化学反应工程(第三版)陈甘棠主编_第六章_固定床反应器

数，而是流体和固体颗粒特性以及流动状态的函数。
e / e / ( ) R ep Pr
0
（6-23）
式中， λ—— 气体的热导率；
e —— 流体静止时床层的热导率；
0Байду номын сангаас
α—— 径向与轴向传质速率之比；
β—— 颗粒间距与粒径比的影响。
( )
值可由图6-14查取。
粒径/管径
图6-14
e 包含床层空隙和颗粒对传热的贡献，由下式计算
0
e
h rV d B 1
0
p
1
1B 1 2 3 s
（6-24）


h rs d
p

式中， s , —— 分别表示颗粒与流体的热导率；
0 . 41
（6-44）
其中
R e G /( S e )
流体与颗粒间传热温差的计算 热量平衡
H A rA h p a m (t G t S ) h p a m t
Se / B
式中，a m
球形：
—— 单位重量催化剂的外表面积；
—— 床层比表面积Se的校正系数。

1； 圆柱形： 0.9 ； 片状： 0.81 ；无定形： 0.9
图6-6 径向流反应器
固定床中的传递过程
1 粒子直径和床层空隙率
一、颗粒直径的表示方法 （1）表示方法 （i）体积相当直径 （ii）面积相当直径 （iii）比表面相当直径
d V ( 6V P / )
d a (a P / )
1/3
1/ 2
d S 6 / S V 6V P / a P
二、固定床反应器的种类
（1）绝热式反应器
间接换热式
冷激式
图6-1 绝热床反应器
图6-3 多段绝热床反应器
（2）对外换热式反应器
图6-4 对外换热式反应器
特点：单位床层体积具有的传热面积大，传热性能良好；
反应器放大设计可靠性高。
传热介质选用原则：
保证催化剂床层与传热介质之间有适宜的温差。
常用传热介质的温度范围 沸腾水 有机液态传热介质 熔盐 烟道气 100-300 ℃ 200-350 ℃ 300-400 ℃ 600-700 ℃
3
150 1 . 75 R eM
式中
R eM
d S um
(1 B )
um —— 空床流速；L —— 床层高度；ρ、μ—— 流体的密度和粘度。 ReM<10，层流，上式中右边第二项可忽略；
ReM>1000，湍流，上式中右边第一项可忽略。
（2）
p
2 f m G L (1 B )
式中，xi是直径为di粒子在全部粒子中所占的质量分数，可采用 标准筛进行筛分分析得到。标准筛的规格见表6-2。
二、床层空隙率 单位体积床层中,颗粒之间的空隙所占的体积分率。
B 1 B
p
式中
B

p
—— 床层堆积密度； —— 颗粒视密度。
注意：颗粒视密度与真 密度之间的区别。 讨论： （1）床层空隙率与颗粒 形状和尺寸的关系。 （2）壁效应及流体均布。
2
3 n
d p
3 n
B
3
式中，dp —— 体积相当直径；G fm和n可由图6-11查取。
u m——
质量流速。
图6-11 固定床的摩擦系数
3 固定床中的传热 床层的传热性能直接决定了床内的温度分布，从而对反 应速率和产物的组成分布都具有十分重要的影响。 传热方式： 导热、对流传热、热辐射。 传热途径： 粒内传热、颗粒与流体间传热、床层与器壁间传热。 一、颗粒与流体间传热系数
上式可整理成
t rA H
A
h p a m
Q ( Pr ) Q
2/3
/ JH
A
其中，传热数 普朗特数
rA H
a m c pG
Pr c P /
图6-12是上式的关联图，查图可求 得不同条件下的Δt。
图6-12 固定床中流体与颗粒外表面的温差
二、固定床的有效热导率 λe 是针对拟均相模型提出的综合性传热参数，一般是指 λer 。 λe值与颗粒与流体之间对流传热，颗粒及流体本身的 导热，床层的辐射传热等多种传热作用有关。它不是物性参

