固定床流体力学概要
化学反应工程(第九章 气-液-固三相反应工程)
易于更换、补充失活的催化剂，但又要求催化剂耐磨损。 使用三相流化床或三相携带床时，则存在液-固分离的技术
问题，三相携带床存在淤浆输送的技术问题。
3. 气、液并流向上休系的操作流型 颗粒运动基本操作方式：固定床、膨胀床（悬浮床）、 输送床（携带床）。 液体介质的液固系统中固体颗粒终端速度ut：
采用多孔固体催化剂时，可以定义两 种润湿率： ①内部润湿或空隙充满率。 ②外部有效润湿率。
图9-6 催化剂颗粒间的 液囊和流动膜
4. 床层压力降
单相气体通过固定床的压力降与气体的流速和物性、催
化剂的粒径、形状及催化剂的装填状况等因素有关，可 用Ergun式作为计算固定床压降的基本方程。 并未计入破碎、积炭、物流中的固体杂物沉积和床层下 沉等因素致使随操作后期压力降增加，因此工业反应器 开工初期的压力降可称为床层固有压力降。 气、液并流下向下滴流床反应器的床层固有压力降，还 应考虑液体以液膜的形式在催化剂颗粒表面间流动形成
床层宏观反应动力学91气液固三相反应器的类型及宏观反应动力学92三相滴流床反应器93机械搅拌鼓泡悬浮三相反应器9497压力对三相悬浮床反应器操作性能的影响95气液并流向上三相流化床反应器96三相悬浮床中的相混合98气液固三相悬浮床反应器的数学模型99讨论与分析图95气液井流滴流床流动状态与操作条件气液并流向下固定床内气体和液体的流动状态可以分为稳定流动滴流区脉冲流动区和分散鼓泡区如图95流动状态一气液并流向下通过固定床的流体力学气液稳定流动滴流区当气速较低时液体在颗粒表面形成滞流液膜气相为连续相这时的流动状态称为滴流状
rA, g dNA/dVR k AG a(cAg c Aig ) kALa(cAiL c AL ) kAS Se(c AL c AS ) kwSeρ sw c AS ζ 向气－液界面传质速率 向液相主体传质速率 向催化剂外表面传质速 率 催化剂内的扩散 - 反应速率
固定床的特点及应用
蚀，无相变，温度范围200~ 350℃
3.熔盐：温度范围300℃～400℃，由无机熔盐KNO3、NaNO3、NaNO2按
一定比例组成，在一定温度时呈熔融液体，挥发性很小。但高温下渗
透性强，有较强的氧化性。
4.烟道气：适用于600～700℃的高温反应。
32
汽化 效率高 选择性提高
压力高
温度易控 投 资 大 设 备
其中以利用气态物质为反应物料，通过由固体催化剂所构 成的床层进行反应的气固相催化反应器在化工生产中应用最为 广泛。
固定床反应器 - 基本原理
• 又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用
以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒
径2～15mm左右,堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止 不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器及移动床反
特点：传热面积大，传热效果 好，易控制催化剂床层温度， 反应速率快，选择性高。 缺点：结构较复杂，设备费用高。 应用：能适用于热效应大的反应。
列管式固定床反应器
二〉换热式固定床反应器
✪列管式固定床反应器
热效应较大，不宜采用绝热式反应器，可采用换热式固定床反
应器。此设备如同列管式换热器，又称为列管式固定床反应器。
应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用
于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、 烃类蒸汽转化炉等。用于气固相或液固相非催化反应时，床层
则填装固体反应物。涓流床反应器也可归属于固定床反应器，
