固定床反应器

二、固定床反应器的种类
（1）绝热式反应器
间接换热式
冷激式
图6-1 绝热床反应器
图6-3 多段绝热床反应器
（2）对外换热式反应器
图6-4 对外换热式反应器
特点：单位床层体积具有的传热面积大，传热性能良好；
反应器放大设计可靠性高。
传热介质选用原则：
保证催化剂床层与传热介质之间有适宜的温差。
常用传热介质的温度范围 沸腾水 有机液态传热介质 熔盐 烟道气 100-300 ℃ 200-350 ℃ 300-400 ℃ 600-700 ℃
流体与颗粒间传热温差的计算 热量平衡
H ArA hp am (tG tS ) hp amt
式中，am Se / B —— 单位重量催化剂的外表面积； —— 床层比表面积Se的校正系数。
球形： 1 ；圆柱形： 0.9 ；片状： 0.81 ； 无定形： 0.9
（3）自热式反应器
一段转化气
空气
燃烧
甲烷化炉 CO+3H2 CH4+H2O
二段转化炉 2H2+O2 CO+O2 CH4+H2O 2H2O CO2 CO+3H2
CO2+4H2
CH4+2H2O
（4）其它形式的固定床反应器
已成功应用于合成氨反应器。 特点是：压降小，可采用较细颗粒 的催化剂，从而提高催化剂的有效 系数。
图6-14
0 e 包含床层空隙和颗粒对传热的贡献，由下式计算
hrV d p 0 e B 1 1 B 1 2 h d 1 3 s rs p （6-24） Nhomakorabea
式中， s , —— 分别表示颗粒与流体的热导率；
数，而是流体和固体颗粒特性以及流动状态的函数。
e / 0 e / ( ) Rep P r
式中， λ—— 气体的热导率；
（6-23）
0 e —— 流体静止时床层的热导率；
α—— 径向与轴向传质速率之比；
β—— 颗粒间距与粒径比的影响。
( ) 值可由图6-14查取。
粒径/管径
（6-55） （6-59）
Fc
i pi
dT F cP dT (H A )(rA )dW FA0 dxA (H A )
式（6-55）和（6-59）分别积分并整理得： 设计方程 操作方程
T T0
x Af dx W A x A 0 (r ) FA0 A
y A0 (H A ) ( x A x A0 ) ( x A x A0 ) cP
上式可整理成
rAH A Q( Pr ) 2 / 3 / J H hp am rAH A Q 其中，传热数 amc pG t
普朗特数
Pr cP /
图6-12是上式的关联图，查图可求 得不同条件下的Δt。
图6-12 固定床中流体与颗粒外表面的温差
二、固定床的有效热导率 λe 是针对拟均相模型提出的综合性传热参数，一般是指 λer 。 λe值与颗粒与流体之间对流传热，颗粒及流体本身的 导热，床层的辐射传热等多种传热作用有关。它不是物性参
图6-6 径向流反应器
6.2 固定床中的传递过程
6.2.1 粒子直径和床层空隙率
一、颗粒直径的表示方法 （1）表示方法 （i）体积相当直径 （ii）面积相当直径 （iii）比表面相当直径
dV (6VP / )1/ 3
da (aP / )1/ 2
d S 6 / SV 6VP / aP
b
hW /(dt / 2)
e