Tm h rV
—— 粒子表面的热辐射率；
—— 床层的平均温度，K； —— 空隙的辐射给热系数；
1
3 2
h rV
Tm 0 . 227 [W/(m B 1 100 1 2 (1 B )
K )]
（6-25）
h rs —— 颗粒的辐射给热系数；
固定床反应器
应化091班 张连阳
重要过程：
概述
流体通过固定的固体物料所形成的床层。
一、固定床反应器的特点



结构简单 高空速 很少催化剂损耗 很小气固返混 较长的扩散时间及距离 高床层压降 床内取热供热困难 催化剂取出更新困难 催化剂颗粒大，效率低
•丙烯氧化制丙烯酸 •乙炔HCl制氯乙烯 •乙烯环氧化制环氧乙烷 •烃类加氢 •乙苯脱氢制苯乙烯 •煤气化 •…

0 .8
cp

0 .4
（6-40）
适用范围：
a1 , (b )
2
d p G / 40
—— 是b的函数，由图6-16查取。
图6-16
[例6-2]
解：（1）
固定床中的传质与混合 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
2/3
k G P GM D
2/3
（6-43）
式中,
SC / D
称为施密特数； JD —— 传质因子。
0 . 51
J D 0 . 84 R e
0 .05 R e 50 50 R e 1000
J D 0 . 57 R e
h rs Tm 0 . 227 [W/(m 2 100

3
2
K )]
（6-26）
—— 颗粒接触点处流体薄膜对导热的影响。
2 ( 1 2 )
B 0 . 26
0 . 216
（6-27）
1 , 2
可由图6-15
查取。
图6-15
当颗粒直径甚小，床层温度不是很高，以及含有液体 时，空隙和颗粒的辐射传热可忽略，式（6-24）可简化为：
e
0
B
1B 2 3 s
（6-28）
三、床层与器壁间的给热系数 h0 一维模型中，床层与器壁间传热速率为
q h 0 A ( t m tW )
式中，SV=ap/Vp，称为颗粒的比表面。 （2）不同当量粒径的关系
S d V d S 6V P / a P
S (dV / d a )
式中， S
aS / a p
2
，称为颗粒的形状系数（
S 1
）。
非球形颗粒的形状系数
（3）混合粒子的平均直径
dd 1 n xi di i 1
图6-9 填充床的空隙率
三、固定床的当量直径 （1）床层比表面
Se n pa p (1 B ) Vp
p 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
de 4RH 4
b hW /( d t / 2 ) (1 / 2 )( d
p
/ d t )( hW d
p
/)
e
e /
hW —— 壁面处对流给热系数；
hW d
p

d pG 2 . 58

1/3
cp

1/3
d pG 0 . 094
N
A
k CA a ( c GA c SA ) k GA a ( p GA p SA )
式中， a —— 单位体积（或质量）催化剂作基准的传质表面积；
k GA , k CA
—— 以浓度或分压表示的A组分的传质系数。
k GA k CA /( RT )
计算传质系数的经验关联式
JD k C G D
（3）自热式反应器
一段转化气
空气
燃烧
甲烷化炉 CO+3H2 CH4+H2O
二段转化炉 2H2+O2 CO+O2 CH4+H2O 2H2O CO2 CO+3H2
CO2+4H2
CH4+2H2O
（4）其它形式的固定床反应器
已成功应用于合成氨反应器。 特点是：压降小，可采用较细颗粒 的催化剂，从而提高催化剂的有效 系数。
（6-31）
h0可由经验公式计算
h0 d
p


d
p

e
dt
[ a1
2
(b ) y
]
（6-32） （适用范围：y > 0.2）
式中， y —— 无量纲数
y 4eL Gc p d t
2

4(d
p
/ d t )( L / d t )( e / ) Pr R ep
b —— 无量纲数
B
Se
2 B 3 1 B
2 B d S 3 1 B
S d V
式中，RH —— 水力半径。
2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 降不超过床内压力的15%。 床层压降的计算 （1）
p 2 um d S B L 1 B
B J H 2 . 876 /( d p G / ) 0 . 3023 /( d p G / )
0 . 35
（6-16）
传热因子 适用范围
J H ( h p / c p G )( c p / )
d p G / 10 ~ 10000
2/3
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。