6固定床反应器.pptx

反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器1第六章第六章 固定床反应器固定床反应器 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器21.定义：凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置。固体催化剂颗粒堆积起来所形成的固定床层静止不动，气体反应物自上而下流过床层，进行反应的装置称作固定床反应器。6.1 概述概述 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器3 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器4 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器5 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器6对外换热式反应器对外换热式反应器乙炔法合成氯乙烯反应为放热反应109kJ/mol，利用高位槽或加压泵强制循环换热，水温靠调节阀控制压力来调节。气体自上而下流过床层气体自上而下流过床层催化剂床层内的流动是通过颗粒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，之间的空隙进行的，易达到湍流，与圆管内的流动状况不完全相同与圆管内的流动状况不完全相同 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器7固定床反应器固定床反应器热载体：水、高压水：100300导生油：200350熔盐：300500烟道气：600700特点：换热效果好、床温均匀，但结构较复杂。应用：热效应大、温度要求均匀控制的场合 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器8二、二、固定床反应器的优缺点固定床反应器的优点：固定床反应器的优点：1 1、催化剂不易磨损。、催化剂不易磨损。2 2、固定床层内的气相流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选、固定床层内的气相流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性；择性；3 3、可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力；、可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力；4 4、结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂；、结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂；5 5、反应器的操作方便、操作弹性较大。、反应器的操作方便、操作弹性较大。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器9固定床反应器的优缺点相对于流化床反应器，固定床反应器缺点：催化剂颗粒较大，有效系数较低；催化剂床层的传热系数较小，容易产生局部过热；催化剂颗粒的更换费事，不适于容易失活的催化剂。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器10三、固定床反应器类型u固定床反应器形式多种多样，按床层与外界的传热方式分类，可有以下几类：绝热式固定床反应器，多段绝热式固定床反应器，列管式固定床反应器，自热式反应器。）反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器11固定床反应器类型1.绝热式固定床反应器 u反应器外壳包裹绝热保温层，使催化剂床层与外界没有热量交换。中空圆筒的底部 放置搁板，上面堆放固体催化剂。气体从上而下通过催化剂床层。u结构简单，床层横截面温度均匀。单位体积内催化剂量大，即生产能力大。但只适用于热效应不大的反应。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器12原料气产物催化剂催化剂绝热式固定床反应器 固定床反应器类型 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器13固定床反应器类型1、绝热式固定床反应器可分为轴向反应器和径向反应器。(1)轴向绝热式固定床反应器u如图(a)所示。这种反应器结构最简单，实际上是一个容器，催化剂均匀堆置于床内，预热到一定温度的反应物料自上而下流过床层进行反应，床层同外界无热交换 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器14固定床反应器类型(2)径向绝热式固定床反应器u如图(b)所示。径向反应器的结构较轴向反应器复杂，催化剂装载于两个同心圆构成的环隙中，流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动。