2.2.4流体在固定床中的流动特性(精)
化工设备习题
化⼯设备习题复习与思考题1.转化率的定义是什么？2.什么是反应速率？写出均相系统反应速率表⽰⽅式。
3.什么是化学动⼒学⽅程？怎样理解“反应级数表明浓度对反应速率的敏感程度”，“活化能表明温度对反应速率的敏感程度”？4.什么是本征动⼒学和宏观动⼒学？两者有何区别与联系？5.试说明反应热与活化能的区别与联系。
6.试写出间歇反应系统中，恒温恒容0级、1级、2级不可逆反应的积分式。
7.何谓变容过程？膨胀因⼦的定义及其物理意义是什么？8.什么是复杂反应？复杂反应通常可分为哪⼏种类型？9.简述⽓固相催化反应的宏观过程。
10.根据双膜理论简述⽓液相反应的宏观过程。
11.解释下列参数的物理意义：膜内转化系数γ、增强系数β、反应相内部总利⽤率η。
12.为什么要建⽴理想流动模型？它与实际流动状况有哪些区别？在处理过程中作了哪些简化？13.理想转换与理想混合流动模型各有什么特征？14.何谓返混？形成返混的原因有哪些？返混对反应过程有什么影响？⼯程中如何降低返混的程度？计算题1.有⼀反应，在间歇反应器中进⾏，经过8min后，反应物转化掉80%，经过18min后转化掉90%，求表达此反应的动⼒学⽅程式。
（n=2）解题思路2.在间歇反应器中进⾏等温⼆级反应A→B，反应速率⽅程式为：（－r A）＝0.01c A2mol/(L·s)，当c A0分别为1、5、10mol/L时，求反应⾄c A=0.01mol/L所需的反应时间。
（9900s、9980s、9990s）解题思路3.等温下在间歇反应器中进⾏⼀级不可逆液相分解反应A→B＋C，在5min内有50%的A分解，要达到分解率为75%，问需多少时间？若反应为⼆级，则需多少时间？（n=1时，τ=10min；n=2时，τ=15min）解题思路4.973K和294.3×103Pa恒压下发⽣反应C4H10→2C2H4＋H2。
反应开始时，系统中含C4H10为116kg，当反应完成50%时，丁烷分压以235.4×103Pa/s的速率发⽣变化，试求下列项次的变化速率：（1）⼄烯分压；（2）H2的摩尔数；（3）丁烷的摩尔分率。
化学反应工程 第六章 固定床反应器
一、颗粒层的若干物理特性参数
密度
– 颗粒密度ρp
• 包括粒内微孔在内的全颗粒密度；
– 固体真密度ρs
• 除去微孔容积的颗粒密度；
– 床层密度/堆积密度ρB
• 单位床层容积中颗粒的质量（包括了微孔和颗粒 间的空隙）；
p s (1 p ) B p(1 B )
一、颗粒层的若干物理特性参数
i
Wi FA0
i
xi dx A
r xi1
i
也即
Z 0 Ti
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A
0
i 1,2, N
min
Z 0
xi
1 ri
xA xi
1 ri 1
xA xi
0
i 1,2, N 1
对 Z 0 的处理 Ti
Z
Ti Ti
xi dx A
r xi1
i
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A
0
i 1,2, N
按中值定理：
Z
Ti
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A
（xi
x
i
1
)
Ti
• 双套管式、三套管式
流体流向：轴向、径向
固定床反应器的数学模型
拟均相数学模型：
忽略床层中颗粒与流体之间温度和浓度的差别 –平推流的一维模型 –轴向返混的一维模型 –同时考虑径向混合和径向温差的二维模型
第二节流化床的流体力学特性
粘性损失： 150
(1 m ) 2
3
m
u (s d p ) 2
2 1 m f u 惯性损失： 1.75 3 m s d p
p - 固定床压降 εm-固定床孔隙率 Φs-颗粒形状系数
△ m
Lm-固定床床层厚度 u -表观流速 dp -颗粒直径（平均粒径替代）
Ts
床层温度Ts分布曲线
：床层孔隙率
Re：气体雷诺数
28
一、流化床内的传热
2、气体和固体颗粒间的传热
接近实际的传热系数： khd p d p u f Cp f
抽气式热电偶测定气体温度回归而得，为真实传热 系数；但易受环境辐射影响，误差较大
仅适用于粒径0.36～1.1mm的颗粒，气、 液相均可，范围外需修正
