chap 6 气固固定床反应器

球形体积： V 球形体积： S =
π
6
d ⇒
3
6VS பைடு நூலகம் π
1 3
= dV
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等 外表面积当量直径 ： ( 非球形颗粒折合成相 外表面积当量直径： 同外表面积的球形颗粒应当具有的直径） 同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积： S 球形外表面积： S = πd ⇒
2
SS π
=1.898×105 Pa
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（四）固定床内径向传递
（A）径向传热 过程：包含两个串联传热过程（近似） 过程：包含两个串联传热过程（近似）：床层内 传热和器壁与层流边界层之间的传热 型式：流体之间的对流、导热和辐射； 型式：流体之间的对流、导热和辐射；颗粒之间 的热传导、 的热传导 、 辐射和颗粒内以及颗粒接触面处的 热传导等 简化：床层视为均一， 简化：床层视为均一，传热情况以傅立叶定律描 述 （ λ er ） ； 床层外沿与器壁间的传热以牛顿冷 却定律描述（ 却定律描述（hw） （A）径向传质 与修正彼克列准数Per=dPum/Er有关 19
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反应器设计基本原则 反应器设计基本原则 1、 设计基础点：根据工艺条件和工程实际， 设计基础点：根据工艺条件和工程实际， 用反应工程观点确定最佳工艺操作条件 2、催化床类型和结构要适宜：涉及制造、 催化床类型和结构要适宜：涉及制造、 检修和催化剂装卸等 3、反应器内件设置要合理：床层结构、内 反应器内件设置要合理：床层结构、 管布置、流体分布、 管布置、流体分布、测温测压元件布置等 4、机械结构要可靠：如高温高压下的机械 机械结构要可靠： 强度和温差应力等
推导过程
l u2 化工原 ：− ∆p = λ ⋅ ⋅ ⋅ ρg 理 de 2 dp 1 u2 ⇒− = λ ⋅ ⋅ ⋅ ρg dl de 2
dp / dl : 单位床 层高上 的压力强 变化 度 ；
ρg：气相密度； u：流体实际流速（空隙流速）
常以空 塔气速 表示 ： m = u ⋅ε B u de：当 量床层 直径（ 水力 直径 ） 流 通截面 积 4εB de = 4⋅ = 润 湿周边 (1−ε B )SV
2 1−ε B ρgum ∆P 150 − = +1.75 3 ε d L Rem B s 由此 可见 ，床层 空隙率的大 小对 流动 和压 降的影 响极 16 大
在内径为50mm的管内 床层压降计算实例， 床层压降计算实例，例6－1：在内径为50mm的管内 装有4 高的催化剂层，催化剂的粒度分布如下表所示。 装有 4m高的催化剂层 ， 催化剂的粒度分布如下表所示。 44。 催化剂为球体， 催化剂为球体，空隙率εB＝0.44。在反应条件下的气体密 46kg/m s) ， 度 ρ g=2.46kg/m3 ， 粘度 µ g=2.3×10-5kg/(m⋅s)， 气体的质量 s)。求床层压降。 流速G 流速G=6.2kg/(m2⋅s)。求床层压降。 粒度 ds/mm 质量分率 w 3.40 0.60
式中：Rem : 修正的雷诺数，Rem = um：平均流速(空塔气速) ds : 颗粒当量直径
µg (1−εB )
dsumρg
L：床层高度
ρg : 气体密度
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εB：床层空隙率
可用来计算床层压力分布； 可用来计算床层压力分布； 如果压降不大，在床层各处物性变化不大， 如果压降不大，在床层各处物性变化不大，可 视为常数，压降将呈线性分布（大多数情况） 视为常数，压降将呈线性分布（大多数情况）
1 2
= da
等 比表面积当量直径 ： ( 非球形颗粒折合成相 比表面积当量直径： 同比表面积的球形颗粒应当具有的直径） 同比表面积的球形颗粒应当具有的直径）
SS πd 2 6 VS 6 球形比表面积： S 球形比表面积： V = = 3 = ⇒ dS = =6 VS πd d SV SS 6
混合粒子的平均直径： 混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子直 径的加权平均） 径的加权平均）
反应器设计基本条件 反应器设计基本条件
基础数据： 热力学数据（如平衡常数、 ♣ 基础数据 ： 1） 热力学数据 （ 如平衡常数 、 热 效应等） 基本物性数据（ 效应等）；2）基本物性数据（Cp、µ、λ、DAB等） 动力学数据： 本征动力学； 宏观动力学； ♣ 动力学数据：1）本征动力学；2）宏观动力学； 3）颗粒参数；4）传递参数 颗粒参数；
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（ ）计算床层压降 3
2 1−ε B ρgum 150 L +1.75 3 - ∆p = R ε d em B s 150 1−εB G2 L = +1.75 3 R ε d ρ em B s g 2 6.2 150 1− 0.44 ×4 = +1.75 3 −3 1901 0.44 (3.96×10 ) ×2.46