u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，床层阻力降较小。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器15固定床反应器类型（a）（b）反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器16固固定定床床反反应应器器类类型型 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器17固定床反应器类型2.多段绝热式固定床反应器u热效应大，常把催化剂床层分成几段(层)，段间采用间接冷却或原料气（或惰性组分）冷激，以控制反应温度在一定的范围内。u图(c)是用于SO2转化的多段绝热反应器，段间引入冷空气进行冷激。对于这类可逆放热反应过程，通过段间换热形成先高后低的温度变化，提高转化率和反应速率。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器18间接换热间接换热原料冷激原料冷激非原料冷激非原料冷激多段固定床绝热反应器多段固定床绝热反应器原料原料原料原料冷冷激激剂剂原料原料产品产品产品产品产品产品 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器19固定床反应器类型 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器20固定床反应器类型3.列管式固定床反应器u热效应较大，不宜采用绝热式反应器，可采用换热式固定床反应器。此设备如同列管式换热器，又称为列管式固定床反应器。u 如图(d)所示，反应器由多根反应管并联构成，管径一般为2530，管数可达万根以上。管内装催化剂，传热介质流经管间进行加热或冷却。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器21固定床反应器类型 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器22固定床反应器类型列管式固定床反应器具有良好的传热性能，单位床层体积具有较大的传热面积，可用于热效应中等或稍大的反应过程。反应器由成千上万根“单管”组成。一根单管的反应性能可以代表整个反应器的反应效果，因而放大设计较有把握，在实际生产中应用比较广泛。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器23列管式固定床反应器 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器24固定床反应器类型列管式反应器优点：传热较好，管内温度较易控制；返混小、选择性较高；只要增加管数，便可有把握地进行放大；对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物料来稀释催化剂适用:原料成本高，副产物价值低以及分离不是十分容易的情况。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器25固定床反应器类型 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器26固定床反应器类型4、自热式反应器u采用反应放出的热量来预热新鲜的进料，达到热量自给和平衡，其设备紧凑，可用于高压反应体系。u但其结构较复杂，操作弹性较小，启动反应时常用电加热。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器27逆流并流不同流向的自热式固定床反应器的轴向温度分布示意图 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器28逆流逆流并流并流反应器温升快，且下降也快反应器温升快，且下降也快相反相反热点靠近反应器进口热点靠近反应器进口热点靠近反应器出口热点靠近反应器出口反应后期易过冷反应后期易过冷前期升温较慢，后期易过热前期升温较慢，后期易过热可逆放热反应可逆放热反应不可逆放热反应不可逆放热反应 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器29四、传热介质传热介质的选用根据反应的温度范围决定，其温度与催化床的温差宜小，但又必须移走大量的热，常用的传热介质有：1.1.沸腾水：沸腾水：温度范围100300。使用时需注意水质处理，脱除水中溶解的氧。2.2.联苯醚、烷基萘为主的石油馏分：联苯醚、烷基萘为主的石油馏分：粘度低，无腐蚀，无相变，温度范围200350 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器30传热介质3.3.熔盐：熔盐：温度范围300400，由无机熔盐KNO3、NaNO3、NaNO2按一定比例组成，在一定温度时呈熔融液体，挥发性很小。但高温下渗透性强，有较强的氧化性。4.4.烟道气：烟道气：适用于600700的高温反应。