多相催化反应器的设计与分析
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r/dp
1.0
0.8
0.6
ε
0.4
0.2
鲍尔环 dt/dp=6.7/13.4
球
dt/dp=8.85 dt/dp=13.6
0 10 20 30 40 50 60 70
r/dp
固定床空 隙率的径 向分布
2.小结： 真实床层径向空隙率分布不均匀，在距壁面约1～2倍粒径
处，空隙率最大。 床层直径与颗粒直径之比越大，空隙率分布越均匀。 由于空隙率分布不均匀。造成径向流速分布不同于空管。
f
dt
(2)、径向传质 由于向上或向下运动的流体撞击到固体颗粒时产生再分散和 为了躲开固体颗粒而改变流体的流向所致。 当Re>20时，(Per)m=dpu/Dr=10 对于直径为dt的固定床层，若用N个混合釜串联来模拟其径 向混合情况： N=（dt/2dp)(Per)m=5 dt/dp
结论：
① N≠1，床层横截面上的浓度也就不可能均一，径向浓度剃度总 是存在，且随着dt/dp降低，N也降低。
② dt/dp＜5，床层内流体极不均匀，易造成流体的短路。 ③ Lr/dp足够大，固定床轴向返混可忽略，改变dt/dp使径向浓度分
布均匀很难。
小结
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。
轴向扩散：
对工业固定床反应器，大多数Lr/dp值远大于50，故 N Lr
（2）壁效应：壁面附近床层的空隙率总是大于床层内部，较 多的流体必趋向近壁处流过，使床层截面上流体分布不均匀。 （3）固定床压力降：流体流过固定床时所产生的压力损失。
1.0 0.8
0.6
ε
0.4
0.2
拉西环 dt/dp=13.4 圆柱 dt/dp=13.4
0 10 20 30 40 50 60 70
缺点： ① 固定床中的传热较差； ② 催化剂的更换必须停产进行。
流化床反应器的优缺点
优点：
缺点：
① 催化剂颗粒小，内扩散阻力小； ① 催化剂可反应器磨损严重；
② 传热效果好，温度易于控制； ② 返混严重；
③ 固体颗粒移进移出方便。
③ 放大效应显著。
7.1 固定床内的传递现象
7.7.1. 固定床内的流体流动 1.基本概念的介绍 （1）空隙率：颗粒群堆积成的床层的疏密程度。 ε=（床层体积-颗粒体积）/床层体积=颗粒间空隙/床层体积 影响因素：颗粒的大小、形状、粒度分布与充填方式。
二维非均相模型
平推流：不考虑轴向返混。
…………
带有轴向返混的模型：在平推流模型的 基础上叠加了轴向返混。
7.2 固定床反应器的数学模型
模型评述 • 考虑的因素越多，模型越复杂，模型参数就越多，模型参数
可采用活塞流模型表示等温固定床内气体的流动状况。
dp
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）
⑦ 流化床反应器
⑧ 实验室催化反应器
气－固相催化反应器的基本类型
气－固相催 化反应器
固定床 反应器
流化床 反应器
绝热式
换热式
多段绝热
单段绝热
内冷式
外冷(热)
固定床反应器优缺点
优点： ① 固定床中催化剂不易磨损； ② 床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，
可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产 能力。 ③ 由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因 此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大规模的化工生 产中尤为重要。
a
d
b
c
e
床层的传热可用径向有效导热系数er来表示，经验式较多； 壁膜传热系数hw无满意关联式。
固定床的径向传热系数的经验公式（包括径向传热和壁面 传热）：
球形颗粒：
ht dt 2.03Re0.8 exp( 6d p )
f
dt
圆柱形颗粒： ht dt 1.26 Re0.95 exp( 6d p )
际体系的差异。 根据不同的简化和假定，分为几种不同层次的模型。
7.2 固定床反应器的数学模型
