反应器设计原理-第四章 固定床反应器-

4.2.3 固定床反应器的床层压力降
流体在空圆管中作等温流动时，当流体密度的变化可以忽略不计时，
P P0 PL
4f
L0 dt
f
u
2 0
2
(4-13)
当4-13式用于计算固定床层的压力降时，u0应为流体在床层孔道中的
真正平均流速u，而 u u0
，dt应为当量直径de，而
de
2 3
1
d
s
3. 换热式反应器 如图4-4所示 换热式反应器，属于非等温非绝热反应器，其 中尤以列管式反应器为多，它的结构类似于列 管式换热器。
图4-4 列管式固定 床反应器
列管式固定床反应器由于传热较好，管内温度和温度分布可以控制和调节， 主要应用于选择率或收率有一定要求的，热效应较大的反应系统。由于反 应器内既有反应过程又有传递过程，并有交联作用，造成了反应器放大设 计的复杂性，传热及温度 分布将成为列管式固定床反应器的主要技术 问题。 4. 自热式反应器
，管
长应以流体在固定床中的流动途径L来代替，而 L f L L0 ( f L 1) ，
由
Sp
d
2 a
可导出
da
Sp
1/ 2
(4-2)
(3) 比表面积相当直径 d s
比表面积相当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。
Sv
Sp Vp
6 百度文库s
ds
6 Sv
6Vp Sp
(4-3)
(4) 平均直径
按照反应气体在床层内的流动方向，固定床反应器中的气体流动可分为轴
向流动和径向流动。
1. 径向流动反应器如图4-3所示 径向流动催化床层中气体在垂直于反应器轴的
各个横截面上沿半径方向流动 这种反应器是由一个圆筒形外壳和两个有许多
小孔的内同心圆筒所构成。催化剂充填在两个内
同心圆之间的环隙空间内，气体则作半径方向流
动。气体流向可以由内圆筒往外圆筒，也可以由
外筒和内筒间的环隙，分布至各小孔后，径向地
通过催化剂层而达内圆筒。这里“分流”气体的
通道称为分流流道，汇集气体的通道称为集流流
道。由于流动方向的改变，径向反应器的流道则
由圆筒表面积提供。使流体通道截面积较大
图4-3 径向流动反应器
2. 轴向流动反应器 轴向流动反应器中气体流向与反应器的轴平行 径向反应器的优点 径向反应器的优点是流体流过的距离较短， 流道截面积较大，与轴向反应器相比，床层 阻力可大大降低。这样有可能为使用小颗粒 催化剂创造条件，而不致使床层压降过大。 径向流动反应器的结构比轴向反应器要 复杂。且存在着流体沿轴向乙烯均 匀分布的 问题。
~ dp
当颗粒的形状不规则，大小也不均匀时应采用平均直径。
① 统计平均平均直径
~
dp
n
xi di
i 1
(4-4)
② 调和平均直径
在固定床、流化床流体力学计算中常采用调合平均直径。
~
dp
1 n xi
d i 1 i
(4-5)
(5) 形状系数 s
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
即利用床层内设置冷管，使反应前后的物料在床层内自己进行热量交换， 如合成氨和合成甲醇反应器。 自热式反应器是将催化剂放置在管间，而管内是反应前的物料，与床层 内热的反应气体进行热交换而升高温度，同时降低床层温度，使其温度 分布更接近于最优温度分布。 自热式反应器的反应一般热效应都是不大的，所以能够做到自己热量平 衡。
率及单颗粒的体积Vp及外表面积Sp计算而得：
Se
(1 )S p
Vp
6(1 )
ds
按水力半径的定义：
RH
流道有效截面积 流道润湿周边长
床层的空隙体积 总的润湿面积
Se
(4-11)
因此，床层的当量直径
de
4RH
4
Se
2 3
1
ds
2 3
( 1
) sdp
(4-12)
4.2.2 固定床的流动特性 1、流动特性 2、气体的分布
第四章 固定床反应器
第一节 概 述
一.固定床反应器的型式 按其操作方法可分为绝热式和非绝热非等温式。 1.绝热式反应器 如图4-1 绝热式系指床层与外界环境的热交换可以忽略 不计。因此反应的热效应仅反映在反应混合物 温度的变化。 绝热式反应器结构简单，催化剂均匀地堆放在 搁板上，床层内没有任何传热装置。催化剂装 填料多，设备利用率高，同时放大时，只要采 用小试的最佳进口温度和组成，保持相同的停 留时间，并设计适当的气体预分布装置，以保 证气流在床层截面均匀分布。
非球形颗粒的外表面积之比，即
s
ss sp
(4-7)
2．床层空隙率
床层空隙率是指颗粒间自由体积(空隙体积)与整个床层体积(催化 剂堆积体积)之比，即
V空隙 V床层 V颗粒 1 V颗粒
V床层
V床层
V床层
1 B P
(4-9)
空隙率是催化剂床层的重要特性之一，对床层压力降、有效导热系 数和比表面积均有较大影响，因此空隙率的大小会影响流体的流动、传 质及传热。
图4-1 绝热床反应器
2.多段绝热床反应器 如图4-2
图4-2 多段绝热床反应器 (1) 图4-2(a)是在两段单层绝热反应器之间加换热器来调节温度，典型的 例子是乙苯脱氢制苯乙烯。 (2) 图4-2为几个反应器叠成一个反应器而将床层分成几段，段间设置换 热盘管，因这种换热装置效率不高，只适用于换热量要求不大的情况。 (3)图4-2中的(d)和(e)是中间冷激的方式，即直接在反应生成气中加入冷气 体，使温度下降，称为冷激。冷激气可以是原料气，也可以是惰性气体。
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。
空隙率的大小与催化剂颗粒的形状、粒度分布、颗粒表面的粗糙 度、颗粒直径与床层直径之比以及颗粒填充方式等有关。
3．固定床的当量直径
de = 4RH
(4-10)
RH可由单位体积床层中颗粒的润湿表面积计算得到。当不考虑颗粒
间相互接触而减少表面积时，床层中均匀颗粒的比表面积Se，即单位
体积床层中颗粒的外表面积，或颗粒的润湿表面积，可由床层的空隙