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器31固定床反应器的分类固定床反应器的分类固定床固定床反应器反应器不同不同的传的传热要热要求和求和传热传热方式方式绝绝热热式式二段二段三段三段四段四段冷激式冷激式反应反应特征特征单段绝热式单段绝热式段间反应段间反应气冷却或气冷却或加热方式加热方式中间间接换热式中间间接换热式多段绝热式多段绝热式原料气冷激式原料气冷激式非原料气冷激式非原料气冷激式换换热热式式列管式反应器列管式反应器自热式自热式加压热水（加压热水（240）导热油（导热油（250300）熔盐（熔盐（300）反应气的反应气的流动方向流动方向轴向流动固定床反应器轴向流动固定床反应器径向流动固定床反应器径向流动固定床反应器 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器32二、二、固定床反应器的优缺点固定床反应器的优点：固定床反应器的优点：1 1、催化剂不易磨损。、催化剂不易磨损。2 2、固定床层内的气相流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选、固定床层内的气相流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性；择性；3 3、可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力；、可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力；4 4、结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂；、结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂；5 5、反应器的操作方便、操作弹性较大。、反应器的操作方便、操作弹性较大。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器33固定床反应器的优缺点相对于流化床反应器，固定床反应器缺点：催化剂颗粒较大，有效系数较低；催化剂床层的传热系数较小，容易产生局部过热；催化剂颗粒的更换费事，不适于容易失活的催化剂。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器34原料气产物催化剂催化剂绝热式固定床反应器 固定床反应器类型 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器35间接换热间接换热原料冷激原料冷激非原料冷激非原料冷激多段固定床绝热反应器多段固定床绝热反应器原料原料原料原料冷冷激激剂剂原料原料产品产品产品产品产品产品 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器36固定床反应器类型 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器37列管式固定床反应器 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器38逆流并流不同流向的自热式固定床反应器的轴向温度分布示意图 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器39固定床反应器类型（a）（b）反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器40固固定定床床反反应应器器类类型型 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器416.2固定床的传递特性固定床的传递特性气体在催化剂颗粒之间的孔隙中流动，较在管内流动更容易达到湍流。气体自上而下流过床层。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器426.2 固定床中的传递过程固定床中的传递过程6.2.1 粒子直径和床层空隙率粒子直径和床层空隙率定型尺寸：最能代表颗粒性质的尺寸为颗粒的当量直径。对定型尺寸：最能代表颗粒性质的尺寸为颗粒的当量直径。对于非球形颗粒，可将其折合成球形颗粒，以当量直径表示。于非球形颗粒，可将其折合成球形颗粒，以当量直径表示。主要有三种表示：体积相当直径、外表面积相当直径和比表主要有三种表示：体积相当直径、外表面积相当直径和比表面积相当直径。面积相当直径。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器43一、颗粒直径的表示方法一、颗粒直径的表示方法 1、表示方法、表示方法体积相当直径体积相当直径面积相当直径面积相当直径比表面相当直径比表面相当直径式中：式中：SV=ap/Vp，颗粒的比表面积颗粒的比表面积ap 与非中空颗粒等外表面积的圆球外表面积与非中空颗粒等外表面积的圆球外表面积Vp 非中空颗粒等体积的圆球体积非中空颗粒等体积的圆球体积注意：三种方法的计算结果不同注意：三种方法的计算结果不同 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器44 (1)(1)描述颗粒形状描述颗粒形状 颗粒的球形度颗粒的球形度 表明表明：颗粒形状接近于球形的程度；，则颗粒越接近于球形。球形颗粒球形颗粒：球形颗粒非球形颗粒 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器45 颗粒的比表面积颗粒的比表面积 a说明说明：V相同时，a，则颗粒越接近球形。