第六章 固定床

φyss
As Ap
≤1
3
ds φyssdv (φys)s2da
A
28
• 对于大小不等的混合颗粒，平均直径可用调和平均法 计算。
d p = 1/（
n xi d i 1 i
）
x i 为 d i 的颗粒所占的质量分率。
A
29
➢ 平均直径
n
算术平均直径： d xWidi i1
调和平均直径：
1 n xWi
顆粒直径处，ε最大，而床层中心ε较小。 • 称为壁效应。
A
32
• 空隙率的大小－形状，粒度分布，颗粒表面粗糙度， 颗粒直径与床层直径之比以及颗粒充填方法等有关。
• 大小均一光滑的球型颗粒有规则排列堆积时，最大 空隙率0.476（立方格排列），最小0.2585，湍流 时后者的压力降比前者大20倍。
A
所引起的。
A
43
水力半径
• 湿周---在总流的有效截面上，流体与固体壁面的接 触长度称为湿周，用字母L表示。
• 水力半径---总流的有效截面积A和湿周L之比。用字
母RH表示
RH = A / L
A
44
• 对于圆形截面的管道，其几何直径用水力半径表示 时可表示为
• A=(1/4)×πd2 • L=πd • 则 R=A/L=(1/4)×d → d = 4 R
d
d i1 i
几何平均直径：
di
didi
A
30
6.2.3 床层空隙率及分布
固定床层是由许许多多的催化剂颗粒堆积而成的， 床层空隙率是表征床层结构的主要参数。 ε－颗粒间自由体积与整个体积之比。
A
31
1) 床层空隙率分布
• 固定床中同一横截面上的空隙率是不均匀的。 • 对粒度均一的颗粒构成的固定床，在距器壁1～2倍
了解床层内部的温度分布， 必须引进床层内部和床层与器避之间的传热计算。
A
53
6.3.1 床层对壁总给热系数
• 在一维模型中，床层径向温度被认为是相同的。 床层热阻和壁膜热阻合并作为一个热阻来考虑
A
54
床层对壁总给热系数（利瓦式）
A
55
例5.1邻二甲苯氧化制苯酐，系放热反应，采用列管 式固定床反应器，列管内径为25mm，催化剂粒径 为5mm，流体导热系数为0.1877，粘度为0.033， 密度为0.53，表观质量流速为9200，试计算床层对 壁总给热系数。
A
35
2) 空隙率与催化剂直径的关系
• dp/dt愈大, 空隙率愈大。
A
36
6.2.4 流体在固定床中流动特性
• 径向混合：由于流体在流动过程中不断撞击到颗 粒上发生流股的分裂而造成的。
• 轴向混合可理解为：流体沿轴向依次流过一个由颗 粒间隙形成的串联的小“槽”后，由于突然扩大而 减速形成混合。
A
5
• . (1) 绝热式固定床反应器 － 结构简单，造价低廉， 但适用热效应不大或催化剂对温度要求不高的反应。
(2) 换热式固定床反应器
• 列管式固定床反应器－管内装填催化剂，反应物料自 上而下通过床层；管间为载热体，以维持所需的温度
条件。
• (3) 自热式固定床反应器－ 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。
• 自身换热器－在反应器内，以原料气为换热介 质，通过管壁与反应物料换热，以维持反应温度 的反应器称自身换热器。
A
13
换热式反应器
以列管式为多
传热效果好，温度易控，用于附加值高、原料 成本高、不易分离的场合。
A
14
• 传热所用的载热体视所需控制的温度范围而异，控制温 度为100~200℃时用（水蒸气）或（高压气水混合物） 加热；控制温度为200~250℃时用（道生油）加热；
当单纯作为换热装置时，以床层的平均温度tm与 管壁温差为推动力-----总给热系数αt
A
52
反应的热传递过程:
1. 反应热有催化剂颗粒内部向外表面传递； 2. 反应热由催化剂外表面向流体主体传递； 3. 反应热少部分由反应后的流体沿轴向带走, 主要部分由径向通过催化剂和流体构成的床层 传递到反应器器壁由载体热带走； 上述的每一传热过程都包括着 传导，对流和辐射三种传热方式，
A
56
6.3.2 床层有效导热系数和表观壁膜给热系数
二维模型需要考虑径向温度分布。在计算径向温度分布时， 通常把固定床径向传热的热阻看成是由两部分组成：一是
。 床层本身，另一是器壁上的层流边界层
1. 有效导热系数λer :
定义：
A
57
有效导热系数λe
轴向λel 径向λer
1）平推流的一维模型 2）有轴向返混的一维模型 3）同时考虑径向混合和径向温差的二维模型。
A
41
2. 非均相模型
考虑床层中粒子与流体间温度与浓度的差别。
A
42
6.2.5 流体流过固定床层的压力降
• 当流动状态为层流时，以摩擦阻力为主； • 摩擦阻力ΔP1：由于流体颗粒表面之间的摩擦产生。