气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。
• 涓流床反应器，是固流床三相反应器之一。指在反应器中，气液成逆 流或气液向下并流，液体以薄膜形式与气体接触的三相床反应器。液 体流为非连续相由上而下流动。用于石油产品的加氢脱硫、脱氮、脱 钒、脱金属和加氢裂化，丙烯水合和废水处理等过程。滴流床的优点 是接触时间分布较窄，且可在进入反应区前脱除毒物。床内流动接近 平推流可获得高转化率；荷液量低，可减少加氢脱硫时油品热裂解， 缺点是低液流速率，液体与催化剂的比例较低，可能形成局部的温度 与浓度梯度，甚至不完全润湿，影响反应效果；径向传热差，易于局 部过热而导致失活；在催化剂颗粒较大、反应速率较快时，内扩散影 响会导致有效系数低落；长期操作中，积炭、污垢等会使催化剂孔口 堵塞，影响寿命。
fluent固定床的一种模拟方法
fluent固定床的一种模拟方法Fluent是一种流体力学仿真软件，可用于模拟各种工程问题，
包括气体和液体在固定床中的流动。
在固定床模拟中，Fluent可以提供准确的流体流动和质量传递解决方案。
固定床模拟是指在固定位置上的颗粒床中流体的运动。
它在许
多工程领域中都有广泛的应用，例如化工工艺、废水处理、碳捕
集和催化剂反应工程等。
通过模拟流体在固定床中的流动，可以
优化床层设计，改善传质效率，并提高工艺的可持续性和经济性。
实现固定床模拟的方法之一是使用Fluent软件。
Fluent提供了
一系列的物理模型和数值算法，可以准确地描述颗粒床中的流动
行为。
该软件允许用户定义床层的几何形状、颗粒属性和边界条件，并将其输入模拟中。
随后，Fluent会根据所选的模拟方案，对床层中的流体运动进行计算，并提供关于压降、速度分布和质量
传递等参数的详细结果。
为了准确模拟固定床流动，用户需要正确选择和定义模拟参数。
这些参数包括颗粒属性（如密度、粒径和形状）、流体特性（如
粘度和密度）、床层几何形状和边界条件。
用户还可以选择适当
的物理模型和数值方法，以便更准确地模拟床层中的流动。
根据
不同的应用需求，用户可以通过调整这些参数来优化模拟结果。
Fluent是一种用于模拟固定床流动的强大工具。
通过正确选择
和定义模拟参数，使用者可以准确地模拟床层中的流体运动，并
获得有关压降、速度分布和质量传递等参数的详细结果。
这种模
拟方法对于优化床层设计、改善传质效率和改进工艺可持续性非
常有益。
固定床反应器设计
孔隙率分布
4、流体在固定床中流动的特性
流体在固定床中的流动情况较之在空管中的流动要复杂得多。 固定床中流体是在颗粒间的空隙中流动，颗粒间空隙形成的孔道 是弯曲的、相互交错的，孔道数和孔道截面沿流向也在不断改变。
空隙率是孔道特性的一个主要反映。在床层径向，空隙率分布的 不均匀，造成流速分布的不均匀性。
催化剂微孔内的扩散过程对反应速率有很大的影响。反应物进入微孔后， 边扩散边反应。如扩散速率小于表面反应速率，沿扩散方向，反应物浓度 逐渐降低，以致反应速率也随之下降。采用催化剂有效系数对此进行定量 的说明。
实际催化反应速率 催化剂化剂内表面与外温度, 浓度相同时的反应速率
rP rS
结论：当 ≈1时，反应过程为动力学控制，当 ＜1时，反应过程为内
扩散控制。
内扩散不仅影响反应速率，而且影响复杂反应的选择性。如平行反应中， 对于反应速率快、级数高的反应，内扩散阻力的存在将降低其选择性。又 如连串反应以中间产物为目的产物时，深入到微孔中去的扩散将增加中间 产物进一步反应的机会而降低其选择性。
注意事项：
固定床反应器内常用的是直径为3~5mm的大颗粒催化剂，一般难 以消除内扩散的影响。实际生产中采用的催化剂，其有效系数为 0.01～1。因而工业生产上必须充分估计内扩散的影响，采取措施 尽可能减少其影响。在反应器的设计计算中，则应采用考虑了内扩 散影响因素在内的宏观动力学方程式。