a 与与关系：关系：球形颗粒比表面积：球形颗粒比表面积：反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器46例例 1边长为边长为L=4mm的正方体颗粒的正方体颗粒求：求：dv,ds,da,a解：解：反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器47dv,ds,da三者关系三者关系 dadvds 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器48 混合颗粒的特性参数混合颗粒的特性参数 (1)颗粒的筛分尺寸颗粒的筛分尺寸 标准筛：标准筛：有不同的系列，常用泰勒标准筛。筛号筛号(目数目数)：每英寸长度筛网上的筛孔数目；筛过量筛过量：通过筛孔的颗粒量；筛余量筛余量：截留于筛面上的颗粒量。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器49颗粒的筛分尺寸颗粒的筛分尺寸 筛分尺寸与颗粒特性参数的关系筛分尺寸与颗粒特性参数的关系颗粒颗粒不是明显的长或短不是明显的长或短：颗粒在某方向上略长颗粒在某方向上略长：(2)颗粒群的平均特性参数颗粒群的平均特性参数 平均比表面积：平均比表面积：di-1didi+1di+2 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器50 颗粒群的等比表面积当量直径颗粒群的等比表面积当量直径 颗粒床层的特性颗粒床层的特性 (1)床层空隙率床层空隙率 定义：定义：床层中，空隙所占体积分率。表明表明：床层堆积的松散程度；，空隙越大，床层越松散；对流体流过床层的阻力影响很大。Lu 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器51 影响床层空隙率的因素影响床层空隙率的因素 （a）装填方法：装填方法：干装 湿装（b）颗粒特性的影响颗粒特性的影响 颗粒形状：颗粒形状：靠壁面处：靠壁面处：粒径分布粒径分布：空隙率测量空隙率测量-充水法、称量法 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器52非球形颗粒的形状系数非球形颗粒的形状系数物料物料形状形状s物料物料形状形状s鞍形填料鞍形填料0.3砂砂0.75拉西环拉西环0.3各种形状平均各种形状平均尖状尖状0.65烟道尘烟道尘球状球状0.89硬砂硬砂尖片状尖片状0.43聚集态聚集态0.55砂砂圆形圆形0.83天然煤灰天然煤灰大至大至 10mm0.65砂砂有角状有角状0.73破碎煤粉破碎煤粉0.75碎玻璃屑碎玻璃屑尖角状尖角状0.65 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器53二、床层空隙率二、床层空隙率床层床层空隙率：空隙率：粒子间的空隙所占床层容积的分率粒子间的空隙所占床层容积的分率式中式中 床层堆积密度；床层堆积密度；颗粒视密度。颗粒视密度。注意：颗粒视密度与真密度之注意：颗粒视密度与真密度之间的区别。间的区别。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器54颗粒视密度颗粒视密度又称颗粒密度。即单个颗粒的密度。若单个催又称颗粒密度。即单个颗粒的密度。若单个催化剂颗粒质量为化剂颗粒质量为m，颗粒体积为，颗粒体积为V粒粒，则视密度，则视密度p=m/V粒粒 床层堆积密度床层堆积密度是单位体积颗粒床层的固体质量，颗粒床层体积是颗粒体是单位体积颗粒床层的固体质量，颗粒床层体积是颗粒体积与颗粒之间空隙的总和。若催化剂质量为积与颗粒之间空隙的总和。若催化剂质量为m，堆体积为，堆体积为VB，则堆密度，则堆密度B=m/VB。同一种颗粒，其真密度不变，但当床层的空隙率不同时，同一种颗粒，其真密度不变，但当床层的空隙率不同时，颗粒床层的堆密度不同。颗粒床层的堆密度不同。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器55固定床的空隙率是颗粒物料层中颗粒间自由体积与整个床固定床的空隙率是颗粒物料层中颗粒间自由体积与整个床层体积之比，它是固定床的重要特性之一。空隙率对流体层体积之比，它是固定床的重要特性之一。空隙率对流体通过床层的压力降、床层的传热都有重大的影响。通过床层的压力降、床层的传热都有重大的影响。颗粒形状、颗粒的粒度分布、充填方式、颗粒直径与容颗粒形状、颗粒的粒度分布、充填方式、颗粒直径与容器直径之比都影响空隙率。固定床中同一截面上的空隙器直径之比都影响空隙率。固定床中同一截面上的空隙率也不相同，近壁处较大，中心处较小。一般工程上认率也不相同，近壁处较大，中心处较小。一般工程上认为当为当床层直径与颗粒直径之比达床层直径与颗粒直径之比达 8 时，可不计时，可不计壁效应壁效应。壁效应壁效应影响是指靠近器壁的空间结构与其他部分有很大差别，器壁处的流动状况、传质、传热状况与主流体中也有很大差别。当采用实验规模的小型设备研究传质、传热、反应的规律时，器壁的影响远比大型设备为大。