第五章 气固催化反应器..

5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床内的传递现象
固定床中的传质
U,c,T
反应气体与催化剂颗粒之间传质 两个 方面 催化剂颗粒内部的扩散传质
轴向传质
U,c+dc,T+dT
由Fick来描述：
N A DC
注意此时D包括了对流扩散与分子扩散， 其中对流扩散占主导。
5.1固定床反应器设计基础
床层压降
1 b 精确计算： P 3 b d p,s

L
0
f m u dl
2 0
气体流速随床层变化较大，且温度、浓 度改变致使流体的物理性质发生变化。 当颗粒不均匀时， 采用平均粒径：
d p,s ( wi / d pi ,s ) 1
1
1 2 当壁效应不能忽略时， ds 要修正颗粒直径： d p , s 3(1 b ) D
小 结
对工业固定床反应器，大多数Lr/dp值远大于50，故可采用活塞 流模型表示等温固定床内气体的流动状况。
非等温时，以Lr/dp值大于150作为准则较稳妥。
径向：
若用N个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动状况，则N 不可能为1，即径向浓度梯度总是存在。
减小dt/dp，则径向浓度梯度降低，但当dt/dp ＜5，则床内流动 极不均匀。（壁效应严重，且流体易短路）
rA T 0 xA
平衡温度Te时:
g( x A ) k e k0 exp( E / RTe ) f ( x A ) k e k0 exp( E / RTe )
5.1.1固定床反应器的数学模型
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ维模型
考虑轴向和径向的温度梯度和浓度梯度。
u
C A C A 1 C A Dr 2 rA l r r r
2T 1 T T GC p er 2 H r rA Z r r r
流化床反应器：床层颗粒在一定的范围，上下扰动， 就像水沸腾一样，故也称沸腾床。 移动床反应器：兼顾固定床与流化床的优点，催化 剂颗粒在不断地置换。
第五章 气固催化反应器
固定床反应器
特征：反应器内填充有固定 不动的固体颗粒。 可以是催化剂，也可以是固 体反应物。 适用于气固催化反应，固相 加工反应，应用非常广泛。
SV V0 / Vb
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床反应器的数学模型
已知空速和单位时间产量
由单位时间产量求原料消耗量； 若单一反应，则由产物产量及转化率求得关键组分的消 耗量； 若为复杂反应，则由产量、收率、转化率、选择性关联 求得关键组分的消耗量； 若原料不仅有关键组分，则根据原料配比求得其消耗量； 转化成标准体积流量，根据上述公式求得床层体积Vb。
第五章 气固催化反应器
固定床反应器催化剂体积计算
固定床催化剂动量衡算/传热/传质
多段绝热固定床反应器
换热式固定床反应器
流化床反应器/移动床反应器
第五章 气固催化反应器
特点：气体反应物在固体催化剂作用下生产气体产
物的催化反应过程。反应物与产物和催化剂容易分离。 固定床反应器：催化剂床层相对固定，反应流体近 似平推流。
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床反应器的数学模型
对于固定床反应器的设计，催化剂用量是一个 重要参数，与之关联的还要空速、时空产率以及生产 强度等，同时还要涉及催化剂性质、粒径、原料、流 速、温度压力、转化率等等诸多因素，往往采用经验 设计法。主要有： 已知空速Sv和原料气流量 空速定义为单位体积床层上通过气体体 积流量：
Rem d p,sG /[ (1 b )]
2
(1 b ) u0 p 150 L 3 2 b d p,s 2 1 b u0 p 1.75 3 L b d p,s
层流时， Rem<10 湍流时， Rem>1000
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床内的传递现象
5.1.1固定床内的传递现象
固定床中的传质 当不存在径向扩散 时，微元物平 当不能忽略径向扩 散，与器壁发生物 质交换和热量交换 包含了径向和轴 向的扩散系数
DA, a d 2C A dCA u rA 0 2 dl dl
2C A 1 C A 2C A C A D A, r ( 2 ) D A, a u rA 0 2 r r r l l
5.1.1固定床内的传递现象
颗粒床的特点 形状 系数 不规则形状颗粒与球形 颗粒的差异。
定义为等体积的颗粒与球形颗粒的外表 面积之比：
s Ss / S p 1
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床内的传递现象
颗粒床的特点 床层 空隙率 颗粒床层中空隙体积占 整个床层体积的比率
影响因素