外扩散过程
流体与催化剂外表面间的传质。
NA kcASe cGA cSA
在工业生产过程中，固定床反应器一般都在较高流速下 操作。因此，主流体与催化剂外表面之间的压差很小， 一般可以忽略不计，因此外扩散的影响也可以忽略。
结论：外扩散的影响也可以忽略。
固定床反应器操作与控制—固定床反应器的工作原理
固定床反应器内的流体流动
固定床反应器内的流体流动
1.催化剂颗粒的直径和形状系数
固体颗粒的直径是个重要的参数，在流体力学、传质、 传热研究中常常用到。催化剂颗粒可为各种形状状，如 球形、圆柱形、片状、环状、无规则 等。 催化剂的粒径大小，对于球形颗粒可以方便地用直径表 示；对于非球形颗粒，习惯上常用与球形颗粒作对比的 相当直径表示(通常有下述三种相当直径)，用形状系数 φs表示其与圆球形的差异程度。
固定床反应器内的流体流动
(1)体积相当直径dV
体积相当直径是以颗粒（非球型颗粒）体积相等的球体 的直径表示的颗粒直径。
固定床反应器内的流体流动
(2)外表面积相当直径
外表面积相当直径是以与颗粒的外表面积相等的球体的 直径表示的颗粒直径，在固定床传热及传质研究中常用 这种直径。
固定床反应器内的流体流动
(3)比表面积相当于直径ds
比表面积相当于直径是以与颗粒的比表面积相等的球体 的直径表示的颗粒直径，计算固定床压力降时常用这种 直径。这里的比表面积是指单位体积颗粒所具有的外表 面积，以S 表示。
固定床反应器内的流体流动
（4）形状系数
催化剂颗粒的形状系数定义为：球形颗粒的外表面积与 体积相同的非球形颗粒的外表面积之比。
对于球形颗粒φ =1，非球形颗粒 φ＜1， 值越大说 明颗粒的球形度越高
固定床反应器内的流体流动
2. 床层空隙率
空隙率是催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比， 可用下式进行计算。 ε=1-ρB/ρS
式中ε——床层空隙率； ρB——催化剂床层堆积密度，即单位体积催化剂床 层具有的质量，kg／m3。； ρS——催化剂的表观密度，即单位体积催化剂颗粒 具有的质量，kg／m3。
流体力学重点概念总结(参考模板)
第一章绪论表面力：又称面积力，是毗邻流体或其它物体，作用在隔离体表面上的直接施加的接触力。
它的大小与作用面积成比例。
剪力、拉力、压力质量力：是指作用于隔离体内每一流体质点上的力，它的大小与质量成正比。
重力、惯性力流体的平衡或机械运动取决于：1.流体本身的物理性质（内因）2.作用在流体上的力（外因）流体的主要物理性质：密度：是指单位体积流体的质量。
单位：kg/m3 。
重度：指单位体积流体的重量。
单位： N/m3 。
流体的密度、重度均随压力和温度而变化。
流体的流动性：流体具有易流动性，不能维持自身的形状，即流体的形状就是容器的形状。
静止流体几乎不能抵抗任何微小的拉力和剪切力，仅能抵抗压力。
流体的粘滞性：即在运动的状态下，流体所产生的阻抗剪切变形的能力。
流体的流动性是受粘滞性制约的，流体的粘滞性越强，易流动性就越差。
任何一种流体都具有粘滞性。
牛顿通过著名的平板实验，说明了流体的粘滞性，提出了牛顿内摩擦定律。
τ=μ(du/dy)τ只与流体的性质有关，与接触面上的压力无关。
动力粘度m：反映流体粘滞性大小的系数，单位：N•s/m2运动粘度n：ν=μ/ρ第二章流体静力学流体静压强具有特性1.流体静压强既然是一个压应力，它的方向必然总是沿着作用面的内法线方向，即垂直于作用面，并指向作用面。
2.静止流体中任一点上流体静压强的大小与其作用面的方位无关，即同一点上各方向的静压强大小均相等。
