公式 修正后的公式修正后的公式 修正雷诺准数修正雷诺准数 5.25.25.25.2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计算方法：由已知参数计算计算方法：由已知参数计算ReReM M判断流型判断流型 Re ReM M1010，P=P=（5-165-16）；）；ReReM M10001000，5.25.25.25.2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3 3、影响因素、影响因素（1 1）L:LPL:LP（2 2）u:uPu:uP流速不能太高！流速不能太高！（3 3）d ds s:d:ds sPP颗粒直径不能太小！颗粒直径不能太小！（4 4）：
39、PP（5 5）流体物性）流体物性f f，：f f，PP5.25.25.25.2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4 4、注意事项：、注意事项：（1 1）公式中各个参数的物理意义及单位）公式中各个参数的物理意义及单位（2 2）由于流体的物性受温度和组成的影响，）由于流体的物性受温度和组成的影响，而在反应过程中温度和组成是变化的，所以而在反应过程中温度和组成是变化的，所以在在TT（进出口）不是很大时，可以取进出口（进出口）不是很大时，可以取进出口的平均值计算，当的平均值计算，当TT较大时，应分段计算，较大时，应分段计算，把床层分为若干段，分别计算把床层分为若干段，分别计算PP
40、1 1、PP2 2、PP3 3.P=PP=P1 1+P+P2 2+P+P3 3+更精确的计算方法是积分计算。更精确的计算方法是积分计算。5.25.25.25.2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（3 3）为了降低动力消耗，）为了降低动力消耗，PP不能太大，一般不能太大，一般PPP P床床15%,15%,在设计时，计算出在设计时，计算出PP以后，以后，应进行校核。应进行校核。三、径向反应器中的流体分布（不要求）三、径向反应器中的流体分布（不要求）5.25.25.25.2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1 1、固定床径向及轴向混合有效弥散系数、固定床径
41、向及轴向混合有效弥散系数流体流经固定床时，其流道是弯弯曲曲，纵横交流体流经固定床时，其流道是弯弯曲曲，纵横交错的，流体不断分散与汇合，形成了一定程度错的，流体不断分散与汇合，形成了一定程度的径向及轴向混合扩散。径向扩散系数的径向及轴向混合扩散。径向扩散系数E Er r及轴及轴向扩散系数向扩散系数E El l一般用毕克来准数（一般用毕克来准数（PecletPeclet）P Pe e关联。关联。5.25.25.25.2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四、四、固定床流体的径向及轴向混合固定床流体的径向及轴向混合5.25.25.25.2固定床流体力学固定床流体力学固定床流体力学
42、固定床流体力学2 2、固定床反应器的轴向返混、固定床反应器的轴向返混轴向返混可忽略的条件是：轴向返混可忽略的条件是：在工业反应器通常流速下，一般在工业反应器通常流速下，一般这时这时 轴向返混可略去，一般工业反应器都能满足轴向返混可略去，一般工业反应器都能满足这个条件。这个条件。5.25.25.25.2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1 1、研究目的、研究目的：1 1）确定床层内的温度分布，）确定床层内的温度分布，2 2）求算床层所需的传热面积）求算床层所需的传热面积F F。2 2、传热过程分析：、传热过程分析：以换热式反应器进行放热反应以换热式反应器进行放热反应（床层被
43、冷却）为例：（床层被冷却）为例：每一步都包括三种传热方式：对流、热传导、辐射每一步都包括三种传热方式：对流、热传导、辐射5.35.35.35.3固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程一、固定床径向传热过程分析一、固定床径向传热过程分析3 3、处理方法：、处理方法：由上面的分析可以看出传热过程是相由上面的分析可以看出传热过程是相当复杂的，为了便于进行研究，进行简化处理。当复杂的，为了便于进行研究，进行简化处理。（1 1）确定）确定T=f(r)T=f(r)将整个床层分为两个部分将整个床层分为两个部分床层主体的传热能力以表示床层主体的传热能力