对于固定床反应器，一般有以下模型： 一维：参数只随轴向位置而变。
一维拟均相平推流模型
二维：参数随轴向和径向位置而变
一维拟均相带有轴向返混的模型 拟均相：流相和固相结合，视为同一相
二维拟均相模型
非均相：流相和固相分别考虑。
为了消除壁效应，一般，管径与粒径之比应大于8。
Hale Waihona Puke Baidu
3.压力降计算公式
流 颗粒的粘滞曳力 动 阻 力 局部阻力
p
f
Lr
u
2
0
1
ds 3
f 150 1.75 Re
Re dsu0 1 1
ds
6Vp ap
影响最大的因素：u0、
7.1.2、质量和热量的轴向扩散
（1）R轴e 向d质pu扩散的10贝克莱Pe数m=2((P气e体a )m)/0.3d～Dpau1(液体)
径向扩散： N 5 dt
dp
7.2 固定床反应器的数学模型
1.概述
多物理场耦合： 多相反应器涉及到传热、化学反应、流体流动，是一个温度、浓度、压力 等物理场耦合的设备复杂设备。
模型化： 对于一个过程，进行合理的简化，利用数学公式进行描述，在一定的输
入条件下，预测体系输出的变化。 对同一个体系，根据不同的简化和假定，可以构造不同的模型。 不同的简化和假定，也决定了模型必然含有一些参数，以修正模型与实
（2）轴向热扩散的贝克莱数(Pea )h
d puC p ea
≈0.6（固定床）
（3）由轴向混合模型得出轴向返混等同于N个全混釜串联
N Lr dp
对于等温固定床，N>50，可当作活塞流 处理；
对于非等温固定床，一般N>150才能当 作活塞流
7.1.3、径向传质与传热
（1）径向传热 径向传热的热阻由两部分组成： 床层本身和器壁上的层流边界层。 床层传热方式： a.颗粒接触面的传导；b.相邻颗粒周围 边界层传导；c.颗粒间辐射；d.颗粒内 的传导；e.对流传热；
7 多相催化反应器的设计与分析
Design and Analysis of Multiphase Catalytic Reactor
7 多相催化反应器的设计与分析
Contents
① 固定床内的传递现象
② 固定床反应器的数学模型
③ 绝热式固定床反应器
④ 换热式固定床反应器
⑤ 自热式固定床反应器
⑥ 参数敏感性
1.0
0.8
0.6
ε
0.4
0.2
鲍尔环 dt/dp=6.7/13.4
球
dt/dp=8.85 dt/dp=13.6
0 10 20 30 40 50 60 70
r/dp
固定床空 隙率的径 向分布
2.小结： 真实床层径向空隙率分布不均匀，在距壁面约1～2倍粒径
处，空隙率最大。 床层直径与颗粒直径之比越大，空隙率分布越均匀。 由于空隙率分布不均匀。造成径向流速分布不同于空管。
f
dt
(2)、径向传质 由于向上或向下运动的流体撞击到固体颗粒时产生再分散和 为了躲开固体颗粒而改变流体的流向所致。 当Re>20时，(Per)m=dpu/Dr=10 对于直径为dt的固定床层，若用N个混合釜串联来模拟其径 向混合情况： N=（dt/2dp)(Per)m=5 dt/dp
结论：
① N≠1，床层横截面上的浓度也就不可能均一，径向浓度剃度总 是存在，且随着dt/dp降低，N也降低。
② dt/dp＜5，床层内流体极不均匀，易造成流体的短路。 ③ Lr/dp足够大，固定床轴向返混可忽略，改变dt/dp使径向浓度分
布均匀很难。
小结
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。
轴向扩散：
对工业固定床反应器，大多数Lr/dp值远大于50，故 N Lr
（2）壁效应：壁面附近床层的空隙率总是大于床层内部，较 多的流体必趋向近壁处流过，使床层截面上流体分布不均匀。 （3）固定床压力降：流体流过固定床时所产生的压力损失。
1.0 0.8
0.6
ε
0.4
0.2
拉西环 dt/dp=13.4 圆柱 dt/dp=13.4
0 10 20 30 40 50 60 70
缺点： ① 固定床中的传热较差； ② 催化剂的更换必须停产进行。
流化床反应器的优缺点
优点：
缺点：
① 催化剂颗粒小，内扩散阻力小； ① 催化剂可反应器磨损严重；
② 传热效果好，温度易于控制； ② 返混严重；
③ 固体颗粒移进移出方便。
③ 放大效应显著。
7.1 固定床内的传递现象