静力学基本方程: P=Po+pgh等压面：压强相等的空间点构成的面绝对压强：以无气体分子存在的完全真空为基准起算的压强 Pabs相对压强：以当地大气压为基准起算的压强 PP=Pabs—Pa（当地大气压）真空度：绝对压强不足当地大气压的差值，即相对压强的负值 PvPv=Pa-Pabs= -P测压管水头：是单位重量液体具有的总势能基本问题：1、求流体内某点的压强值：p = p0 +γh；2、求压强差：p – p0 = γh ；3、求液位高：h = （p - p0）/γ平面上的净水总压力：潜没于液体中的任意形状平面的总静水压力P，大小等于受压面面积A与其形心点的静压强pc之积。
反应器设计原理-第四章 固定床反应器-
(4-35)
颗粒表面与气流主体间传热问题的关键是决定给热系数。有 关给热系数可用传热j因子JH表达式计算。即
JH
h
2
Pr 3
cPG
这里推荐几个关联式：
Nu
hd P
1
0.5
Re 1
0.5
0.2
Re 1
2 3
Pr
1 3
JH
2.876
dPG /
0.3023
(d P G / ) 0.35
(4-18)
fm
1
4d p
6(1 )d t
150
Re
m
1
1.75 4d p
6(1 )d t
(4-20)
当dt/dp相当大时，6(14dp)dt 可以忽略，式(4-20)与式(4-14)一致。
4.2.4 影响固定床压力降的因素 影响固定床压力降的因素可以分为两个方面：一方面是属于流体的，
第二节 固定床反应器的流体力学
4.2.1 固定床的物理特性 1．催化剂颗粒的直径和形状系数 (1) 体积相当(当量)直径 d p 体积相当直径是以与颗粒(非球形颗粒)体积相当的球体的直径表
示的颗粒直径，由
Vp
6
d
3 p
可导出
dp
( 6V p )1/ 3
(4-1)
(2) 外表面积相当直径 d a
外表面积相当直径是以与颗粒的外表面积相等的球体的直径表示的 颗粒直径，在固定床传热及传质研究中常用这种直径。
4.2.5 床层压降对反应的影响 床层压降的变化，就是床层总压的变化，也即反应物料分压的变化。
显然，分压的变化对反应结果的影响是由反应动力学特征所确定的。
第三节 固定床床层内流体混合现象
列管式固定床床层高度计算公式
列管式固定床床层高度计算公式列管式固定床床层高度计算公式概述列管式固定床是一种常见的化工设备，在设计和操作中需要考虑床层的高度。
床层高度的合理选择对设备的效率和操作的安全性都有重要影响。
本文将列举几种常用的床层高度计算公式，并举例解释说明。
1. 简化公式床层高度计算的一种简化公式为：H = (V / (A * φ))^(1/3)其中，H为床层高度，V为床层体积，A为床层横截面积，φ为床层孔隙率。
示例假设某固定床的体积为1000 m^3，横截面积为10 m^2，孔隙率为。
H = (1000 / (10 * ))^(1/3) ≈ m因此，该固定床的合理床层高度约为 m。
2. 经验公式除了简化公式外，还存在一些经验公式可供参考。
Ergun公式Ergun公式是一种常用的床层压降计算公式，可用于估算床层高度。
ΔP/L = 150 * (1 - ε)^2 * ( * u / dp + 150 * (1 - ε)* u^2 / dp^2)其中，ΔP/L为单位长度床层压降，ε为床层孔隙率，u为气体流速，dp为颗粒直径。
示例假设某固定床的床层孔隙率为，气体流速为 m/s，颗粒直径为 m。
根据Ergun公式计算床层压降：ΔP/L = 150 * (1 - )^2 * ( * / + 150 * (1 - ) * ^2/ ^2)≈ Pa/m因此，在满足操作要求的最大床层压降为5000 Pa/m的情况下，该固定床的合理床层高度约为：H ≈ 5000 / ≈ m3. 其他因素在实际应用中，床层高度的选择还需考虑其他因素，如颗粒的堆积特性、气力输送性、液固分布、物料反应等。
结论本文列举了几种常用的床层高度计算公式，并给出了相关示例。
在实际应用中，需要综合考虑各种因素来确定合理的床层高度，以确保设备的效率和操作的安全性。
列管式固定床床层高度计算公式（续）4. 质量传递公式在某些情况下，为了满足质量传递的需求，床层高度的计算可以采用质量传递公式。
