第五章 固定床反应器
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化工过程与开发 第五章 反应器放大PPT课件
28.07.2020
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❖ （4）对于多釜串联反应器的放大，应保 证大小两系统中每一釜内物料流动的停留 时间分布相同、温度相同和反应的转化率 相同，且反应速率应当不受搅拌速率的影 响。
❖ （5）对于非均相反应系统，放大的依据 是保持大小两系统的相界面积等，通常是 以保持单位容积输入的搅拌功率相等来取 代。
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模型型式
恒温系统：反应系统压强变化很小时，只 用物料衡算式 变温系统：物料衡算式和热量衡算式 如果反应管很长，阻力损失较大，则应将 物料衡算式、热量衡算式和动量衡算式联 立求解。
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管式反应器放大应注意的问题
（l）保证反应器内物料的流动状况放大后与放 大前相同
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第五节 固定床催化反应器
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一、固定床反应器放大应考虑的问题
❖ 1．反应热效应的影响 ❖ 供热、去热、温度梯度 ❖ 2．最佳反应温度 ❖ 3．催化剂床层 ❖ 催化剂的装填、床层尺寸
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二、固定床催化反应器的数学模型
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第六节 流化床反应器
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❖ 特点：
非均相，固体颗粒悬浮在流体中，传 热、传质优。
要满足这一要求，则不一定能满足大 小两反应系统的几何相似条件，此时
可以暂不考虑几何相似。
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第四节 连续操作搅拌釜
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❖ 数学模型
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固定床反应器.ppt
Topt R ln
(E2 E1) k0E1CA0 (1 xA)
k0 ' E2 (CR0 CA0xA )
0
T
( 1 1 ) R ln E2 Topt Te E2 E1 E1
对一级反应且CR0=0时有
-rA
rA
k CA0 [(1
xA)
xA K
]
K
K0
exp[
H r R
(1 T
1 T0
)]
T
xA
固定床反应器的最优温度分布
1
随着x增加,逆反应增 加, 反应最优温度 随之下降.
x= 0
Topt
0
x
T
等速率线 (-rA)=0
(-rA)增加 Topt
T
T1 T2
0
x
0
x1
x2 x
T1 x1 T2 x2
例
合成NH3反应1/2N2＋3/2H2 NH3是可逆放热反应，在铁催 化剂下E＝58.6 kJ/mol，E’＝167.5 kJ/mol，平衡常数Kp与温度的 关系为logKp＝（2171+19.6P）／T－（4.2+0.02P），P为总压力 ［MPa］。试计算下列条件下的最优温度Topt。
第五章 固定床反应器
见P184-185介绍： 催化剂不动； 流体相是气，液或气液并流,逆流； 应用很广：合成NH3，H2SO4，CO水煤气变换 制H2，乙烯氧化制环氧二烷，乙苯脱H2制苯,轻 油蒸汽裂解制乙烯；石化产品：橡胶，纤维， 树脂中均大量用固定床催化反应器。 主要问题是散热方案：催化剂床层导热差
dp 6
由左＝右可得：
f'
150
De
8.314 167.48
固定床反应器.ppt1
优点
1.化学反应速率较快、在完成同样的生产能力时 所需的催化剂和反应器体积较小。 2.可以严格控制停留时间，调节温度的分布。 3.催化剂可连续使用。 4.可在高温、高压条件下操作。
存在的不足
1.催化剂载体导热性不良，床层中的传热性 能较差。可能出现“飞温”。 2.如果使用的催化剂较小颗粒，会造成流体 阻力增大，破坏正常操作，使得催化剂的 活性内表面得不到充分利用。 3.催化剂的再生、更换不方便。
多段绝热式固定床反应器
﹙a﹚ 中间换 热式
﹙b﹚中间 换热式
﹙c﹚中间 换热式
﹙d﹚冷激式
﹙e﹚ 冷激式
以各种载热体为介质的对外换热式 反应器多为列管是结构如下图所示 类似于列管式换热器
列管式固定床反应器中，合理选择载热体及其温度的控制是保 持反应稳定进行的关键。载热体的温度与反应温度的温差宜小 ，但必须移走反应过程中释放出的大量热量。这就要求有较大 的传热面积和传热系数。
二、固定床反应器的类型与结构 为适应不同的传热要求和传热方式，已 出现多种固定床反应器结构形式。主 要分为绝热式和换热式两类。 绝热式固定床反应器又可以分为单段式 和多段式。 换热式固定床反应器按换热介质不同可 分为对外换热式和自然式。 按照反应气体在催化床中的流动方向， 按照反应气体在催化床中的流动方向， 固定床反应器可分为轴向绝热式 轴向绝热式和 固定床反应器可分为轴向绝热式和径向 绝热式。 绝热式。