• 当流动状态为湍流时，以局部阻力为主。 局部阻力ΔP2：流体在孔道内的收缩、扩大及再分布
A
9
多段固定床绝热反应器
Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅲ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅳ
Ⅳ
产品
(a)
(b)
(c)
（a)间接换热式；（b）原料A 气冷激式；（c）非原料气冷激式 10
绝热床反应器
典型例子是乙苯脱氢制苯乙烯。 水蒸汽作用：可安全地加热到高温。热容量大， 可带入大量显热，还起稀释作用、清除积炭。
A
11
主要内部构件: 气体入口分布器, 段间多孔排管式分布器
4. 堆积密度 -又称填充密度，是对催化反应床层而 言。即当催化剂自由地填入反应器中时，包括床 层中的自由空间，每单位体积反应器中催化剂的 质量。记为，单位可用g/cm3、g/l或kg/m3表示。
A
23
6.2.2 催化剂颗粒直径, 形状系数
形状－球形、圆柱形、环形、无规则等
对于非球形颗粒，常用于球型颗粒作对比的相当 直径表示。
• 控制温度为300~400℃时用（无机熔盐）；控制温度为 600~700℃时，只能用（烟道气）加热。
A
15
• 强放热反应控温措施： • 1、激冷式、同样粒度的惰
性物质来稀释催化剂、分段 稀释，分段调节流量等。
• 2、复合床。先理想混合型， 后为理想置换型。
反应级数愈高, η愈低; 转化率愈高, η愈低。
颗粒直径来表示非球形颗粒的直径。比表面积为：
球形:
sv
d
2 s
1 6
d
3 s
6 ds
非球形比表面积 S v= A p/ V p
ds
6 sv
6v p AP
（5.3）
在固定床中常采用体积相当直径; 在传热介质研究中采用表面相当直径。
A
27
形状系数: 球形颗粒的外表面积与体积 相同的非球形颗粒外表面积之比。
一部分物料由反应器顶部气体入口分布器进入; 另一部分物料由反应器催化剂两段之间加入。 物料沿径向做到浓度均匀、温度均匀、速度均匀 ，获 得均匀的流量分配 。
A
12
2．换热式－对外换热式, 自动换热式
• 对外换热式－以各种载热体为换热介质。 • 注: 载热体温度与反应温度之差不宜过大，以免
造成靠近管壁的催化剂失效。
A
19
1-原料气进口；2-上头盖； 3-催化剂列管；4-下头盖； 5-反应气出口；6-搅拌器； 7-笼式冷却器
以熔盐为载热体的示意图
A
20
径向固定床催化反应器示意图 甲苯歧化制苯就采用径向反应器
提高催化剂有效系数； 减少床层压降
A
21
6.2 固定床反应器内的流体流动
6.2.1 催化剂的物理性状
第六章 固定床和流化床
A 合成氨工业
1
本章内容
• 1. 固定床反应器的特点及类型
• 2. 催化剂颗粒参数
• 3. 流体在固定床中流动特性
• 4. 固定床中的传热
• 床层对壁总给热系数
• 床层有效导热系数和表观壁膜给热系数
• 流体与催化剂颗粒间给热系数
• 5. 固定床中的传质与混A 合
2
能力目标：
• 即圆形截面的管道几何直径为4倍的水力半径。 • 对于与圆形管道相类比，非圆形截面管道的当量直
径de也可以用4倍的水力半径表示 de = 4 A / L = 4 R
A
45
• 流体在空圆管道中等温流动时，计算压力降的公式为： • 欧根式：
A
46
A
47
A
48
当ReM<10 层流时, 磨擦损失为主, f≈150/Re , 略去第二项;
A
37
固定床中流速分布
床层中部ε分布较均匀, 流速 也较均匀, 离壁1~2dp处, ε大, 流速最大。 dt/dp愈大, 流速分布愈均匀。
A
38
固定床流体流动模型
• 一部分为流体以平均流 速沿轴向做理想置换的 流动，
• 另一部分为流体的径向 和轴向的混合扩散，包 括分子扩散和涡流扩散。
床层内径向混合示意图
•
前提：放热反应，热量大致平衡。
A
6
传热要求和传热方式:
1．绝热式 单段绝热式－
适用于反应热效应较小; 反应温度允许波动范围较宽; 单程转化率较低。
特点：结构简单，空间利用率高，造价低。
A
7
有多层绝热
两个绝热层间加换热器 在层间加换热盘管 用外加物料中间直接冷激 用原料气中间冷激
A
8
（a)间接换热式；（b）原料气冷激式；（c）非原料气冷激式
A
39
➢ 流体在固定床中的流动的复杂性 在床层径向，流速分布不均匀，滞流、过渡流、湍
流同时存在,径向、轴向返混同时存在。 ➢ 使气体分布均匀的办法
a.使催化剂各部位阻力相等。 b.采用气体分布器。如分布锥、分配头、设栅板等。 c.附加导流装置。
A
40
数学模型
1.拟均相模型 忽略床层中粒子与流体间温度与浓度的差别。
1. 比表面积 -指每克催化剂的表面积.