《固定床流体力学》课件
第一种模型，用于分析床内气动流动
二维模型
2
和物态转换过程。
第二种模型，用于描述床位上的气相
流动、颗粒间的气体移动和物质的扩
散。
3
三维模型
第三种模型是最复杂的，用于模拟流 体动力学领域的复杂流动现象。
固定床流体力学的实验方法
蛋白石床模型
蛋白石床模型是一种实验方 法，用于对流体在颗粒床中 的输运和分离过程进行研究。
固定床流体力学PPT课件
欢迎来到这门有趣且精彩的课程，我们将深入探讨固定床流体力学的应用与 基本原理。
什么是固定床流体力学？
概念
应用
原理
固定床流体力学是研究固体颗 粒与流体之间相互作用的科学。
该学科在石油、化工、冶金、 食品等行业中具有广泛的应用。
它以质量、动量守恒和能量守 恒定律为基础，通过数学模型 和实验方法研究物质的流动规 律。
固定床流体力学的基本原理
密集相和松散相
密集相和松散相的颗粒填充作为基本考虑因素，这是多数问题的共同点。
物料固定床流体力学。
流动规律和床层物料的运动
液体或气体流经物料时，它们的流动规律和床层物料的运动方式对湍流和粘性损失带来影响。
固定床流体力学的数学模型
1
一维模型
压力测量
压力测量是确定固定床流体 力学中床层物料密度分布和 气体速度的重要方法。
CT扫描技术
CT扫描技术可用于获得固定 床内部流体动态特性，提高 研究效率和数据可靠性。
固定床流体力学的应用领域
反应器设计
固定床流体力学在催化剂领域 具有重要应用，可为反应器设 计提供基础依据。
分离器性能
对气相和液相的分离，例如从 局部蒸汽压力提取物质，气质 色谱等具有非常广泛的应用。
流化床的流体力学特性
Re p
1000 : um2 f
sd p ( p f ) g 3 .............(112b)
1.75 f
m
1
s
2 mf
14,
1 mf
s2
3 mf
11.......1( 13)
8
二、临界流化速度
实测-为克服解锁的影响 ① ↓u，使床层自流化床缓慢恢复至固定床 ② 记下相应的气体流速、床层压降 ③ 在双对数坐标上标绘 ④ 按固定床区规律、流化床区规律各画延长线 ⑤ 两条直线的交点即临界流态化点
9
临界流化速度的实测 10
三、极限速度/终端速度
流体的极限速度=颗粒沉降时的终端速度
ut
[ 4gd p ( p f 3 f Cd
)1 ]2 m / s......1( 14)
Cd :阻力系数（是Re、s函数，实验求得）
已知Cd Re2p与Rep在s不同时的函数关系：
可求
Rep
4
二、固定床的压降
pm 150 (1 m )2 u 1.75 1 m f u2
Lm
3 m
(sd p )2
3 m
sd p
粘性损失：150
(1 m 3
m
)2
u (sd p )2Biblioteka 惯性损失：1.75
1
3
m
m
f u2 sd p
O
To T
P1 Po
17
d
3 p
f
(p f
2 f
)g
1.75
《固定床反应器》课件
原料气 催 化 剂
产物
4
多段绝热床反应器
l 实际是单段绝热式的改进型， 原料气 在段间设置热交换装置，既
保持了单段结构简单等优点，
每一段的过程完全类似于单 催
层式，又能在一定程度上调
化 剂
节反应温度。换热装置的设
置有多种方式，根据具体反
应选择。如CO与H2合成反应
器。
编辑ppt
产物
5
外热式固定床反应器
原料气 催化 剂
产物
编辑ppt
9
6.2 固定床中的传递过程
l 颗粒层的若干物理特性参数
(1) 催化剂密度表征 ① 颗粒密度(又称假密度) : 包括粒内微孔在内的全部颗粒的密度。
② 骨架密度(又称真密度) : 粒子骨架(包括粒内微孔)密度。
③ 床层密度 (又称堆密度) : 单位体积催化剂床层具有的质量。
差异程度(P162表6-1列出了一些粒子的球形系数)。
编辑ppt
12