7.7.1. 固定床内的流体流动 1.基本概念的介绍 （1）空隙率：颗粒群堆积成的床层的疏密程度。 ε=（床层体积-颗粒体积）/床层体积=颗粒间空隙/床层体积 影响因素：颗粒的大小、形状、粒度分布与充填方式。
二维非均相模型
平推流：不考虑轴向返混。
…………
带有轴向返混的模型：在平推流模型的 基础上叠加了轴向返混。
7.2 固定床反应器的数学模型
模型评述 • 考虑的因素越多，模型越复杂，模型参数就越多，模型参数
可采用活塞流模型表示等温固定床内气体的流动状况。
dp
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）
⑦ 流化床反应器
⑧ 实验室催化反应器
气－固相催化反应器的基本类型
气－固相催 化反应器
固定床 反应器
流化床 反应器
绝热式
换热式
多段绝热
单段绝热
内冷式
外冷(热)
固定床反应器优缺点
优点： ① 固定床中催化剂不易磨损； ② 床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，
可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产 能力。 ③ 由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因 此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大规模的化工生 产中尤为重要。
a
d
b
c
e
床层的传热可用径向有效导热系数er来表示，经验式较多； 壁膜传热系数hw无满意关联式。
固定床的径向传热系数的经验公式（包括径向传热和壁面 传热）：
球形颗粒：
ht dt 2.03Re0.8 exp( 6d p )
f
dt
圆柱形颗粒： ht dt 1.26 Re0.95 exp( 6d p )
际体系的差异。 根据不同的简化和假定，分为几种不同层次的模型。
7.2 固定床反应器的数学模型
对于固定床反应器，一般有以下模型： 一维：参数只随轴向位置而变。
一维拟均相平推流模型
二维：参数随轴向和径向位置而变
一维拟均相带有轴向返混的模型 拟均相：流相和固相结合，视为同一相
二维拟均相模型
非均相：流相和固相分别考虑。
为了消除壁效应，一般，管径与粒径之比应大于8。
Hale Waihona Puke Baidu
3.压力降计算公式
流 颗粒的粘滞曳力 动 阻 力 局部阻力
p
f
Lr
u
2
0
1
ds 3
f 150 1.75 Re
Re dsu0 1 1
ds
6Vp ap
影响最大的因素：u0、
7.1.2、质量和热量的轴向扩散
（1）R轴e 向d质pu扩散的10贝克莱Pe数m=2((P气e体a )m)/0.3d～Dpau1(液体)
径向扩散： N 5 dt
dp
7.2 固定床反应器的数学模型
1.概述
多物理场耦合： 多相反应器涉及到传热、化学反应、流体流动，是一个温度、浓度、压力 等物理场耦合的设备复杂设备。
模型化： 对于一个过程，进行合理的简化，利用数学公式进行描述，在一定的输
入条件下，预测体系输出的变化。 对同一个体系，根据不同的简化和假定，可以构造不同的模型。 不同的简化和假定，也决定了模型必然含有一些参数，以修正模型与实
（2）轴向热扩散的贝克莱数(Pea )h
d puC p ea
≈0.6（固定床）
（3）由轴向混合模型得出轴向返混等同于N个全混釜串联
N Lr dp
对于等温固定床，N>50，可当作活塞流 处理；
对于非等温固定床，一般N>150才能当 作活塞流
7.1.3、径向传质与传热
（1）径向传热 径向传热的热阻由两部分组成： 床层本身和器壁上的层流边界层。 床层传热方式： a.颗粒接触面的传导；b.相邻颗粒周围 边界层传导；c.颗粒间辐射；d.颗粒内 的传导；e.对流传热；
7 多相催化反应器的设计与分析
Design and Analysis of Multiphase Catalytic Reactor
7 多相催化反应器的设计与分析
Contents
① 固定床内的传递现象
② 固定床反应器的数学模型
③ 绝热式固定床反应器
④ 换热式固定床反应器
⑤ 自热式固定床反应器
⑥ 参数敏感性