载热体的选择 240 ℃以下 250-300 ℃ 300-500 ℃ 600 ℃以上 加压热水 导热油 熔盐 烟道气
何谓热点？ 一般沿轴 向温度分 布都有一 最高温度 ，称为“ 热点”。 在热点以前放热速率大于移热速率，则床层温度升高，热点过 后恰恰相反，故床层温度逐渐降低。控制热点温度是使反应顺 利进行的关键。热点温度过高，使反应选择性降低催化剂变劣 甚至使反应失去稳定性而产生“飞温”。
5 固定床反应器
单元五固定床反应器仿真操作一．单元目标1.了解固定床反应器结构及反应特点。
2.掌握固定床反应器开车、停车操作方法。
3.掌握固定床反应器正常运行的工艺指标及相互影响关系，并寻求最佳工艺条件。
4.正确分析常见事故产生的原因，能判断常见事故，掌握事故正确的处理方法。
5.熟悉各种设备、测量仪表的名称及作用，能识读带控制点工艺流程图。
二．单元内容本流程为利用催化加氢脱乙炔的工艺。
乙炔是通过等温加氢反应器除掉的,反应器温度由壳侧中冷剂温度控制。
反应原料分两股,一股为约-15℃的以C2为主的烃原料,进料量由流量控制器FIC1425控制;另一股为H2与CH4的混合气,温度约10℃,进料量由流量控制器FIC1427控制。
FIC1425与FIC1427为比值控制,两股原料按一定比例在管线中混合后经原料气/反应气换热器(EH-423)预热,再经原料预热器(EH-424)预热到38℃,进入固定床反应器(ER-424A/B)。
预热温度由温度控制器TIC1466通过调节预热器EH-424加热蒸汽(S3)的流量来控制。
ER-424A/B中的反应原料在2.523MPa、44℃下反应生成C2H6。
当温度过高时会发生C2H4聚合生成C4H8的副反应。
反应器中的热量由反应器壳侧循环的加压C4冷剂蒸发带走。
C4蒸汽在水冷器EH-429中由冷却水冷凝,而C4冷剂的压力由压力控制器PIC-1426通过调节C4蒸汽冷凝回流量来控制,从而保持C4冷剂的温度。
比值调节：工业上为了保持两种或两种以上物料的比例为一定值的调节叫比值调节。
对于比值调节系统，首先是要明确那种物料是主物料，而另一种物料按主物料来配比。
在本单元中，FIC1425（以C2为主的烃原料）为主物料，而FIC1427（H2）的量是随主物料（C2为主的烃原料）的量的变化而改变。
主要设备：EH-423：原料气/反应气换热器EH-424：原料气预热器EH-429：C4蒸汽冷凝器EV-429：C4闪蒸罐ER424A/B：C2H2加氢反应器流程图：固定床反应器带控制点工艺流程图固定床反应器DCS 界面固定床反应器现场界面三．操作步骤1.正常运行正常工况下工艺参数(1)正常运行时，反应器温度TI1467A：44.0℃，压力PI1424A控制在2.523MPa。
固定床反应器结构及原理
固定床反应器结构及原理又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。
固体物通常呈颗粒状，粒径2~15mm左右，堆积成一定高度(或厚度)的床层。
床层静止不动，流体通过床层进行反应。
它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。
固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。
用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。
涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。
1、轴向绝热式固定床反应器流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。
下图是绝热式固定床反应器的示意图。
它的结构简单，催化剂均匀堆置于床内，床内没有换热装置，预热到一定温度的反应物料流过床层进行反应就可以了。
（1）径向绝热式固定床反应器流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。
径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短，流道截面积较大，流体的压力降较小。
但径向反应器的结构较轴向反应器复杂。
以上两种形式都属绝热反应器，适用于反应热效应不大，或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。
由多根反应管并联构成。
管内或管间置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在25~50mm之间，管数可多达上万根。
列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。
此外，尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。
例如:当反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热反应器串联成多级绝热式固定床反应器，反应器之间设换热器或补充物料以调节温度，以便在接近于最佳温度条件下操作。
（3）对外换热式固定床反应器对外换热式反应器以列管式为多。
通常是在管内放催化剂，管间走热载体(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)。
（4）多段绝热式固定床反应器3、自身换热式反应器（自热式反应器）反应前后的物料在床层中自己进行换热称作自热式反应器。
固定床反应器
四,固定床反应器的结构? 固定床反应器的结构?