④ 各种相当直径的关系
(6-6) (6-7)
则有： 所以有：
在固定床流体力学研究中，常采用比表面相当直径；在传热传质 研究中，常采用面积相当直径。
编辑ppt
13
⑤ 混合粒子的平均粒径：采用调和平均法计算
(6-8)
为直径为 的粒子所占的重量分率。
6-20)
为以单位质量催化剂来定义的反应速率 床层的比表面积，上式整理可得：
(
6-21)
称为传热数
对气相： Pr = 0.6~1.0 ；液相： Pr = 2~400
l 是传热数Q、Pr 、Re的函数，见P167 关联图6-12 。实际上，一 般 均很小，催化剂外表面与气流主体的温度可看作为近似相等。
反应器设计中的流体力学模型研究
反应器设计中的流体力学模型研究第一章：引言在化学工程领域中，反应器是一种用于进行化学反应的设备。
流体力学的研究在反应器设计中发挥着重要的作用，因为反应器中的反应需要流体的不断混合和传热现象。
流体力学模型可以帮助工程师了解流体在反应器内的行为，优化反应器的设计，并提高反应器的性能。
本文将介绍反应器设计中的流体力学模型研究。
我们将从不同类型的反应器开始，分析不同的流体力学模型，并讨论流体力学模型对反应器性能的影响。
同时，我们还将介绍一些工程实践中的案例，以说明流体力学模型研究在反应器设计中的实际应用。
第二章：批式反应器批式反应器是最简单的反应器之一。
在批式反应器中，化学反应在一个封闭的容器中进行，当反应达到预定程度时，反应混合料被排空。
批式反应器的设计取决于许多因素，包括化学反应速率和混合要求。
在批式反应器中，流体力学模型主要关注混合。
有许多混合模型可用于批式反应器，常见的有完全混合模型和不完全混合模型。
完全混合模型假设反应物在反应器内均匀地分布，混合完全。
该模型通常适用于低粘度液体。
与之相对，不完全混合模型得出的结果更加逼近实际操作中的情况，因为在真实反应器中，混合程度是不同的。
混合程度可以通过混合时间和混合系数来表示。
混合时间是指反应物达到均匀状态所需的时间。
混合系数是指反应物通过流体在反应器内混合的程度。
流体力学模型可以帮助工程师确定反应器设计参数，例如流动方式和叶片类型。
这些参数对混合时间和混合系数具有很大的影响。
第三章：连续流反应器与批式反应器相比，连续流反应器具有更高的流量、不间断的生产和更好的混合，因此被广泛应用。
在连续流反应器中，反应物和产物在反应过程中不断流过反应器，直到反应完成。
不同于批式反应器，连续流反应器的混合不是均匀的。
流体在反应器内的流动模式和速度分布对反应成分转换率和转化效率有很大影响。
在连续流反应器中，通常使用计算流体力学模型。
这些模型可以帮助工程师确定流体在反应器内的流动模式和速度分布。
颗粒床固定床的新型结构优化
颗粒床固定床的新型结构优化
颗粒床固定床是一种常见的反应器结构，其主要特点是将反应物料放置在固定的床层中，通过床层内的颗粒物料进行反应。
然而，传统的颗粒床固定床结构存在一些问题，如反应效率低、传质不均等。
因此，新型结构优化成为了研究的热点。
新型结构优化主要包括以下几个方面：
一、床层结构优化
传统的颗粒床固定床结构中，床层的颗粒物料通常是均匀分布的，这样会导致反应物料在床层中的传质不均，从而影响反应效率。
因此，优化床层结构是提高反应效率的关键。
一种常见的优化方法是采用多层床层结构，通过不同颗粒物料的分布，实现反应物料在床层中的均匀分布，从而提高反应效率。
二、颗粒物料优化
颗粒物料的大小、形状、密度等因素都会影响反应效率。
因此，优化颗粒物料的性质也是提高反应效率的重要手段。
一种常见的优化方法是采用多种颗粒物料混合，通过不同颗粒物料的互相作用，实现反应物料在床层中的均匀分布，从而提高反应效率。
三、流体力学优化
流体力学是颗粒床固定床反应器中的重要因素，其影响着反应物料
在床层中的传质和传热。
因此，优化流体力学也是提高反应效率的关键。