2.
m2/m3:单位体积的催化剂所具有的表面积。
•
m2/g:单位质量的催化剂所具有的表面积。
2. 空隙率 -指催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体 积之比，用ε表示。
A
22
3. 表观密度 -又称假密度或颗粒密度，即包括催化 剂颗粒中的孔隙容积时，该颗粒的密度，记为， 单位为g/cm3。
当ReM>1000 湍流, 局部阻力损失为主, f≈1.75 , 略去第一项
结论： 对ΔP影响最大的是ε和u
A
49
P f '(um 2 )(1B)
L
dS B3
f ' 1501.75 ReM
一般床压不宜超过床内压力的15%，所以颗粒不
能太细，应做成圆球状。
A
50
➢ 压降的计算 ΔP=ΔP1+ ΔP2
如: 乙烯氧化制环氧乙烷，乙苯脱氢制苯乙烯； 许多强放热反应，如丙烯胺氧化制丙稀腈等。
A
4
优点： ①催化剂不易磨损。 ②床层极薄和流速很低，床层内流体流动→ 平推流，较少量催化剂可获较大生产能力。 ③有利于达到高的选择性和转化率。
缺点： ④传热性能较差。 ⑤催化剂再生更换不方便。
固定床内固体－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
A
16
甲醇氧化的薄层反应器
A
17
1-催化剂 2-冷却器
列管式固定床反应器 以加压热水作载热体的固定床反应装置示意图 1-列管上花板；2-反应列管；3-膨胀圈； 4-汽A水分离器；5-加压热水泵 18
载热体 : 冷却水，加压水， 道生油混合物，熔盐， 烟道气
以道生油作载热体的装置示意图
1-列管上花板；2、3-折流板； 4-反应列管；5-折流板固定棒； 6-人孔；7-列管下花板； 8-载热体冷却器
A
24
1．体积相当直径，即体积相同的球形颗粒直径 来表示非球型颗粒直径。
1
ddｖv
6v
p
3
（6.1）
v p ——非球形颗粒的体积。
A
25
2．面积相当直径，即采用外表面积相同的球形颗粒 直径来表示非球形颗粒直径
1
da
百度文库
Ap
2
（6.2）
A p ——非球形颗粒的外表面积。
A
26
3．比表面相当直径，采用比表面积相同的球形的
= 15fu 0 OG L 0(1)21.75fuO 2 G L 0(1)
dS 2
3
dS
3
Pa
式中混合物的粘度
1
yi
fi M
2 i
f
1
yiM
2 i
A
kg/m.s
51
6.3 固定床中的传热
传热包括： 粒内传热，颗粒与流体间的传热，床层与器壁的传热
给热系数 αP 给热系数αW ,λer 总给热系数α t
• 能分析固定床的反应与传质传热规律 • 能掌握固定床反应器的操作控制要领 • 能利用所学固定床反应器知识，在固定床反应器生
产中发生异常事故时能够分析问题和解决问题。
A
3
6.1 概述 定义：反应物料呈气态通过由静止的催化剂
颗粒构成的床层进到反应装置，称为气固 相固定床催化反应器，简称固定床反应器。
33
空隙率径向分布不均匀 传质、传热不均匀
床层直径与颗粒直径之比
A
34
• 拉西环，鲍尔环等非球形颗粒所充填的床层，同一截 面上的ε值，除壁效应影响可及的范围外，都是均匀的；
• 球形或圆柱形颗粒，ε值除壁效应可及的范围外，还在 一平均值上下波动。
• 床层直径与颗粒直径之比越大，ε的分布越均匀，通常 所指的床层空隙率是指床层平均空隙率。