44、以表示径向有效导热系数。径向有效导热系数。壁膜处的传热能力以壁给热系数表示。壁膜处的传热能力以壁给热系数表示。“有效有效”二字的理解：二字的理解：5.35.35.35.3固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程把床层主体的导热能力和固体等同起来，把床层主体的导热能力和固体等同起来，而床层主体是由固体和流体构成的。而床层主体是由固体和流体构成的。床层内的传热是三种传热方式的综合体床层内的传热是三种传热方式的综合体现，而不是单纯的热传导。现，而不是单纯的热传导。(2)(2)确定传热面积确定传热面积F F把床层主体视为温度为把床层主体视为温度为
45、T Tm m的等温体，把热阻完全的等温体，把热阻完全集中在壁膜处，其给热系数以集中在壁膜处，其给热系数以t t表示表示固固定床对壁的给热系数。定床对壁的给热系数。5.35.35.35.3固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程把床层主体视为温度为把床层主体视为温度为T Tm m的等温的等温体，把热阻完全集中在壁膜处，体，把热阻完全集中在壁膜处，其给热系数以其给热系数以t t表示表示固定床固定床对壁的给热系数。对壁的给热系数。此时的传热速率方程为：此时的传热速率方程为：dQ=dQ=t t(T(Tm mTTW W)dF )dF （5-375-
46、37）5.35.35.35.3固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程二、固定床对壁的给热系数二、固定床对壁的给热系数对于玻璃、瓷质等低导热系数球形颗粒对于玻璃、瓷质等低导热系数球形颗粒 对于铜、铁等高导热系数球形颗粒对于铜、铁等高导热系数球形颗粒如固定床高度待求，对球形颗粒如固定床高度待求，对球形颗粒 对圆柱形颗粒对圆柱形颗粒 注：经验公式还有很多，参见有关教材、文献。注：经验公式还有很多，参见有关教材、文献。5.35.35.35.3固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程 对于低
47、导热系数颗粒对于低导热系数颗粒 对于高导热系数颗粒对于高导热系数颗粒注：经验公式还有很多，参见有关教材、文献。注：经验公式还有很多，参见有关教材、文献。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第六节再讲第六节再讲5.35.35.35.3固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程三、径向有效导热系数和壁给热系数三、径向有效导热系数和壁给热系数以传热以传热J J因子因子J JH H关联给热系数关联给热系数S S以传热以传热J J因子因子J JD D 关联传质系数关联传质系数k kG G由已知参数计算由已知参数计算
48、 注：经验公式还有很多，参见有关教材、文献。注：经验公式还有很多，参见有关教材、文献。5.35.35.35.3固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程五、流体与颗粒外表面、间的给热及传质系数五、流体与颗粒外表面、间的给热及传质系数对经验公式的要求对经验公式的要求本课程中有大量的经验公式，对于经验公式不需本课程中有大量的经验公式，对于经验公式不需要记住，但在可能的情况下要做到以下几点：要记住，但在可能的情况下要做到以下几点：1 1、公式的基本假定及实验条件、公式的基本假定及实验条件2 2、公式中各个符号的物理意义及其单位、公式中各个符号的物
49、理意义及其单位3 3、公式适用范围及误差（精度）、公式适用范围及误差（精度）对经验公式关键是会用，尤其是第二点要特别注对经验公式关键是会用，尤其是第二点要特别注意，有的经验公式并不是意，有的经验公式并不是SISI单位。单位。5.35.35.35.3固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程固定床热量与质量传递过程1 1、绝热式催化床具有下列特点：、绝热式催化床具有下列特点：1 1）床直径远大于）床直径远大于颗粒直径。颗粒直径。2 2）3 3）与外界的热量交换可以不考虑。）与外界的热量交换可以不考虑。2 2、活性校正系数、活性校正系数CORCOR某些工业某些工业ca
50、tcat的宏观动力学研究得还不够，只能按的宏观动力学研究得还不够，只能按化学动力学控制处理，而将传递过程的影响、催化学动力学控制处理，而将传递过程的影响、催化剂的中毒、衰老、还原等项化剂的中毒、衰老、还原等项 因素合并为因素合并为“校校正系数正系数”。5.45.45.45.4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5.45.4绝热式固定床催化反应器绝热式固定床催化反应器应注意校正系数往往与催化剂粒度、反应器结构、应注意校正系数往往与催化剂粒度、反应器结构、催化剂装载于反应器的位置、毒物的品种及含量、催化剂装载于反应器的位置、毒物的品种及含量、催化