气固催化反应工程
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1.5 p p s p s p
p 2 s p
(5 6);
贵有恒何必三更眠五更起，最无益 只怕一日曝十日寒 与君共勉
8
5-4
固定床的物理特性：
• 二、混合颗粒的平均直径及形状系数：
• *
• *
算术平均直径：
调和平均直径：
d x d , (5 8);
p i 1 i i
n
1 x , (5 9); d d
第五章
气－固相催化反应工程
贵有恒何必三更眠五更起，最无益 只怕一日曝十日寒 与君共勉
1
第一节 概述
5-1气固相催化反应器的基本类型：
固定床（绝热式、连续换热式）； 流化床 固定床连续换热式：反应、换热同时进行
的甲醇合成、环氧乙烷 合成等) 外冷列管式：反应热大 中小型氨合成） 三套管并流冷管式：（ 外热管式：顶部烧咀； 侧型烧咀（烃类蒸气转 化）
p f
M
ds
(
) L,
(5 13);
贵有恒何必三更眠五更起，最无益 只怕一日曝十日寒 与君共勉
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5-5
单相流体在固定床中的流动及压降
(5 14)
s
• 修正摩擦系数： 150 f 1.75, R
M em
R
em
d u
s
t
0
dG 1 1 ( ) ( ), 1 1
0 3 2 s
(5 16);
em
•
p 1.75
u 1 ( ) L, ds
2 t 0
(5 17);
• ③若颗粒大小不均匀; • ④若 d 不够大时，应考虑壁效应的影响。 d （5-19）（5-20） •
t s
贵有恒何必三更眠五更起，最无益 只怕一日曝十日寒 与君共勉
D
P
P
贵有恒何必三更眠五更起，最无益 只怕一日曝十日寒 与君共勉
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5-4
固定床的物理特性：
③等比表面积圆球的直径：
6 6V d s S
s v P
P
;ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
S
形状系数：
S , S
P
S S V
v
p
p
6V D d d , S d ( ) , (5 7) D
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(5 10)
R 水力半径：
H
有效截面积 床层空隙体积 R 润湿周边 总润湿面积 S
H
e
贵有恒何必三更眠五更起，最无益 只怕一日曝十日寒 与君共勉
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5-4
固定床的物理特性：
• 四、固定床的空隙率及径向流速分布： 颗粒间的自由体积 • 定义： 空隙率 ， 整个床层体积 • 对床层压降、床层有效导热系数，比表面积影响大 • 的影响因素： f (颗粒形状，粒度分布， 表面粗糙度， • 充填方式，颗粒与容器 直径比) • •
：（SO2 氧化） 中间冷却（放热反应） 间接换热式 ：催化重整、乙苯脱氢 中间加热（吸热反应） 原料气冷激式: (大型装置氨、 甲醇合成) 冷激式非原料气冷激式 , (CO变换，过热水蒸气冷激 )
贵有恒何必三更眠五更起，最无益 只怕一日曝十日寒 与君共勉
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5-1气固相催化反应器的基本类型
• 固定床绝热式：
可逆放热反应（ CO中低度；CO M O 加氢； 单段：绝热温升较小， CO，CO2甲烷化）；t g ,入口 tc，起始活性，t g ,入口 tc，耐热； 线。 平衡曲线，最大温度曲 多段：二段，三段，四 段。径向；轴径向。反 应、换热间隔进行。
贵有恒何必三更眠五更起，最无益 只怕一日曝十日寒 与君共勉
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5-3
催化反应器的数学模型
• 数学模型分类情况： • 以最基础的一维、拟均相、平推流模型为基础，按 各类反应器实际情况，计入轴向返混、径向温差和浓 差、相间及颗粒内部的传质和传热，→List5-1。 • 处理具体问题时，应针对具体反应过程及反应器的 特点进行分析，选用合适的模型。
(5 15)
贵有恒何必三更眠五更起，最无益 只怕一日曝十日寒 与君共勉
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5-5
150 • ①当Rem<10（滞流）： R >>1.75
单相流体在固定床中的流动及压降
2 2
em
150 • ②当Rem>1000（完全湍流）： R <<1.75
(1 ) u p 150 L, d
5-1
气固相催化反应器的基本类型
贵有恒何必三更眠五更起，最无益 只怕一日曝十日寒 与君共勉
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5-2基本设计原则：
自学（要求）。二个条件，五个基本原则
• 5-3催化反应器的数学模型：
相 据反应动力学分：非均 （传递过程对反应速率 影响）； 化学动力学控制 拟均相 。 数学模型分类方法 活性校正系数 型；二维模型。 据床温分布分：一维模 据流动状况分：理想流 动模型； 非理想流动模型。
n i i 1 p i
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5-4
固定床的物理特性：
• 三、固定床的当量直径： 4 2 2 d 4R ( )d ( ) d S 3 1 3 1
e H s s e
p
•
(1 ) S 6(1 ) S V d
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第二节 固定床流体力学
• 5-4 固定床的物理特性：
• 一、非中空固体颗粒的相当直径与形状系数： • * 颗粒的相当直径： 6V • ①等体积圆球的直径： d ( )
P 1 3 P
• ②等外表面积圆球的直径： • S （固定床传热、传质中）
贵有恒何必三更眠五更起，最无益 只怕一日曝十日寒 与君共勉
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5-4
固定床的物理特性：
• 空隙率与径向流速分布： (r )、u（r） ~r:
贵有恒何必三更眠五更起，最无益 只怕一日曝十日寒 与君共勉
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5-5
单相流体在固定床中的流动及压降
• 一、流动特性： • 孔道几何形状相差甚大，相互交联、弯曲。孔道总 体积并非自由体积，死角处流体静止。旋涡数目多， 由滞流→湍流明显，有的滞流，有的湍流。 • 二、单相流体通过固定床的压降： • 将流体在空圆管中流动时的压降公式，加以合 理修正而成。 2 u 1 • * 公式: t 0