1.绝热式固定床反应器 绝热式固定床反应器 1.1单段绝热式 单段绝热式
催化剂 冷却器 1-矿渣棉 瓷环 催化剂 1-催化剂 2-冷却器 矿渣棉2-瓷环 矿渣棉 瓷环3-催化剂
1.2多段绝热床 多段绝热床
(a),(b),(c)中间换热式 中间换热式;(d),(e)冷激式 中间换热式 冷激式
2,换热式固定床反应器 换热式固定床反应器 2.1,对外换热式固定床反应器 对外换热式固定床反应器
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 1-列管上花板;2-反应列管;3-膨胀圈; 4-汽水分离器;5-加压热水泵
以道生油作载热体的固定床反应装置 1-列管上花板 列管上花板;2,3-折流板 折流板;4-反应列管 反应列管; 列管上花板 折流板 反应列管 5-折流板固定棒 折流板固定棒;6-人孔 人孔;7-列管下花板 列管下花板; 折流板固定棒 人孔 列管下花板 8-载热体冷却器 载热体冷却器
三,固定床反应器的分类及其应用? 多段绝热式 二段 反应 三段 特征 四段 段间反应 原料气冷激式 气冷却或 加热方式 冷激式 非原料气冷激式 加压热水(< 加压热水(<240℃) (< 换 热 式 对外换热式 导热油(250~300 ℃) 导热油( 熔盐(> 熔盐(>300 ℃) (> 自热式 轴向流动固定床反应器 径向流动固定床反应器 中间间接换热式
二,固定床反应器的特点? 固定床反应器的特点?
1.固定床反应器的优点是:①返混小,流体同催化剂可进 固定床反应器的优点是: 返混小, 固定床反应器的优点是 行有效接触,当反应伴有串联副反应时可得较高选择性. 行有效接触,当反应伴有串联副反应时可得较高选择性. 催化剂机械损耗小. 结构简单. ②催化剂机械损耗小.③结构简单. 2.固定床反应器的缺点是:①传热差,反应放热量很大时, 固定床反应器的缺点是: 传热差,反应放热量很大时, 固定床反应器的缺点是 即使是列管式反应器也可能出现飞温(反应温度失去控制, 即使是列管式反应器也可能出现飞温(反应温度失去控制, 急剧上升,超过允许范围). ).② 急剧上升,超过允许范围).②操作过程中催化剂不能更 催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用, 换,催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用,常代之以 流化床反应器或移动床反应器. 流化床反应器或移动床反应器.
固定床反应器介绍
单段绝热式
2021/3/10
返9回
多段绝热式
2021/3/10
返10回
对外换热式
2021/3/10
返11回
对外换热式结构
2021/3/10
返12回
加氢反应器结构示意图
2021/3/10
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固定床反应器实物
2021/3/10
返14回
固定床反应器
一、固定床反应器的工业背景 二、固定床反应器的工作原理
1、固定床反应器的工作原理 2、固定床反应器的原理动画
三、固定床反应器的结构形式 四、固定床反应器的工艺仿真说明
1、固定床反应器的DCS图 2、固定床反应器的现场图
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固定床反应器的工业背景
反应器是化工生产中的关键设备，是人们通过一定 的手段抑制副反应、提高转化率、提高生产能力的化学 反应设备。
凡是流体通过静态固体颗粒形成的床层而进行 化学反应的设备都称作固定床反应器。
分为气-固相催化反应器和液-固相催化反应器 两种。
其中以气态反应物料通过由固体催化剂所构成 的床层进行化学反应的气-固相催化反应器在化工 生产中应用最为广泛。
2021/3/10
返4回
固定床反应器的原理动画
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催化剂用量少，反应器体积小，催化剂的颗粒不 易磨损，可在高温高压下操作等。
主要缺点
流体流速不能太快，传热性能差，温度分布不易 控制均匀.
