第6章 固定床反应器

流体在固定床中的流动，与空管中的流体流动相似，只是流 道不规则而已。故此可将空床中流体流动的压力降计算公式修正 后用于固定床。
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.2 床层压降
《化学反应工程》
2 um 1 B p a. 厄根方程 f '( )( ) 固定床压力降计算公式： 3 L dS B
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
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
自热式
单段绝热
多段绝热
内冷式
外冷(热)式
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
固定床反应器的种类
（1）绝热式反应器
单段绝热床反应器
多段绝热床反应器
第6章 固定床反应器
6.1 概述
s （dV / da )2
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.1 粒子直径和床层空隙率
《化学反应工程》
平均直径dP:是指不同大小颗粒直径的平均值。
①算术平均法 :
d p xi d i
i 1
xi为直径等于di的颗粒所占的质量分数。
n
②调和平均法:
n xi 1 d p i 1 d i
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
固定床反应器的种类
（3）自热式反应器
甲烷化炉 CO+3H2 CH4+H2O
CO2+4H2
CH4+2H2O
强放热反应
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
原料气
催化剂
产物
优点：结构简单；cat不易磨损；床层内流体 趋于平推流，返混很小；停 留时间可控，操作弹性大；高空速故生产能力大。
形状 正常装填 紧密装填 薄片 0.36 0.31 短条形 0.40 0.33 长条形 0.46 0.40 球形（均匀粒度） 0.40 0.36 球形（混合粒度） 0.36 0.32
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.1 粒子直径和床层空隙率
《化学反应工程》
（1）床层比表面
Se n p a p
B
式中，RH —— 水力半径。
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.1 粒子直径和床层空隙率
《化学反应工程》
壁效应：各类化工设备器壁的影响称为壁效应。
“影响”主要是指①靠近器壁的空间结构与其他部分有很大差别，近壁面处的ε B 比其它部位大; ②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。
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.1 粒子直径和床层空隙率
《化学反应工程》
形状系数：是以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之比来表示。 a / a
s s p
φs的大小反映了非球形颗粒与球形颗粒的差异程序。显然，球形颗粒的φs=1， 对非球形颗粒，其外表面积大于体积相同的球形颗粒的外表面积，则φs <1。
6.2 固定床中的传递过程 6.2.2 床层压降
《化学反应工程》
b.
p
2 f mG 2 L(1 dp 3
B n 3 B
)3
n
式中，dp —— 体积相当直径； G um —— 质量流速。 fm和n可由图6-11查取。
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.2 床层压降
《化学反应工程》
《化学反应工程》
第 6章 d 固定床反应器
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
流体通过静止不动的固体催化剂或固体反应物所形成的床层而进行反应的 装置称作固定床反应器.
工业上以气相反应物通过固体催化剂床层的气-固相固定床反应器最为重要。
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
固定床催化反应过程
流体流过固定床时所产生的压力损失主要来自两方面： ①由于颗粒的粘滞曳力，即流体与颗粒表面间的摩擦； ②由于流体流动过程中孔道截面积突然扩大和收缩，以及流体 对颗粒的撞击及流体的再分布而产生。
当流体处于层流时,①起主要作用； 在高流速及薄床层中流动时,②起主要作用。
床层压降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15%。
分析：
B
查图可得 0.65 1ຫໍສະໝຸດ ids xi di
4 3
s
dV
2.579 10 3 m
Re m
d s G / [ (1
B
)] G
6.20kg / (m 2 s ) 2.3 10 2.46 10
p
1.75
2 um L(1 3 ds B
B
)
s
um L
G/ 4
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.3 固定床中的传热
《化学反应工程》
(1) 颗粒与流体间的传热系数hP d pG / 40时
JH JH
0.904 Re 0.613Re
0.51 0.51
0.01 50 )
Re <50 Re <1000
B
式中 Re
G / ( Se
d s G / [6(1
)
）
式中， G——床层中流体的质量流率
—— 床层比表面积Se的校正系数。
③几何平均法
d i d i d i
d i, d i 指同一筛分数颗粒的上下筛目尺寸。
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.1 粒子直径和床层空隙率
《化学反应工程》
床层空隙率计算公式：
床层空隙体积 1 B 催化剂床层的堆积体积 P
式中ρB指催化剂床层堆积密度，ρP指催化剂颗粒的表观密度。
球形： 片状：
1；圆柱形： 0.81；无定形：
上式可整理成:
rA H A Q( Pr ) 2 / 3 / J H hp am rA H A 其中，传热数 Q amc p G t
普朗特数
Pr cP /
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.3 固定床中的传热
缺点：床内取热、供热困难；床层压降大；催化剂更新困难。
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.1 粒子直径和床层空隙率
《化学反应工程》
固定床的传递特性
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.1 粒子直径和床层空隙率
《化学反应工程》
表观密度ρp 催化剂的密度： 真密度ρ 床层密度或堆积密度ρB 催化剂的粒径： 体积相当直径dv :是指与非球形颗粒体积相同的球形颗粒的直径。
(1 B ) p Vp p
a p (1 B )
ap Vp
6(1 B ) / d S
式中，np —— 单位体积床层中颗粒的个数。
（2）床层当量直径
2 B 2 B d e 4 RH 4 dS S dV Se 3 1 B 3 1 B
传热因子 适用范围
JH
(hp / c pG)(c p / )2/3
无量纲数
d pG / 10 ~ 10000
注意：目前，计算传热系数的经验公式有很多，可从有关文献或工具书中查取。 应用时要注意公式规定的特性尺寸、特性温度和适用范围。
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.3 固定床中的传热
式中：ρ——流体密度 f ’—— 摩擦系数 um——空床平均流速
dS —— 颗粒比外表面积相当直径 L —— 床层高度 εB——床层空隙率 当Re＜10 时， f’ = 150/ReM 当Re＞1000 时， f’ =1.75。
150 f ' 1.75 Re M
Re M
d S um

1 1 B
《化学反应工程》
固定床反应器的种类
（1）绝热式反应器
径向反应器的优点:
1. 流体流过的距离较短; 2. 流道截面积较大; 3. 床层阻力可大大降低。例如，H/R=4 的固定床反应器，径向反应器的床层阻 力仅为轴向阻力的1/16。
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
固定床反应器的种类
（2）换热式反应器
0 e
/
(
1 1 hrs d p
) Re p Pr
B
hrV—— 空隙的辐射给热系数； hrs—— 颗粒的辐射给热系数； σ—— 粒子表面的热辐射率；
1
hrV d p 1
λs,λ—— 分别表示颗粒与流体的热导率；
2 3
s
hrV
0.227 1
B
1 1
B)
3
Tm 100
3
0.26 2 1 0.216 — 颗粒接触点处流体薄膜对导热的影响， (
dv 6Vp /
1
3
VP 为非球形颗粒的体积 m3
面积相当直径da:是指与非球形颗粒外表面积相同的球形颗粒的直径。
da aP /
a p为非球形颗粒的表面积 m2
比面积相当直径ds:是指与非球形颗粒比表面积相同的球形颗粒的直径。
a p d s2 6 6Vp 6 ds Sv Sv ap Vp d 3 d s s 6
Se—— 床层比表面积；
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.3 固定床中的传热
《化学反应工程》