第五章固定床氣固相催化反應(yīng)工程

1、第五章第五章 固定床氣固定床氣- -固相催化反應(yīng)工程固相催化反應(yīng)工程化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 本章授課內(nèi)容本章授課內(nèi)容 固定床氣固定床氣- -固相催化反應(yīng)器的基本類型和數(shù)學(xué)模擬固相催化反應(yīng)器的基本類型和數(shù)學(xué)模擬固定床流體力學(xué)固定床流體力學(xué)固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程絕熱式固定床催化反應(yīng)器絕熱式固定床催化反應(yīng)器連續(xù)換熱內(nèi)冷自熱式催化反應(yīng)器連續(xù)換熱內(nèi)冷自熱式催化反應(yīng)器連續(xù)換熱式外冷及外熱管式催化反應(yīng)器連續(xù)換熱式外冷及外熱管式催化反應(yīng)器薄床層催化反應(yīng)器薄床層催化反應(yīng)器化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 第一節(jié)第一節(jié) 固定床氣固定床氣- -固相催化反應(yīng)器的固相催化反應(yīng)器的 基

2、本類型和數(shù)學(xué)模型基本類型和數(shù)學(xué)模型一、固定床氣一、固定床氣- -固相催化反應(yīng)器的基本類型固相催化反應(yīng)器的基本類型圖圖5-1 單段絕熱催化床單段絕熱催化床化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 圖圖5-2 多段固定床絕熱反應(yīng)器多段固定床絕熱反應(yīng)器化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 圖圖5-3 單一可逆放單一可逆放熱反應(yīng)三段間接熱反應(yīng)三段間接換熱式操作狀況換熱式操作狀況圖圖5-4 單一可逆放單一可逆放熱反應(yīng)三段原料熱反應(yīng)三段原料冷卻式操作狀況冷卻式操作狀況圖圖5-5 單一可逆放單一可逆放熱反應(yīng)三段非原料熱反應(yīng)三段非原料冷卻式操作狀況冷卻式操作狀況化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 圖圖5-6 外冷管式外冷管

3、式化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 催化鉑重整是石油加工中的重要過程，它以石催化鉑重整是石油加工中的重要過程，它以石腦油為原料，可生產(chǎn)高辛烷值汽油和芳烴，其中的腦油為原料，可生產(chǎn)高辛烷值汽油和芳烴，其中的大部分反應(yīng)都是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，在絕熱反應(yīng)器中由于大部分反應(yīng)都是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，在絕熱反應(yīng)器中由于反應(yīng)吸熱而降低了反應(yīng)氣體的溫度，必須采用三至反應(yīng)吸熱而降低了反應(yīng)氣體的溫度，必須采用三至四段反應(yīng)器串聯(lián)，中間由加熱爐補(bǔ)充供熱，一般重四段反應(yīng)器串聯(lián)，中間由加熱爐補(bǔ)充供熱，一般重整催化床的入口溫度為整催化床的入口溫度為480530。為了降低固。為了降低固定床反應(yīng)器的壓力降，一些重整流程采用徑向流動(dòng)定床反應(yīng)器的

4、壓力降，一些重整流程采用徑向流動(dòng)反應(yīng)器。反應(yīng)器?；瘜W(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 連續(xù)換熱式催化床中反應(yīng)與換熱過程同時(shí)進(jìn)行。連續(xù)換熱式催化床中反應(yīng)與換熱過程同時(shí)進(jìn)行。乙烯催化氧化合成環(huán)氧乙烷、萘氧化制鄰苯二甲酸乙烯催化氧化合成環(huán)氧乙烷、萘氧化制鄰苯二甲酸酐及乙烯與乙酸氣相氧化制乙酸乙烯脂等反應(yīng)的反酐及乙烯與乙酸氣相氧化制乙酸乙烯脂等反應(yīng)的反應(yīng)熱大，采用管式催化床，見圖應(yīng)熱大，采用管式催化床，見圖5-6，催化劑裝載在，催化劑裝載在管內(nèi)，以增加單位體積催化床的傳熱面積。載熱體管內(nèi)，以增加單位體積催化床的傳熱面積。載熱體在管間流動(dòng)或汽化以移走反應(yīng)熱。合理地選擇載熱在管間流動(dòng)或汽化以移走反應(yīng)熱。合理地

5、選擇載熱體是控制反應(yīng)溫度和保持穩(wěn)定操作的關(guān)鍵。載熱體體是控制反應(yīng)溫度和保持穩(wěn)定操作的關(guān)鍵。載熱體的溫度與催化床之間的溫差宜小，但又必須移走大的溫度與催化床之間的溫差宜小，但又必須移走大量的反應(yīng)熱。量的反應(yīng)熱?；瘜W(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 反應(yīng)溫度不同，選用的載熱體不同。反應(yīng)溫度不同，選用的載熱體不同。般反應(yīng)般反應(yīng)溫度溫度200250時(shí)采用加壓熱水汽化作載熱體而時(shí)采用加壓熱水汽化作載熱體而副產(chǎn)中壓蒸汽。反應(yīng)溫度副產(chǎn)中壓蒸汽。反應(yīng)溫度250300時(shí)，可采用時(shí)，可采用揮發(fā)性低的有機(jī)載熱體如礦物油，聯(lián)苯揮發(fā)性低的有機(jī)載熱體如礦物油，聯(lián)苯-聯(lián)苯醚混合聯(lián)苯醚混合物；反應(yīng)溫度在物；反應(yīng)溫度在300以上采