在放热反应中，换热式反应器轴向位置存在“热 点”，易造成“飞温”；
不能使用细颗粒的催化剂，且催化剂的再生和更
换不便。 2021/ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ/10
3
固定床反应器的工作原理
化工反应过程之固定床反应器
热传导、 热对流、 热辐射。
热传导、 热对流
傅立叶定律：
dQ dl T
z
牛顿冷却定律：
dQ dA T
z
一般情况下，可以把催化剂颗粒看成是等温体，忽略颗粒内
部、颗粒在流体间和床层径向传热阻力，床层的传热阻力全
部集中在管壁处。这样传热过程的计算就可简化成床层与器
壁之间的传热计算
固定床中的传质传热
固 传热速度方程为 dQ t Tm Tw dF
为了消除壁效应，一般，管径与粒径之比应 大于8。
催化剂床层特性
固定床的当量直径de为水力半径RH的四倍
固 定 床
流道有效截面积 4
de
4RH
4 流道润湿周边长
Se
当 量 直
Se
（1 ）AP
VP
（6 1 ）
dS
径
de
4RH
4
Se
2 3 1
dS
流体在固定床中的流动特性
在固定床中，流体在颗粒间的空隙中流动，流动通 道是弯曲、变径、相互交错的，流体撞击颗粒后分 流、混合、改变流向，增加了流体的扰动程度。
绝热式固定床反应器
中间换热式
多 段
进料
绝
热
式
固
催化剂
定
床
反
应
器
催化剂
中间换热式是指冷、 热流体是通过段间的 换热器管壁进行热量 的交换。其作用是将 换 上一段的反应气体冷 热 却至适宜温度后再进 器 入下一段反应，反应 气体冷却所放出的热 量可用于对未反应的 原料气体预热或通入 外来换热介质移走。 而换热设备可以放在 反应器外
截面积的流速。
u0
V0 AR
固定床的经验法计算
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• 5.3 拟均相一维模型的求解 • 5.4 固定床反应器的热特性
2016/7/17 版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系 3
5.1 固定床中的传递过程
5.1.1 床层空隙率分布与径向速度分布
由于管壁的约束作用，催化剂装填时会形成一定的排列结 构，使空隙率形成径向分布，进而影响到流动速度而形成速 度分布。 1. 空隙率分布 实验研究表明球体催化剂填 充固定床反应器中空隙率分 布如图示，靠近壁面处表现 出衰减振荡特征，直到离开 壁面4-5个粒径后消失。 Benenati和Brosilow介绍实验测定空隙率的方法。
两维模型与一维模型参数转换关系
1
w
2016/7/17
R 4er
1 hw
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5.2 固定床反应器的数学模型
A.拟均相模型
T TS C CS
一 维
AⅠ: 理想流动 基础模型
即同PFR计算方法相同, 但反应速度采用宏观反 应速率 o (rA ) 径向温度和浓度相同,轴 向引入有效导热系数 和 有效扩散系数Dez ,表面壁 面传热系数ho 引入径向有效导热 和扩散系数 er , Der
Tb , Tw 主体平均温度和壁面温度
固体催化剂的存在，使传热系数远大于空管，且于粒径有关
固定床同空管传热系数对比
d P / Dt
0.05 5.5
0.10 7.0
0.15 7.8
0.20 7.5
0.25 7.0
0.30 6.6
w /
De Wasch和Froment关联式
0 wd P w dP 0.024 ReP g g
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物料衡算方程
dFi i dVR uSdCi )
能量衡算方程
m dT 4U " u g CP B rj (H j ) (T Tc ) dz Dt j 1
a
因传质扩散系数与Peclet数成反比，轴向扩散比径向扩散大6倍 (1) 径向扩散 l2 爱因斯坦关系式 Der 2 D 扩散系数是扩散距离与扩散时间函数，流体 每运动一个扩散长度约为颗粒半径，运动时间 和流体经过一层填料时间数量级相同
l dP / 2 D dP / u
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工业固定床反应器由于流速很高，通常可满足
2016/7/17 版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系 21
5.2.3 拟均相二维模型AⅢ
列管式固定床反应器的管径较粗或反应热效应较 大时，管内径向梯度较大。
C A 2C A 1 C A u Der ( 2 ) B (rA ") z r r r T 2T 1 T u g CP er ( 2 ) B (rA ")(H ) z r r r
T 1 T T er 2 Z r r r
2
T 0 r T r 1, er hw (T Tw ) r r 0,
er 为常数，hw为壁给热系数，反映壁处气膜对传热的影响
(2) 单参数模型
2T 1 T er T T CP G er 2 + Z r r r r r
P 4 f
d u 1 ReM P f 0 1
d
2
u0 ui d de
2 s d P 3 1
0
s 颗粒球形度
f M 修正摩擦系数
实验测定
1 f M 150Re M 1.75
2 f u0 1 P f M L 3 s d P
20
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Young和Finlayson的轴向混合影响判据：