p 2 s p
(5 6);
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5-4
固定床的物理特性：
• 二、混合颗粒的平均直径及形状系数：
• *
• *
算术平均直径：
调和平均直径：
d x d , (5 8);
p i 1 i i
n
1 x , (5 9); d d
第五章
气－固相催化反应工程
贵有恒何必三更眠五更起，最无益 只怕一日曝十日寒 与君共勉
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第一节 概述
5-1气固相催化反应器的基本类型：
固定床（绝热式、连续换热式）； 流化床 固定床连续换热式：反应、换热同时进行
的甲醇合成、环氧乙烷 合成等) 外冷列管式：反应热大 中小型氨合成） 三套管并流冷管式：（ 外热管式：顶部烧咀； 侧型烧咀（烃类蒸气转 化）
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M
ds
(
) L,
(5 13);
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单相流体在固定床中的流动及压降
(5 14)
s
• 修正摩擦系数： 150 f 1.75, R
M em
R
em
d u
s
t
0
dG 1 1 ( ) ( ), 1 1
0 3 2 s
(5 16);
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•
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u 1 ( ) L, ds
2 t 0
(5 17);
• ③若颗粒大小不均匀; • ④若 d 不够大时，应考虑壁效应的影响。 d （5-19）（5-20） •
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5-4
固定床的物理特性：
③等比表面积圆球的直径：
6 6V d s S
s v P
P
;ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
S
形状系数：
S , S
P
S S V
v
p
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6V D d d , S d ( ) , (5 7) D
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(5 10)
R 水力半径：
H
有效截面积 床层空隙体积 R 润湿周边 总润湿面积 S
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5-4
固定床的物理特性：
• 四、固定床的空隙率及径向流速分布： 颗粒间的自由体积 • 定义： 空隙率 ， 整个床层体积 • 对床层压降、床层有效导热系数，比表面积影响大 • 的影响因素： f (颗粒形状，粒度分布， 表面粗糙度， • 充填方式，颗粒与容器 直径比) • •
：（SO2 氧化） 中间冷却（放热反应） 间接换热式 ：催化重整、乙苯脱氢 中间加热（吸热反应） 原料气冷激式: (大型装置氨、 甲醇合成) 冷激式非原料气冷激式 , (CO变换，过热水蒸气冷激 )
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5-1气固相催化反应器的基本类型
• 固定床绝热式：
可逆放热反应（ CO中低度；CO M O 加氢； 单段：绝热温升较小， CO，CO2甲烷化）；t g ,入口 tc，起始活性，t g ,入口 tc，耐热； 线。 平衡曲线，最大温度曲 多段：二段，三段，四 段。径向；轴径向。反 应、换热间隔进行。
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5-3
催化反应器的数学模型
• 数学模型分类情况： • 以最基础的一维、拟均相、平推流模型为基础，按 各类反应器实际情况，计入轴向返混、径向温差和浓 差、相间及颗粒内部的传质和传热，→List5-1。 • 处理具体问题时，应针对具体反应过程及反应器的 特点进行分析，选用合适的模型。
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150 • ①当Rem<10（滞流）： R >>1.75
单相流体在固定床中的流动及压降
2 2
em
150 • ②当Rem>1000（完全湍流）： R <<1.75
(1 ) u p 150 L, d
5-1
气固相催化反应器的基本类型
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5-2基本设计原则：
自学（要求）。二个条件，五个基本原则
• 5-3催化反应器的数学模型：
相 据反应动力学分：非均 （传递过程对反应速率 影响）； 化学动力学控制 拟均相 。 数学模型分类方法 活性校正系数 型；二维模型。 据床温分布分：一维模 据流动状况分：理想流 动模型； 非理想流动模型。
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固定床的物理特性：
• 三、固定床的当量直径： 4 2 2 d 4R ( )d ( ) d S 3 1 3 1
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(1 ) S 6(1 ) S V d
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第二节 固定床流体力学
• 5-4 固定床的物理特性：
• 一、非中空固体颗粒的相当直径与形状系数： • * 颗粒的相当直径： 6V • ①等体积圆球的直径： d ( )
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• ②等外表面积圆球的直径： • S （固定床传热、传质中）
贵有恒何必三更眠五更起，最无益 只怕一日曝十日寒 与君共勉
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固定床的物理特性：
• 空隙率与径向流速分布： (r )、u（r） ~r:
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5-5
单相流体在固定床中的流动及压降
• 一、流动特性： • 孔道几何形状相差甚大，相互交联、弯曲。孔道总 体积并非自由体积，死角处流体静止。旋涡数目多， 由滞流→湍流明显，有的滞流，有的湍流。 • 二、单相流体通过固定床的压降： • 将流体在空圆管中流动时的压降公式，加以合 理修正而成。 2 u 1 • * 公式: t 0