f
工作速度
V u A
18
求上下层临界流化速度，终端速度，工作速度
To P O 1 T Po
19
d3 p f ( p f )g
2 f
s 3
1.75 d p umf f 2 150 (1 m ) d p umf f ( ) ( )......( 1 12) 3
△p=gL（ρp-
△p· A
f浮
L
W
床层厚度
ρf ）· （1-ε） （1-10）
3
一、流化床的压降
讨论
△p=gL（ρp-ρf ）· （1-ε）
①气体流化床中，压力不太高时
△p· A
f浮
W
ρp >> ρf
，
（1-10）可简化为：
近似等于床层静压强 单位面积床层所受重力
摩擦力
△p= ρp gL· （1-ε）
固体流态化的流动特性实验
固体流态化的流动特性实验一、实验目的1.通过实验观察固定床向流化床转变的过程，及聚式流化床和散式流化床流动特性的差异。
2.测定流化曲线和临界流化速度。
3.验证固定床压降和流化床临界流化速度的计算公式。
4.初步掌握流化床流动特性的实验研究方法，加深对流体经固体颗粒层的流动规律和固体流态化原理的理解。
二、实验原理在化学工业中，经常有流体流经固体颗粒的操作，诸如过滤、吸附、浸取、离子交换以及气固、液固和气液固反应等。
凡涉及这类流固系统的操作，按其中固体颗粒的运动状态，一般将设备分为固定床、移动床和流化床三大类，近年来，流化床设备得到越来越广泛的应用。
固体流态化过程按其特性可分为密相流化和稀相流化。
密相流化床又分为散式流化床和聚式流化床。
一般情况下，气固系统的密相流化床属于聚式流化床，而液固系统密相流化床属于散式流化床。
当流体流经固定床内固体颗粒之间的空隙时，随着流速的增大，流体与固体颗粒之间所产生的阻力也随之增大，床层的压强降则不断升高。
为表达流体流经固定床时的压强降与流速的函数关系，曾提出过多种经验公式。
一种较为常用的公式可以仿照流体流经空管时的压降公式（Moody 公式）列出。
即：22u d H p p m m ρλ⋅⋅=∆（4-1）式中H m ——固定床层的高度，m ；d p ——固体颗粒的直径，m ； u 0——流体的空管速度，m ／s ； ρ——流体的密度，kg/m 3； λm ——固定床的摩擦系数。
由固定床向流化床转变时的临界速度u mf ，也可由实验直接测定。
实验测定不同流速下的床层压降，再将实验数据标绘在双对数坐标上，由作图法即可求得临界流化速度，如图4-1所示。
为计算临界流化速度，我们可采用下面这种半理论半经验的公式mms pmf d u εεμρρ-⨯-⨯=1)(15032（4-2） 式中μ——流体的黏度，Pa ／s ；d p 一一平均粒径，m ； ρs ——填料密度，kg/m 3； εm ——空隙率。
第六章_固定床反应器
固定床反应器；
流化床反应器；
移动床反应器。
n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。
主要固定床催化反应过程如下表
基本化学工业 烃类水蒸气转化 一氧化碳变换 石油化学工业 催化重整 二氯化烷 异构化 醋酸乙烯酯
一氧化碳甲烷化
氨合成 二氧化硫氧化 甲醇合成
主要固定床催化反应过程如下表基本化学工业石油化学工业烃类水蒸气转化一氧化碳变换一氧化碳甲烷化氨合成二氧化硫氧化甲醇合成催化重整异构化二氯化烷醋酸乙烯酯丁二烯苯乙烯加氢脱烷基611固定床反应器的优缺点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
第六章 固定床反应器
1
6.1 概 述
n
气固相催化反应器可分三大类：
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
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。
10
(2)径向绝热式固定床反应器
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。
1 b fm a b R m d puo R m
• 反应床层压降
例题
• 乙烯在银催化剂上氧化制环氧乙烷，年 产环氧乙烷1×106 kg,采用二段空气氧化 法。主要反应为：