反应速率随床层轴向距离单调减少时（等温操作 、绝热操作的吸热反应、过分冷却的放热反应等） ，如果进口条件满足下面两个条件，则轴向混合的 影响可以忽略。
(rA0 ) B d P (Pea ) m uC A0 ( H)(rA0 ) B d P (Pea ) h (T0 T)u g CP
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5.2.1 拟均相基本模型AⅠ
拟均相：将非均相反应系统简化为均相系统处理， 认为流体和固体相间无浓度和温度梯度。 模型适用： (1) 反应为速率控制步骤，流-固相间和固体内部的传 递阻力均很小，流体相、固体外表面、固体内部 的浓度和温度认为接近相等。 (2) 各相间存在浓度和温度梯度，其影响已被包括在 表观动力学模型中。 一维模型：仅考虑轴向的梯度，径向无梯度 活塞流假设：即轴向不存在返混
5.2.2 拟均相基本模型AⅡ
基本模型+轴向返混扩散 物料衡算方程 d 2C
Dea dz
2
i
u
dCi B" i dz
( A2)
能量衡算方程
边界条件
m d 2T dT 4U ea 2 u g CP B rj" (H j ) (T Tc ) ( B 2) dz dz Dt j 1
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Mueller(1991年)提出关联式，适用
ZD
Dt 2.61 dP
r
b J0 (a zr )(1 b )ebz
其中，
b 0.379
a 8.243 a 7.383 b 0.304
0.078 床层主体空隙率 Z D 1.80
Zr
2r Dt
12.98 2.61 Z D 13.0 Z D 3.156 2.932 Z D 9.864 0.724 ZD Z D 13.0
J 0 Bessel函数
2016/7/17
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l dP D dP / u
Peclet数为
Pe a
d Pu 2 Der
实验测量结果
Pea 1 2
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5.1.4 固定床中的热量传递过程
均相反应器设计中，反应器内部的径向混合可认为 很好，热阻集中在管壁附近，器内温度认为是平坦的 ，仅在壁面处不连续变化， 可用一维模型描述。
5
2. 径向速度分布
Schwartz和Smith及Schertz和Bischoff采用热线风速仪测量径 向速度分布，在管壁1-1.5dp处出现速度最大值。
固定床中的径向速度分布曲线
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5.1.2 固定床的压降
一般通过固定床的压降约占总压的10%左右，不超 过15%。单相流通过固定床压降多是用流体通过空管 的压降修正，著名的Ergun方程。 2 空管 u L f u0
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第五章 固定床反应器
• 5.1 固定床中的传递过程 • 5.2 固定床反应器的数学模型
5.2.1 拟均相基本模型 5.2.2 拟均相轴向分散模型 5.2.3 拟均相二维模型 5.2.4 考虑颗粒界面梯度的活塞流非均相模型 5.2.5 考虑颗粒界面梯度和颗粒内梯度的活塞流非均相模型 5.2.6 非均相二维模型
反应物流和载热体并流时
z 0处，CA CA0，T T0，Tc Tc0，P P 0
常微分方程初值问题求解
反应物流和载热体逆流时
z 0处，CA CA0，T T0，P P 0 z L处，Tc Tc 0
常微分方程两点边值问题求解
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高等反应工程
第五章 固定床反应器
主要优点：
流体流动为平推流，反应物浓度较高 流体的停留时间可严格控制，控制串联副反应 操作弹性大，增大管径可增大管数
反应器型式：
连续换热的反应器，列管式 多段绝热固定床反应器，段间换热 自热式反应器 轴向温度曲线，床层压降(径向流动反应器)，非线性 严重的系统，考虑热稳定性和参数敏感性。
固定床反应器中由于 催化剂粒子使流体的径 向混合局限在颗粒尺度 范围内，造成径向有较 大温度分布，如右图。 均相的假设不合理。
2016/7/17 版权所有, By 曹志凯, 厦门大学化学工程与生物工程系 11
一、简化一维模型传热参数
简化一维传热模型
w 一维模型传热参数
dQ w (Tb Tw )dA
2016/7/17
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二、两维模型传热参数
依据对径向温度分布的不同有两类模型，两参数模型认为 径向温度在壁面发生不连续变化，单参数模型认为径向温度 在壁处是连续变化，但有效导热系数随径向变化。 (1) 两参数模型 Z 0, T T
0
CP G
dCi dz dT u g CP (T0 T ) ea dz dCi dT z L处 = =0 dz dz z 0处 u (Ci 0 Ci ) Dea
当活化能高、强放热和返混影响显著 时，反应器可能存在多重定态问题
2016/7/17
模型参数轴向有效扩 散和导热系数不仅和 物性有关，还与颗粒 形状和堆叠方式、流 动状况有关
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AⅡ: AⅠ+ 轴向混合