6-9填充床的空隙率填充床的空隙率床层空隙率床层空隙率B光滑均一光滑均一光滑非均一光滑非均一粘土粘土球形球形圆柱形圆柱形不规则不规则光滑均一光滑均一刚玉均一尺寸刚玉均一尺寸1/4 英寸陶质拉西环英寸陶质拉西环熔融刚玉熔融磁铁铝砂 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器57三、固定床的当量直径三、固定床的当量直径1、床层比表面、床层比表面式中，式中，np 单位体积床层中颗粒的个数。单位体积床层中颗粒的个数。B床层空隙率床层空隙率 Vp 非中空颗粒等体积的圆球体积非中空颗粒等体积的圆球体积 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器582、床层当量直径、床层当量直径式中，式中，RH 水力半径。水力半径。床层的空隙体积床层的空隙体积总的润湿面积总的润湿面积有效截面积有效截面积润湿周边润湿周边根据水力半径的定义有：根据水力半径的定义有：反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器593、固定床的径向流速分布、固定床的径向流速分布尽管在近壁处空隙率较大，但壁摩擦阻力使流速将低到尽管在近壁处空隙率较大，但壁摩擦阻力使流速将低到接近接近0。一般工程上认为当床层直径与颗粒直径之比。一般工程上认为当床层直径与颗粒直径之比dt/ds=8 时，可不计壁效应。时，可不计壁效应。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器60按混合颗粒的平均直径计算离壁距离按混合颗粒的平均直径计算离壁距离床层空隙率床层空隙率B010.80.40.51 1.5 2 2.5 2 3.5 4 4.5 5距壁距壁4个颗粒直径处，床层空隙率和流个颗粒直径处，床层空隙率和流速分布趋平坦，因此一般工程上认为当速分布趋平坦，因此一般工程上认为当床层直径与颗粒直径床层直径与颗粒直径 之比值达之比值达 8 时可时可不计壁效应。不计壁效应。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器61空管内层流空管内层流空管内空管内湍流湍流填充层内液体填充层内液体流动流动填充层内填充层内气体流动气体流动102 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器626.2.2 床层压降床层压降床层压降床层压降是固定床反应器设计的重要参数，要求床层压是固定床反应器设计的重要参数，要求床层压降不超过床内压力的降不超过床内压力的15%。气体流动通过催化剂床层的压力降厄根气体流动通过催化剂床层的压力降厄根(Ergun)方程计算方程计算式：式：摩擦系数摩擦系数 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器63修正雷诺数：修正雷诺数：um 平均流速平均流速(空床气速空床气速)；L 床层高度；床层高度；、流体的密度和粘度流体的密度和粘度；ds 比表面当量直径。比表面当量直径。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器64Rem1000，湍流，上式中右边第一项可忽略。，湍流，上式中右边第一项可忽略。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器65式中：式中：dp 体积相当直径；体积相当直径；质量流速。质量流速。fm和和n可由图可由图6-11查取。查取。常用的常用的p计算公式：计算公式：图图6-11 固定床的摩擦系数固定床的摩擦系数推导推导在化工原理中：在化工原理中：de：当量床层直径dp/dl：床层高向的压强变化：流体密度u：实际流速，通常以空塔气速um=u/B表示 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器68 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器69 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器70 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器72影响固定床压力降的因素影响固定床压力降的因素流体流体流体的密度流体的密度流体的粘度流体的粘度流体的质量流率流体的质量流率床层床层床层的高度床层的高度床层的空隙率床层的空隙率流通截面积流通截面积颗粒颗粒颗粒的形状颗粒的形状颗粒的粒度颗粒的粒度颗粒的表面粗糙度颗粒的表面粗糙度颗粒的物理特性颗粒的物理特性床层直径与颗粒直径之比床层直径与颗粒直径之比 dt/ds 0.2）：床层平均温度：床层平均温度;：器壁温度：器壁温度;反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器110b无量纲数均为无量纲的b的函数 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器111hW 壁面处对流给热系数；壁面处对流给热系数；适用范围：适用范围：由图由图6-16查得。查得。