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（二）颗粒定型尺寸
定型尺寸： 最能代表颗粒性质的尺寸为颗粒的当 定型尺寸 ： 量直径。 对于非球形颗粒， 量直径 。 对于非球形颗粒 ， 可将其折 合成球形颗粒， 以当量直径表示。 合成球形颗粒 ， 以当量直径表示 。 方 法有三，体积、外表面积、 法有三，体积、外表面积、比表面积
等 体积当量直径 ： ( 非球形颗粒折合成同体积 体积当量直径： 的球形颗粒应当具有的直径） 的球形颗粒应当具有的直径）
4
（三）反应器设计数学模型
均相反应器设计： 一维） 均相反应器设计：PFR和CSTR（一维） 非均相反应器数学模型分类 非均相反应器数学模型分类
根据动力学分：拟均相、 ♣ 根据动力学分：拟均相、非均相 根据考虑的空间维数分： ♣ 根据考虑的空间维数分：一维模型和二维模型
拟均相：反应属于化学动力学控制，催化剂颗粒表 拟均相：反应属于化学动力学控制， 面、内部、外部浓度均一，传递阻力可忽略，计算 内部、外部浓度均一，传递阻力可忽略， 过程与均相一样，称为“拟均相” 过程与均相一样，称为“拟均相”模型——不单独 考虑催化剂的存在，仅计及一个反应源项即可。 考虑催化剂的存在，仅计及一个反应源项即可。
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(1−εB )Ss 颗 润 比 面 ：Se = 粒 湿 表 积 Vs 有 截 积 床 空 效 面 层 隙体 积 εB 水力 半径 RH = ： = = 润湿 周边 总 润 面 的 湿 积 Se 而比 当量 径 ds = 6 / SV 直 ： ⇒ 2 εB de = 4RH = ⋅ ⋅ ds 3 (1−εB )
总之， 总之，气-固催化反应器设计应考虑：动 固催化反应器设计应考虑： 力学、流动过程、传递过程和动量过程 力学、流动过程、
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6.3 流体在固定床内的流动特性
气体自上而下流过床层 催化剂床层内的流动是 通过颗粒之间的空隙 进行的，易达到湍流 ，但与圆管内的流动 状况不完全相同 基本单元： 基本单元：装有固体颗 粒的均匀直圆管
xi 1 x1 x2 1 = + +L = ∑ ⇒ dm = L dm d1 d2 di ∑(xi di )
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（三）流体通过床层的压力降
气体流动通过催化剂床层的压力降通常采用厄根 (Ergun)方程计算： 方程计算：
2 150 1−ε B ρgum ∆P − = +1.75 3 ε d L Rem B s
'
150 +1.75 λ与Rem的经验关联式： λ = Rem
2 150 1−ε B ρgum dP 得Ergun 方程 − ： = +1.75 3 ε d dl Rem B s
如果 流体通 过床层 时的温度 变化不 ，压 大 降相对 较小 ， 床层 填充 匀， 均 则方 解为 程
6 气固相催化反应固定床反应器
工业反应过程涉及的基本问题
反应器内存在物质：反应介质、 反应器内存在物质：反应介质、 催化剂、 催化剂、以及内部构件等 传递过程： 总体流动、 传递过程 ： 总体流动 、 粒内传递 和化学反应— 温度、 浓度分布， 和化学反应 — 温度 、 浓度分布 ， 气相压降， 气相压降，转化率及催化剂用量 反应器性能（ 能力、 效率、 反应器性能 （ 能力 、 效率 、 参数 敏感性等） 上述因素的综合， 敏感性等 ） — 上述因素的综合 ， 是无数个催化剂个体与反应器内 物料流动和传递过程的综合， 物料流动和传递过程的综合 ， 详 细描述需要建立相关的数学模型
1 u2 dp 将 e、 m代 式− = λ ⋅ ⋅ ⋅ ρg中 d u 入 得 dl de 2 ⇒
' 2 umρg 1−εB dp − = λ' ⋅ ⋅ 3 dl ds εB
3 其中 λ = λ = f (Rem) ： 4
Rem − 修正 雷诺 数 准
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Re =
'
deuρg
µg
2 dsumρg 2 = ⋅ Rem = ⋅ 3 µg (1−ε B ) 3
−1
4.60 0.25
6.90 0.15
1 解：（）求颗粒的平均直径
−1 xi 0.60 0.25 0.15 ∑ = ds = + + = 3.96mm 3.40 4.60 6.90 di 2 （ ）计算修正雷诺准数
dsG 3.96×10−3 ×6.2 Rem = = =1901 −5 µg (1−ε B ) 2.3×10 (1− 0.44)
若不考虑壁效应， 装填有均匀颗粒的床层， 若不考虑壁效应 ， 装填有均匀颗粒的床层 ， 其空隙率与颗粒大小无关
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边壁效应（沿壁效应） 边壁效应（沿壁效应）：靠近壁面处的空隙率 比其它部位大 为减少壁效应的影响， 为减少壁效应的影响，要求 床 层 直径 至 少要 大 于颗 粒直径的8 粒直径的8倍以上
6.2 催化反应器的数学模型