列管式固定床反应器
第五章 气固催化反应器
绝热式固定床反应器
结构简单，造价低廉，适用 热效应不大或催化剂对温度 要求不高的反应
绝热式固定床反应器
第五章 气固催化反应器
自热式固定床反应器
以冷的原料作为载热体，使冷原料本身预热到反 应所需的温度，然后进入床层进行反应。使用前 提：放热反应，热量大致平衡。
二维模型
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床内的传递现象
固定床中的传质 当存在返混时， 由Peclet准数描述： 径向 轴向
Per d pu / DA,r
Pea d pu / DA,a
一般的，Pe=5~13，湍流时，Per=10； 气相反应，L/dp>100，Pea>2，忽略轴向 返混，按活塞流设计。
重要设计 参数
=
b
颗粒间空隙体积
床层体积
当dp/Db >1/8时， 壁效应可忽略
颗 粒 的 装 填 方 式
颗 粒 与 床 层 直 径 比
粒 度 分 布
颗 粒 形 状
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床内的传递现象
颗粒床的特点
通道截面积 床层空隙体积 RH 润湿周边 颗粒润湿表面积
固定床中的传热
ht的关联式
球形颗粒
ht dt
f
2.03Re
0.8
6d p exp d t
圆柱形颗粒
ht dt
f
1.26Re
0.95
6d p exp d t
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床内的传递现象
轴向：
等温时，若用N个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动状 况，则N等于50或更大。
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床内的传递现象
固定床中的传热
床层本身的导热 + 床层与器壁的对流传热 床层本身的导热热阻 径向有效导热系数er 关联式很多 靠近内壁的层流边界层 壁膜传热系数hw 无满意关联式
分析： 径向传 热包括
床层传热系数ht
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床内的传递现象
5.1固定床反应器设计基础
气固催化反应中的最佳温度 最佳反应温度:
E E r rA k f ( x ) k g ( x ) 0 T A A 2 RT 2 x A RT
E k E k 0 exp( E / RTopt ) g( x A ) E k E k 0 exp( E / RTopt ) f ( x A )
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床内的传递现象
固定床中的传热
对于均相反应器，外界 与反应器器壁的传热 反应器与冷却介质之 间的传热 当器壁内外换热面积变 化不大时 管径较小，内外换热 面积不能忽略时
q hA(T Tc )
q Kw A(T Tc )
1 1 1 K w ac w aw
5.1.1固定床反应器的数学模型
一维拟均相理想置换模型假定
只考虑轴向温度梯度和浓度梯度; 流体与催化剂在同一截面（径向）的浓度、温 度相同，按气相主体温度、浓度计算，为宏观反 应速率，传热系数为气膜传热系数； 固定床内的气体流动呈活塞流。
F A, d W
x
A
FA0dxA dRA rA * bdVB
第五章 气固催化反应器
固定床反应器的分类
单段绝热反应器
绝热反应器 换热反应器 自热式反应器 多段绝热反应器 列管式固定床反应器 径向反应塔
第五章 气固催化反应器
固定床催化反应器的设计
固定床催化反应器的拟均相 处理 固定床反应器的平推流特性 实际: – 死区和短路 – 轴向和径向浓度分布 – 动量损失 – 传热不良
xA VB dx A 0 r * FA0 A b
FA+dFA
1 b u02 dp fm dl b3 d p,s
GC p dT 4h T Tc dZ Db
GC p
dT ( H r )rA 4h(T Tc ) dZ
5.1固定床反应器设计基础
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床反应器的数学模型
对微元薄层dl，进行衡算：（稳态）
l FA
dFA dRA
dRA rA b Ab dl
dl
FA+dFA
设计方程：
dFA / dl rA b Ab
与均相反应器的设计方程极其 类似，故称之为拟均相模型。
5.1固定床反应器设计基础
边 界 条 件
l 0,0 r R, C A C A0 , T T0 C A T r 0,0 l L, 0, 0 r r C A T r R,0 l L, 0, er w (TR Tw ) r r
1/ AKw 1/ Ac ac / Amw 1/ Ab aw
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床内的传递现象
固定床中的传热
由于床层的存在，其传热过程更加复杂。 固定床的径向传热： 床层与器壁的传热 粒子与流体间的传热 粒内传热 往往采用各类 经验方程求解
热阻大 固 定 床 反 应 器 的 径 向 温 度 分 布
固定床 当量直径
b b d p,s RH (1 b )S p / Vp (1 b ) 6
2 b d e 4 RH ( )d p , s 3 1 b
4倍水力学半径表述非圆管 流动当量直径
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床内的传递现象
床层压降 颗粒的粘滞曳力
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床内的传递现象
颗粒床的特点
d p,V (6Vp / )1/ 3
粒径 （当量直径）
等体积当量 等面积当量
d p,a (S p / )1/ 2
d p,s 6Vp / S p
等比表面积当量
对于微小粒子，通常采用筛分 来表述粒子大小
5.1固定床反应器设计基础
流 动 阻 力
欧根 公式
回顾：
空管中流动阻力
局部阻力
2 Lu0 1 p f m d p , s 3
fm
150 1.75 Re
d s u0 1 Re 1
ds 6
Vp ap
u=u0/b
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床内的传递现象
床层压降 引入雷诺准数：
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床反应器的数学模型
已知单位时间产量W和反应器生产强度S
反应器生产强度定义为单位体积催化剂床 层在单位时间内生产目标产物的量：
Vb W / St
应当注意的是，上述各参数的设计计算，是建立在 实验或者有类似条件的反应器可以借鉴的情况下， 进行的；对于新开发的反应过程，经验法存在较大 的缺陷和风险，必须建立反应器的物料平衡、能量 平衡、动量平衡以及动力学等数学模型，才能对反 应器各个参数精确地设计计算
5.1固定床反应器设计基础
5.1.1固定床内的传递现象
床层压降 欧根公式对于无相变、密度变化不大 的体系是比较精确的。 应当 注意 而影响床层阻力的因素包括催化剂颗 粒形状、床层内部的压力梯度、物料 相变与颗粒的粒度分布等。
压降是影响床层的重要参数，增大空隙率能 够改变床层压降，但是影响反应器的填充率， 采用规整床层能有效解决上述问题。