(1 / 2)(d p / dt )(hW d p / )
e /
hW —— 壁面处对流给热系数；
hW d p

d pG 2.58
1/ 3
cp
1/ 3
d pG 0.094
式中，xi是直径为di粒子在全部粒子中所占的质量分数，可采用 标准筛进行筛分分析得到。标准筛的规格见表6-2。
二、床层空隙率 单位体积床层中,颗粒之间的空隙所占的体积分率。
B 1 B p
式中 B —— 床层堆积密度；
p —— 颗粒视密度。
注意：颗粒视密度与真 密度之间的区别。 讨论： （1）床层空隙率与颗粒 形状和尺寸的关系。 （2）壁效应及流体均布。
—— 粒子表面的热辐射率；
Tm —— 床层的平均温度，K； hrV —— 空隙的辐射给热系数；
Tm 2 hrV 0.227 [W/(m K)] B 1 100 1 2(1 B ) 1
3
（6-25）
hrs —— 颗粒的辐射给热系数；
B
式中，RH —— 水力半径。
6.2.2 床层压降 床层压降是固定床反应器设计的重要参数，要求床层压 降不超过床内压力的15%。 床层压降的计算 （1）
p d S u 2 L m
3 B 150 1 R 1.75 B eM
图6-15
当颗粒直径甚小，床层温度不是很高，以及含有液体 时，空隙和颗粒的辐射传热可忽略，式（6-24）可简化为：
0 e B
1 B 2 3 s
（6-28）
三、床层与器壁间的给热系数 h0 一维模型中，床层与器壁间传热速率为
q h0 A(tm tW )
h0可由经验公式计算
（6-31）
h0 d p
d p e 2 (b) [a1 ] dt y
（6-32） （适用范围：y > 0.2）
式中， y —— 无量纲数
4e L 4(d p / dt )(L / dt )(e / ) y 2 Gcp dt Pr Rep
b —— 无量纲数
Tm 2 hrs 0.227 [W/(m K)] 2 100
3
（6-26）
—— 颗粒接触点处流体薄膜对导热的影响。 0.26 （6-27） 2 (1 2 ) B 0.216
1 , 2 可由图6-15
查取。
式中，dp —— 体积相当直径；G um—— 质量流速。 fm和n可由图6-11查取。
图6-11 固定床的摩擦系数
6.2.3 固定床中的传热 床层的传热性能直接决定了床内的温度分布，从而对反 应速率和产物的组成分布都具有十分重要的影响。 传热方式： 导热、对流传热、热辐射。 传热途径： 粒内传热、颗粒与流体间传热、床层与器壁间传热。 一、颗粒与流体间传热系数
式中
ReM
d S um (1 B )
um —— 空床流速；L —— 床层高度；ρ、μ—— 流体的密度和粘度。 ReM<10，层流，上式中右边第二项可忽略；
ReM>1000，湍流，上式中右边第一项可忽略。
（2 ）
2 f mG 2 L(1 B )3n p 3 d p 3n B
6.3.1 等温反应器的计算 床层温度均匀一致，反应速率常数为常数，反应速度仅与浓度有
关。按一维拟均相处理，设计方法与PFR相似。 对右图固定床反应器取一微元段进行物料衡算
(rA )dW FA0dxA
设计方程

床层高度
W
0
x Af dx dW W A FA0 FA0 x A 0 (rA )
图6-9 填充床的空隙率
三、固定床的当量直径 （1）床层比表面
Se n p a p
(1 B ) p Vp p
a p (1 B )
ap Vp
6(1 B ) / d S
式中，np —— 单位体积床层中颗粒的个数。 （2）床层当量直径
2 B 2 B d e 4 RH 4 dS S dV Se 3 1 B 3 1 B
（6-44）
其中
Re G /(Se )
6.3 拟均相一维模型
概述
一、拟均相模型 忽略床层中催化剂颗粒与流体之间温度与浓度差别，将气相反应 物与催化剂看成均匀连续的均相物系。 （1）一维拟均相模型 只考虑沿气体流动方向的温度和浓度变化。根据流动形式还可分 为平推流一维模型和轴向分散一维模型。 （2）二维拟均相模型 同时考虑轴向和径向的温度和浓度分布。 二、非均相模型 考虑颗粒与流体之间的温度差和浓度差。 一般来说，模型考虑得越全面，对过程模拟越精确，但计算工作 量也越大，甚至无法求解。因此，在工程计算允许的误差范围内应尽 可能选用简单模型。
第六章 固定床反应器
重要过程：
6.1 概述
流体通过固定的固体物料所形成的床层。
一、固定床反应器的特点



结构简单 高空速 很少催化剂损耗 很小气固返混 较长的扩散时间及距离 高床层压降 床内取热供热困难 催化剂取出更新困难 催化剂颗粒大，效率低
•丙烯氧化制丙烯酸 •乙炔HCl制氯乙烯 •乙烯环氧化制环氧乙烷 •烃类加氢 •乙苯脱氢制苯乙烯 •煤气化 •…
B J H 2.876/(d pG / ) 0.3023/(d pG / )0.35
传热因子 适用范围
（6-16）
J H (hp / c pG)(c p / )2 / 3
d pG / 10 ~ 10000
注意：目前，计算传热系数的经验公式有很多，可从有关文献或工 具书中查取。应用时要注意公式规定的特性尺寸、特性温度和适用 范围。
2/3
k P G GM D
2/3
（6-43）
式中,
SC / D 称为施密特数； JD —— 传质因子。