• C2H4+1/2O2 C2H4O • △H1= -103.4kJ/mol(25℃)
固定床,流化床,浆态床的优缺点
固定床反应器定义：气体流经固定不动的催化剂床层进行催化反应的装置。
特点：结构简单、操作稳定、便于控制、易实现大型化和连续化生产等优点,是现代化工和反应中应用很广泛的反应器.应用：主要用于气固相催化反应。
基本形式：轴向绝热式、径向绝热式、列管式。
固定床反应器缺点：床层温度分布不均匀；床层导热性较差；对放热量大的反应，应增大换热面积,及时移走反应热，但这会减少有效空间.流化床反应器（沸腾床反应器)定义：流体（气体或液体）以较高流速通过床层，带动床内固体颗粒运动，使之悬浮在流动的主体流中进行反应,具有类似流体流动的一些特性的装置。
应用：应用广泛，催化或非催化的气—固、液-固和气-液—固反应。
原理：固体颗粒被流体吹起呈悬浮状态,可作上下左右剧烈运动和翻动，好象是液体沸腾一样,故流化床反应器又称沸腾床反应器。
结构：壳体、气体分布装置、换热装置、气-固分离装置、内构件以及催化剂加入和卸出装置等组成。
优点:传热面积大、传热系数高、传热效果好。
进料、出料、废渣排放用气流输送，易于实现自动化生产。
缺点：物料返混大,粒子磨损严重；要有回收和集尘装置；内构件复杂；操作要求高等。
固定床：一、固定床反应器的优缺点凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备都称为固定床反应器，而其中尤以利用气态的反应物料，通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气固相催化反应器在化工生产中应用最为广泛.气固相固定床反应器的优点较多,主要表现在以下几个方面：1、在生产操作中，除床层极薄和气体流速很低的特殊情况外，床层内气体的流动皆可看成是理想置换流动,因此在化学反应速度较快,在完成同样生产能力时，所需要的催化剂用量和反应器体积较小。
2、气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节,因而有利于提高化学反应的转化率和选择性.3、催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。
4、适宜于高温高压条件下操作。
由于固体催化剂在床层中静止不动，相应地产生一些缺点：1、催化剂载体往往导热性不良,气体流速受压降限制又不能太大，则造成床层中传热性能较差，也给温度控制带来困难。
设备固定床反应器
常用这种直径。
26
? （4）形状系数 * ? s
? 对于非球形粒子，其外表面积 AP必大于同体积球 形粒子的外表面积 AS,则：
? 球形颗粒的外表面积 AS与体积相同的非球形颗粒 的外表面积 AP之比，称为形状系数。
?s
=
As Ap
? 除球体的 ? =s 1外，其它形状颗粒的 ?均s 小于1。
第九章 固定床反应器
1
多相系统的特征
多相系统的特征是: 系统中同时存在两个或两个以上的相态， 在发生化学反应的同时，也发生着相间和 相内的传递现象，主要是质量传递和热量 传递。 如果这些传递现象不存在，那么就不可能 发生化学反应。
2
多相系统中反应的基本类型
可概括为三种基本类型： (1)在两相界面处进行反应，所有气固反应或气固 相催化反应都属于这一类型； (2)在一个相内进行反应，大多数气液反应均属于 这种情况，进行反应的相叫做反应相； (3)在两个相内同时发生反应，某些液液反应属于 这种情况。
对外换热式。
原料
? 化工生产中应用最多的是换热条 件较好的列管式反应器，其结构 催化剂
类似管壳式热交换器。
蒸汽 调节阀
补充水
? 通常在管内充填催化剂，反应气 体自上而下通过催化剂床层进行 反应，管间通载热体 (在用高压 水或用高压蒸汽作热载体时，则 把催化剂放在管间，而使管内走 高压流体)。
产物
图 乙炔法合成氯乙烯反应器
6
9.1.1固定床反应器的特点及工业应用
固定床反应器优点 *
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。 ? ④可在高温高压下操作。
第二章-流化床的流体动力学
2 1.75ρ u 0 Lb (1 − ε ) + Dp ε3
这是 Ergun 公式 公式.