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器112图图 6-16求求h0 例如：当例如：当b12.98时，时，分别对应分别对应5.02和和0.25b 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器1136.2.4 固定床中的传质与混合固定床中的传质与混合由于催化剂表面存在滞流边界层，气流主体浓度与催化由于催化剂表面存在滞流边界层，气流主体浓度与催化剂颗粒表面浓度存在差异。在滞流层内有浓度差，必然剂颗粒表面浓度存在差异。在滞流层内有浓度差，必然存在扩散。存在扩散。一、颗粒与流体间的传质系数一、颗粒与流体间的传质系数单位体积（或质量）催化剂上着眼组分A的传质速率 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器114整个传质方程的核心，总包了各种条件对传质的影响。由实验关联式计算。关联式之一：反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器115传质因子：传质因子：JD实验关联式：实验关联式：气相密度：气相密度 ;：气体质量流率：气体质量流率 ;：气相粘度：气相粘度 ;：气相分子扩散系数：气相分子扩散系数 ;JD是雷诺数的函数是雷诺数的函数 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器116um：平均流速：平均流速(空床气速空床气速)；g、g：气体的密度和粘度；：气体的密度和粘度；ds：比表面当量直径。比表面当量直径。当修正雷诺数在：当修正雷诺数在：反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器117Sc为施密特准数为施密特准数 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器118比表面当量直径：单颗催化剂的外表面积折合成直径为比表面当量直径：单颗催化剂的外表面积折合成直径为dS的球形颗粒应有的外表面积。的球形颗粒应有的外表面积。传质对反应的影响传质对反应的影响达姆科勒数 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器119Da为反应速率与扩散速率的比值，反映了体系中外扩散为反应速率与扩散速率的比值，反映了体系中外扩散的影响程度。数值越大，或反应速率越快，外扩散的影的影响程度。数值越大，或反应速率越快，外扩散的影响就越大。响就越大。对一级反应对一级反应 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器120 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器121特殊情况：特殊情况：反应速率常数反应速率常数k比传质系数比传质系数kg大得多，则颗粒外表面处大得多，则颗粒外表面处A的浓度为零，属外扩散控制。的浓度为零，属外扩散控制。反应速率常数反应速率常数k比传质系数比传质系数kg小得多，则颗粒外表面处小得多，则颗粒外表面处A的浓度与气相主体浓度相等，属内扩散或动力学控制，的浓度与气相主体浓度相等，属内扩散或动力学控制，外扩散可不予考虑。外扩散可不予考虑。传热因子传热因子传质因子传质因子：气相密度：气体质量流率：气相粘度：气相分子扩散系数JD是雷诺数的函数施密特准数 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器123由传质和传热的类比原理有由传质和传热的类比原理有上式在缺少数据时用来推算数据十分有用上式在缺少数据时用来推算数据十分有用.无论是传质或是传热系数无论是传质或是传热系数,增加质量速率增加质量速率G都可以加快流都可以加快流体和催化剂外表面间的传递速率体和催化剂外表面间的传递速率,但相应的床层压降也但相应的床层压降也增加增加.外扩散速率外扩散速率,内扩散速率内扩散速率,表面反应速率的相对大小是决表面反应速率的相对大小是决定反应控制步骤的关键定反应控制步骤的关键.反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器124外扩散过程对表面温度的影响外扩散过程对表面温度的影响由传质计算可得：由传质计算可得：反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器125两式相等可得：两式相等可得：反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器126上式将流固相的温度差与浓度差联系起来了。上式将流固相的温度差与浓度差联系起来了。进一步简化，前面有：进一步简化，前面有：极为相似。极为相似。JHJD相除相除 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器127 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器128据实验得：据实验得：反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器129例：苯加氢反应器在例：苯加氢反应器在1013.3kPa下操作，气体质量速度下操作，气体质量速度G=3000 kg.m-2h-1，催化剂为，催化剂为89mm圆柱体，颗粒密度圆柱体，颗粒密度P=0.9g.cm-3，床层堆积密度，床层堆积密度B=0.6 g.cm-3，在反应器某处，在反应器某处气体温度为气体温度为220，气体组成为，气体组成为10苯，苯，80氢，氢，5环己环己烷和烷和5甲烷甲烷(体积分率体积分率)，测得该处宏观反应速率，测得该处宏观反应速率(-rA)=0.015mol.h-1g-1(cat)。