6、用熔鹽作載熱體，有以上采用熔鹽作載熱體，有機(jī)載熱體和熔鹽吸收的反應(yīng)熱都用來產(chǎn)生蒸汽。機(jī)載熱體和熔鹽吸收的反應(yīng)熱都用來產(chǎn)生蒸汽。化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 圖圖5-7 三套管并流式冷管催化床溫度分布及操作條件三套管并流式冷管催化床溫度分布及操作條件化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 圖圖5-8 側(cè)壁燒嘴式轉(zhuǎn)化爐側(cè)壁燒嘴式轉(zhuǎn)化爐圖圖5-9 徑向流動(dòng)催化反應(yīng)器徑向流動(dòng)催化反應(yīng)器化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 按照反應(yīng)氣體在催化床中的流動(dòng)方向，固定床按照反應(yīng)氣體在催化床中的流動(dòng)方向，固定床反應(yīng)器可分為軸向流動(dòng)與徑向流動(dòng)，軸向流動(dòng)反應(yīng)反應(yīng)器可分為軸向流動(dòng)與徑向流動(dòng)，軸向流動(dòng)反應(yīng)器中氣體流向與反應(yīng)器

7、的軸平行，而徑向流動(dòng)催化器中氣體流向與反應(yīng)器的軸平行，而徑向流動(dòng)催化床中氣體在垂直于反應(yīng)器軸的各個(gè)橫截面上沿半徑床中氣體在垂直于反應(yīng)器軸的各個(gè)橫截面上沿半徑方向流動(dòng)，見圖方向流動(dòng)，見圖5-9。 徑向流動(dòng)催化床的氣體流道短，流速低，可大徑向流動(dòng)催化床的氣體流道短，流速低，可大幅度地降低催化床壓降，為使用小顆粒催化劑提供幅度地降低催化床壓降，為使用小顆粒催化劑提供了條件。徑向流動(dòng)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是合理設(shè)計(jì)流了條件。徑向流動(dòng)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是合理設(shè)計(jì)流道使各個(gè)橫截面上的氣體流量均等。道使各個(gè)橫截面上的氣體流量均等?；瘜W(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 圖圖5-10 徑向二段冷激氨合成塔徑向二段冷激氨合成

8、塔圖圖5-11 徑向二段間接熱氨合成塔徑向二段間接熱氨合成塔化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 圖圖5-10和圖和圖5-11是是 公司大型氨合成反應(yīng)器的徑向二公司大型氨合成反應(yīng)器的徑向二段冷激式及徑向二段間接換熱式徑向催化床中也可以安裝段冷激式及徑向二段間接換熱式徑向催化床中也可以安裝冷管。華東理工大學(xué)于二十世紀(jì)六十年代開發(fā)了冷管。華東理工大學(xué)于二十世紀(jì)六十年代開發(fā)了 800mm鼠鼠籠冷管型徑向氨合成反應(yīng)器，于八十年代開發(fā)了丁烯氧化脫籠冷管型徑向氨合成反應(yīng)器，于八十年代開發(fā)了丁烯氧化脫氫制丁二烯年產(chǎn)氫制丁二烯年產(chǎn)l.6萬噸二段絕熱段間噴水冷激的徑向反應(yīng)器，萬噸二段絕熱段間噴水冷激的徑向反應(yīng)器，二

9、十一世紀(jì)初開發(fā)了年產(chǎn)十萬噸和二十萬噸乙苯脫氫二段絕二十一世紀(jì)初開發(fā)了年產(chǎn)十萬噸和二十萬噸乙苯脫氫二段絕熱軸徑向反應(yīng)器。軸徑向催化床見圖熱軸徑向反應(yīng)器。軸徑向催化床見圖5-12，催化床由無分隔，催化床由無分隔的二部分組成，上部是軸向催化床，下部是軸徑向混合流動(dòng)的二部分組成，上部是軸向催化床，下部是軸徑向混合流動(dòng)催化床，便于裝卸催化劑。頂端不封閉且側(cè)壁不開孔，氣體催化床，便于裝卸催化劑。頂端不封閉且側(cè)壁不開孔，氣體作軸徑向混合流動(dòng)，主要部分仍用側(cè)壁開孔調(diào)節(jié)以保證氣體作軸徑向混合流動(dòng)，主要部分仍用側(cè)壁開孔調(diào)節(jié)以保證氣體作均勻徑向流動(dòng)。作均勻徑向流動(dòng)。Tops e化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 二、