一种常见的优化方法是采用多孔介质，通过孔隙的大小和分布，实现反应物料在床层中的均匀分布，从而提高反应效率。
新型结构优化是提高颗粒床固定床反应器反应效率的重要手段。
通过优化床层结构、颗粒物料和流体力学等因素，可以实现反应物料在床层中的均匀分布，从而提高反应效率。
未来，随着科技的不断发展，新型结构优化将会得到更加广泛的应用。
第五章气固反应
第三节 固定床热量与质量传递过程
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 ) t m ：床层平均温度; tW ：器壁温度;
h0可由经验公式计算
h0 d p
d p e 2 (b) [a1 ] dt y
（适用范围：y > 0.2）
第五章 固定床气-固相催 化反应工程
覃吴
内
容
第一节 固定床气固相催化反应器的基本类型和数学模型
第二节 固定床流体力学
第三节 固定床热量与质量传递过程 第四节 绝热式固定床反应器 第五节 连续换热内冷自热式催化反应器 第六节 连续换热外冷及外热管式催化反应器
第七节 薄床层催化反应器
第一节 固定床气固相催化反应器的基本类型和数学模型
hrV
第三节 固定床热量与质量传递过程
颗粒的辐射给热系数： h
rs
3
Tm 2 hrs 0.227 [W/(m K)] 2 100
式中，
—— 粒子表面的热辐射率；
Tm —— 床层的平均温度； hrs —— 颗粒辐射给热系数；
—— 颗粒接触点处流体薄膜对导热的影响。
(3) 混合颗粒平均直径
n x d p =1/ ∑ i ) （ i= d i 1
(4) 固定床当量直径及空隙率 de=4RH=4/Se=2/3*(ε/1-ε)*ds (5)空隙率及径向流速 了解即可
第二节 固定床流体力学
2. 单相流体在固定床中的流动及压降 p (1) 流动(了解即可) 固定床压降表示： (2) 压降 2
绝 热 式 多段绝热式
非原料气冷激式 加压热水（＜240℃） 导热油（250~300 ℃） 熔盐（＞300 ℃）
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上式应用于固定床时，u0e应为流体在床层空隙中的 真正平均流速ue，圆管的直径应以固定床的当量直径de 代替，而管长则应以流体在固定床中的流动途径来代替。 将 ue u0 和 de ( 2 / 3 )[ε[ε1 ε)]ds， 代入式(5-12)，又考虑 到流体在固定床中的流动途径远大于固定床的高度 L， 并等于L的若干倍，则固定床的压力降可表示为 2 (5-13) ρ f u0 1 ε
单相流体通过固定床时要产生压力损失，主要来 自颗粒的黏滞曳力，即流体与颗粒表面间的摩擦，流 体流动过程中孔道截面积突然扩大和收缩，及流体对 颗粒的撞击及流体的再分布。低流速时，压力降主要 是由于表面摩擦而产生，高流速及薄床层中流动时， 扩大、收缩则起着主要作用。如果容器直径与颗粒直 径之比值较小，还应计入壁效应对压力降的影响。
5.2 固定床流体力学
固定床中进行催化剂反应时，同时发生传热及传质 过程，后两者又与流体在床层内的流动状况密切有关。 为了研究固定床中化学反应的宏观反应过程，进行合理 的反应器结构设计，必须先讨论固定床的传递过程，即 固定床中的流体力学、传热及传质问题。
一. 固定床的物理特性
1.非中空固体颗粒的当量直径及形状系数
p f M ds ε
3
L
式中u0—以床层不含内构件和所载固体的空截面积 Ac和 操作状态下气体体积流量计算的流速，或称表观流速， m/s；fM—修正摩擦系数。
经多种颗粒和工况的实验测定，修正摩擦系数 fM 与修正雷诺数的关系可表示如下 而
150 fM 1.75 Re M
ds f u0 1 dsG 1 ReM f 1 f 1