估算该处催化剂的外表面浓度。估算该处催化剂的外表面浓度。已知：气体粘度已知：气体粘度=1.410-4 g.cm-1s-1，综合扩散系数，综合扩散系数D=0.267cm2s-1。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器130解：解：（1）计算催化剂的粒径）计算催化剂的粒径dS。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器131（2）计算床层中气体的修正雷诺数。）计算床层中气体的修正雷诺数。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器132（3）计算）计算JD和和kg值。值。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器133（4）计算）计算cAG和和cAS 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器134习题：试计算例题中催化剂的外表面处温度。习题：试计算例题中催化剂的外表面处温度。已已知知反反应应热热为为(-H)=2.135105Jmol-1，气气体体的的定定压压比比热热容容cP=49Jmol-1K-1。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器135小结：小结：颗粒与流体间的传（给）热系数颗粒与流体间的传（给）热系数hp传热因子传热因子JH流体与颗粒间传热温差的计算流体与颗粒间传热温差的计算固定床的有效热导率固定床的有效热导率床层与器壁间的给热系数床层与器壁间的给热系数 h0传质因子传质因子JD 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器1366.3 拟均相一维模型拟均相一维模型概述，目前描述固定床反应器的数学模型可分为拟均相、概述，目前描述固定床反应器的数学模型可分为拟均相、非均相两大类。非均相两大类。一、拟均相模型一、拟均相模型 忽略床层中催化剂颗粒与流体之间温度与浓度差别，将气忽略床层中催化剂颗粒与流体之间温度与浓度差别，将气相反应物与催化剂看成均匀连续的均相物系。相反应物与催化剂看成均匀连续的均相物系。（1）一维拟均相模型）一维拟均相模型只考虑沿气体流动方向的温度和浓度变化。根据流动形式只考虑沿气体流动方向的温度和浓度变化。根据流动形式还可分为平推流一维模型和轴向分散一维模型。还可分为平推流一维模型和轴向分散一维模型。（2）二维拟均相模型）二维拟均相模型 同时考虑轴向和径向的温度和浓度分布。同时考虑轴向和径向的温度和浓度分布。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器137二、非均相模型二、非均相模型非非均均相相：反反应应属属于于扩扩散散和和化化学学动动力力学学共共同同控控制制时时，则则催催化化剂剂颗颗粒粒表表面面、内内部部、外外部部浓浓度度不不均均一一，传传递递阻阻力力或或传传递递与与动动力力学学阻阻力力不不可可忽忽略略，应应计计及及催催化化剂剂的的存存在在和计算宏观反应速率，称为和计算宏观反应速率，称为“非均相非均相”模型。模型。简言之即考虑颗粒与流体之间的温度差和浓度差。简言之即考虑颗粒与流体之间的温度差和浓度差。一般来说，模型考虑得越全面，对过程模拟越精确，一般来说，模型考虑得越全面，对过程模拟越精确，但计算工作量也越大，甚至无法求解。但计算工作量也越大，甚至无法求解。因此，在工程因此，在工程计算允许的误差范围内应尽可能选用简单模型。计算允许的误差范围内应尽可能选用简单模型。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器1386.3.1 等温反应器的计算等温反应器的计算床层温度均匀一致，反应速率常数为常数，反应速度仅与床层温度均匀一致，反应速率常数为常数，反应速度仅与浓度有关。按一维拟均相处理，设计方法与平推流相似。浓度有关。按一维拟均相处理，设计方法与平推流相似。对右图固定床反应器取一微元段进对右图固定床反应器取一微元段进行物料衡算（以行物料衡算（以cat的质量定义）的质量定义）反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器139质量衡算质量衡算在管式反应器中垂直于流动方向取一个微元，以这个在管式反应器中垂直于流动方向取一个微元，以这个微元对微元对A组份做物料衡算：组份做物料衡算：输入输入 输出输出=反应反应 积累积累FA FA+dFA (-rA)(1-B)Aidl 0以催化剂颗粒体积计量以催化剂颗粒体积计量 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器140若以催化剂质量计量：若以催化剂质量计量：设计方程设计方程床层高度床层高度注意：一般来说，固定床反应器换热比较困难，很难做注意：一般来说，固定床反应器换热比较困难，很难做到等温操作，仅用于对反应器进行估算罢了。