2.2.2 临界流化速度
临界流态化速度Umf是流态化操作的最低速度。要使固体颗 粒床层在气流作用下实现完全流态化，操作气速必须大于Umf。
图2.2.2 临界流态化速度实测法
临界流态化速度的计算
在不易实验确定临界流态化速度的场合可采用计算的办法来 近似求得Umf,因为： 固定床压降和流速之间有一定的关系；压降等于颗粒的浮重 时即为临界流态化状态，二者同时存在时可求得临界流态化速度 Umf。 临界流化状态下压降为：
∆p = 150µ Lu 0 (1 − ε )2 D2 p
ε3
类似地，对于湍流可得到 the Hagen-Poiseuille 等式：
Re p > 1,000
对于过渡流动:
∆p =
2 1.75 ρ u 0 L (1 − ε ) ∆p = Dp ε3
150µ u 0 Lb (1 − ε )2
2 Dp
ε3
m 2.1 固定床压降
床层压降的计算
假定: 忽略重力对流体的作用， 流动为层流 (f = 16/Re).
Re =
ρ f VD µ
床层压降的计算
关键点转化为计算流速V和定性尺寸D Lb S = 床体积 εLb S = 有效流通体积 对单位床高: 流速:
∆P = ( ρ s − ρ f )(1 − ε mf ) g Lmf
由Ergun公式：
∆p = 150µ u 0 Lb (1 − ε )2
2 Dp
ε3
2 1.75ρ u 0 Lb (1 − ε ) + Dp ε3
临界流态化速度的计算
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2.2.4流体在固定床中的流动特性
（一）流体特性
流体在颗粒的空隙中流动很复杂， ∴ 用简单的扩散模型进行模拟。
流动由两部分组成：液体以平均流速沿轴向作理想置换流动；
液体的径向和轴向的混合扩散：分子扩散（层流时）和涡流扩散（湍流时）
根据不同的混合和扩散程度，将两部分迭加。
（二）气体的分布
问题：①分布不均→气流分布不均→物料不同→各处不同→沟流、短路。
②较大气流进入反应器之初，带有相当大的动能，分股冲入反应器。
使气体通过床层均匀分布的方法：①使催化剂床层各部位阻力相同，催化剂大小均一，装填注意保证
各部位数量分布；②消除气流初动能和均匀引导：气流入口处设附加导流装置，如在气流入口处装设：分
布头，扩散锥或填入环形、栅板形、球形等惰性填料，或在气流入口处设环形进料管或多口螺旋形进料装
置等。
（三）流体流过固定床的压降（摩擦阻力，局部阻力）
利用在空圆管流动压降公式，合理修正：
a
ftPudlf220
0
~l
管长
~td
管内径
~0u
流体平均流速
在固定床中： ~/l气体在固定床中的流动途径LfLL/
~u
气体在孔道中的真正平均流速代入上式/Ouu
~d
固定床当量直径Sedd132
2
13220
udLff
f
S
L
整理得：
3
2
01LdufSf
m
实验测定：emRff BRfepm1180 fSepGdR
0.4~8.1B
光滑~粗糙