常用的非中空颗粒当量直径的表示方法有三种， 即等体积圆球直径、等外表面积圆球直径和等比外表 面积圆球直径。 若以Sp和Vp表示非中空颗粒的外表面积和体积， 按等体积圆球直径计算的当量直径可表示如下： (5-1) dV 6V p π 3 式（5-1）中Vp为与非中空颗粒等体积的圆球体积。
1
按等外表面积圆球直径计算的当量直径Dp可表示如 下： 1 Dp (S p ) 2 (5-2) 式（ 5-2 ）中 S p 为非中空颗粒等外表面积的圆球的外表 面积。 按等比外表面积圆球直径计算的当量直径 ds可表示 如下： (5-3) ds 6 Sv 6Vp Sp 式（5-3）中Sv Sv Sp Vp 为与非中空颗粒等比外表面积的 圆球比外表面积。
i 1
d（不计入接触而减少的表面 积）： S 1 ε S V 61 ε d (5-10) 水力半径：
e p p s
RH
有效截面积 床层的空隙体积 ＝ ＝ 润湿周边 总的润湿面积 Se
固定床的当量直径：
上述三种当量直径 dv 、 D p 、 d s 与形状系数间的相 互关系可表示如下
s d V d s 6Vp Sp
及
(5-6)
s dV Dp
2
(5-7)
2.混合颗粒的平均直径及形状系数
破碎成的碎块——形状不规则，大小也不均匀 算术平均直径 dp 为 n (5-8) di—两相邻筛孔净宽乘积的平方根；xi为直径di颗粒的质量 分数。 n x 1 i 调和平均直径 dp 为 (5-9) d p i 1 d i 在固定床及流化床的流体力学中，用调和平均直径较 为符合实验数据。大小不等形状各异的混合颗粒— s 由固 定床△P计算。
d e 4 RH
床层由中空颗粒，如单孔环柱体，多通孔环柱体等 组成时，不能使用式（5-11）。
4 2 d s (5-11) Se 3 1
4.固定床的空隙率及径向流速分布
与下列因素有关：颗粒形状，颗粒的粒度分布，
充填方式，dP /dt之比（壁效应）
图5-13表达了上述关系，当dT>>dP时，壁效应可不 计，一般工程上认为当di /dP≥8时，可不计壁效应。 图5-14（b）表示不同Re数时流体的径向分布，Re 大分布较平坦。
计算单相流体通过固定床颗粒层压力降的方法很多， 其中有许多都是利用流体在空圆管中流动时的压力降公 式，加以合理地修改而成。下面介绍其中的一个使用最 广泛的Ergun方法。流体在空圆管中作等温流动，且流 体密度的变化可不计时，压力降可表示为 2 ρ f u 0e L (5-12) p 4 f 式中：L—管长，m；d—圆管的内直径，m； f —流体的 密度， kg/m 3； u0e— 流体的平均流速， m/s； f— 摩擦系 p —压力降，N/m2。 数，量纲1数；
二. 单相流体在固定床颗粒层中的流动及压力降
1. 流动特性
固定床中，流体在颗粒物料组成的孔道中流动， 孔道相互交错联通、弯曲，各孔道的几何形状相差 甚大，孔截面积也很不规则且不相等。流体在固定 床中流动时，旋涡的数目比空管多，由滞留转入湍 流是一个逐渐过渡的过程。
2. 单相流体通过固定床颗粒层的压力降
(5-14) (5-15)
kg m s ；G—流体质量流率或质量通 式中 f —流体黏度， 量，kg m 2 s 。
当ReM<10时，处于滞流状况，式(5-14)中 150/ReM>>1.75，即式(5-13)可化简为 2 f u0 1 p 150 L (5-16) 3 2
则
再以SS表示与非中空颗粒等体积的圆球的外表面积，
(5-4) 因此，引入一个量纲1数 ，称为颗粒的形状系数， s 其值如下： (5-5) s Ss Sp
SS πdV
2
s =1；对于非球形颗粒，s 小于1。 对于球形颗粒， 形状系数说明了颗粒形状与圆球的差异程度。
形状系数 s 可由颗粒的体积及外表面积算得。非中 空颗粒的体积可由实验测得，或由其质量及密度计算。 形状规则的颗粒，例如圆柱形颗粒，其外表面积可由直 径及高求出；形状不规则的颗粒外表面积却难以直接测 量，这时可测定由待测颗粒所组成的固定床压力降来计 算形状系数。