到等温操作，仅用于对反应器进行估算罢了。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器141以催化剂颗粒体积计量：以催化剂颗粒体积计量：反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器142对照平推流反应器性能方程对照平推流反应器性能方程二者相同二者相同 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器1436.3.2 单层绝热式固定床反应器单层绝热式固定床反应器定常态操作时，与流动方向垂直的截面上温度、浓度均匀一定常态操作时，与流动方向垂直的截面上温度、浓度均匀一致，且不随时间变化。体系的温度和浓度仅随流动方向的空致，且不随时间变化。体系的温度和浓度仅随流动方向的空间位置变化。间位置变化。取反应器内一微元段进行物料衡算和热量衡算得：取反应器内一微元段进行物料衡算和热量衡算得：反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器144上述两式分别积分并整理得：上述两式分别积分并整理得：设计方程设计方程操作方程操作方程设计方程和操作方程联立求解，可求得设计方程和操作方程联立求解，可求得W。但当动力学。但当动力学方程比较复杂时，难以得到解析解。一般采用数值积分方程比较复杂时，难以得到解析解。一般采用数值积分或图解法计算。或图解法计算。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器145图解法步骤图解法步骤（1）由设计方程在）由设计方程在 xAT 图中作绝热操作线；图中作绝热操作线；（2）在绝热操作线上读出若干组（）在绝热操作线上读出若干组（xAi，Ti）数据；）数据；（3）由（）由（xAi，Ti）数据计算（）数据计算（-rAi）和）和1/（-rAi）；）；（4）作）作1/（-rA）xA曲线。该曲线下方介于曲线。该曲线下方介于0 xAf之间的面积大小即之间的面积大小即 为为W/FA0。（5）床层高度）床层高度TT0 xA斜率斜率=1/绝热操作线绝热操作线xAiTiW/FA0 xA 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器1466.3.3 多层绝热式固定床反应器的计算和优化多层绝热式固定床反应器的计算和优化固定床反应器的缺点之一是换热困难。对反应热较大的反固定床反应器的缺点之一是换热困难。对反应热较大的反应，在绝热条件下反应时，为了控制床层温度在合适范围应，在绝热条件下反应时，为了控制床层温度在合适范围之内，可采用多段床层，段间换热的方法。之内，可采用多段床层，段间换热的方法。设可逆放热反应在二段绝热固定床中反应，流程如下：设可逆放热反应在二段绝热固定床中反应，流程如下：反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器147 反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器148一、多段绝热固定床反应器计算一、多段绝热固定床反应器计算采用逐段计算，每段的计算与单段绝热固定床反应器相采用逐段计算，每段的计算与单段绝热固定床反应器相同。同。设段与段之间采用间接换热，下一段入口的转化率与上设段与段之间采用间接换热，下一段入口的转化率与上一段出口相同，但温度不同。一段出口相同，但温度不同。催化剂总量为各段催化剂量之和：催化剂总量为各段催化剂量之和：（A）式中式中 二、多段绝热固定床反应器优化设计二、多段绝热固定床反应器优化设计逐段计算时，每段床层出口转化率需要给定。在其他条件相同，逐段计算时，每段床层出口转化率需要给定。在其他条件相同，出口转化率给定不同时，式（出口转化率给定不同时，式（A）求得的催化剂总量不等。如）求得的催化剂总量不等。如何合理分配各段的反应量，使催化剂总用量最少，这就是多段何合理分配各段的反应量，使催化剂总用量最少，这就是多段绝热固定床反应器优化设计要解决的问题。绝热固定床反应器优化设计要解决的问题。式（式（A）对）对xAi求导，并令求导，并令，即，即式中，不含式中，不含xi项的偏导数均为项的偏导数均为0，则上式可化简为，则上式可化简为求导得优化条件之一求导得优化条件之一（B）即：应使下段入口处反应速率与上段出口处反应速率相等。即：应使下段入口处反应速率与上段出口处反应速率相等。式（式（A）对）对Ti求导，并令求导，并令同理可得出同理可得出在在 与与 之间，必有使之间，必有使 的一点存在。由的一点存在。由此可得优化设计条件之二：此可得优化设计条件之二：各段入口操作点应位于各段入口操作点应位于 线的低温侧，出口操作点应位于其线的低温侧，出口操作点应位于其高温侧。高温侧。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器153床层出口状态的确定床层出口状态的确定 作作 xA曲线和曲线和 =0 的水平线；的水平线；求交点求交点xopt和和xi-1之间曲线和直线包围的面积；之间曲线和直线包围的面积；在在xopt右侧确定一点右侧确定一点xi，使其与，使其与xopt之间包围面积与左侧相等。之间包围面积与左侧相等。反反应应工工程程 第第六六章章固固定定床床反反应应器器154图解法优化设计步