10、固定床催化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型二、固定床催化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型 非均相模型：非均相模型：計(jì)入傳質(zhì)、傳熱過程對(duì)催化劑本征反應(yīng)速率的計(jì)入傳質(zhì)、傳熱過程對(duì)催化劑本征反應(yīng)速率的 影響影響 擬均相模型：擬均相模型：本征動(dòng)力學(xué)控制本征動(dòng)力學(xué)控制 傳遞過程的影響傳遞過程的影響顆粒宏觀動(dòng)力學(xué)研究得不夠，只能將顆粒宏觀動(dòng)力學(xué)研究得不夠，只能將 還原還原 流體分布不均流體分布不均 等影響計(jì)入本征動(dòng)力學(xué)，即等影響計(jì)入本征動(dòng)力學(xué)，即“活性校正系數(shù)活性校正系數(shù)”，再計(jì)入失活，再計(jì)入失活（中毒、衰老）（中毒、衰老）“壽命因子壽命因子”以顆粒宏觀動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，再計(jì)入流體分布不均以顆粒宏觀動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，再計(jì)入流體分布不均“活性活性

11、校正系數(shù)校正系數(shù)”、失活、失活“壽命因子壽命因子”。化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 一維模型一維模型只考慮軸向只考慮軸向（沿氣流方向）的濃度及溫差（沿氣流方向）的濃度及溫差 二維模型二維模型同時(shí)考慮徑向同時(shí)考慮徑向（垂直于氣流方向）的濃差（垂直于氣流方向）的濃差 及溫差及溫差化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 理想理想流動(dòng)模型流動(dòng)模型對(duì)于固定床氣對(duì)于固定床氣-固相反應(yīng)器，指平推流模型固相反應(yīng)器，指平推流模型非理想非理想流動(dòng)模型流動(dòng)模型平推流，再計(jì)入平推流，再計(jì)入軸向返混軸向返混最基礎(chǔ)模型最基礎(chǔ)模型一維、擬均相、平推流模型一維、擬均相、平推流模型 其數(shù)學(xué)處理最簡(jiǎn)單其數(shù)學(xué)處理最簡(jiǎn)單如模型中計(jì)入如模

12、型中計(jì)入傳遞過程，二維，軸向返混傳遞過程，二維，軸向返混等參數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)等參數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式越復(fù)雜，求解也越難。式越復(fù)雜，求解也越難。一般一般LdP，不計(jì)，不計(jì)入軸向返混；入軸向返混； 而薄床而薄床層計(jì)入軸向返混層計(jì)入軸向返混化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 第二節(jié)第二節(jié) 固定床流體力學(xué)固定床流體力學(xué) 固定床中進(jìn)行催化劑反應(yīng)時(shí)，同時(shí)發(fā)生傳熱及固定床中進(jìn)行催化劑反應(yīng)時(shí)，同時(shí)發(fā)生傳熱及傳質(zhì)過程，后兩者又與流體在床層內(nèi)的流動(dòng)狀況密傳質(zhì)過程，后兩者又與流體在床層內(nèi)的流動(dòng)狀況密切有關(guān)。為了研究固定床中化學(xué)反應(yīng)的宏觀反應(yīng)過切有關(guān)。為了研究固定床中化學(xué)反應(yīng)的宏觀反應(yīng)過程，進(jìn)行合理的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須先討

13、論固定程，進(jìn)行合理的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須先討論固定床的傳遞過程，即固定床中的流體力學(xué)、傳熱及傳床的傳遞過程，即固定床中的流體力學(xué)、傳熱及傳質(zhì)問題。質(zhì)問題。化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 1.1.非中空固體顆粒的當(dāng)量直徑及形狀系數(shù)非中空固體顆粒的當(dāng)量直徑及形狀系數(shù) 常用的非中空顆粒當(dāng)量直徑的表示方法有三常用的非中空顆粒當(dāng)量直徑的表示方法有三種，即等體積圓球直徑、等外表面積圓球直徑和種，即等體積圓球直徑、等外表面積圓球直徑和等比外表面積圓球直徑。等比外表面積圓球直徑。 若以若以Sp和和Vp表示非中空顆粒的外表面積和體表示非中空顆粒的外表面積和體積，按等體積圓球直徑計(jì)算的當(dāng)量直徑可表示如積，按等體

14、積圓球直徑計(jì)算的當(dāng)量直徑可表示如下：下： (5-1) 式（式（5-1）中）中Vp為與非中空顆粒等體積的圓球體積。為與非中空顆粒等體積的圓球體積。316VdpV化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 按等外表面積圓球直徑計(jì)算的當(dāng)量直徑按等外表面積圓球直徑計(jì)算的當(dāng)量直徑Dp可表可表示如下：示如下： (5-2) 式（式（5-2）中）中Sp為非中空顆粒等外表面積的圓球的外為非中空顆粒等外表面積的圓球的外表面積。表面積。 按等比外表面積圓球直徑計(jì)算的當(dāng)量直徑按等比外表面積圓球直徑計(jì)算的當(dāng)量直徑ds可可表示如下：表示如下： (5-3) 式（式（5-3）中）中Sv 為與非中空顆粒等比外表面為與非中空顆粒等比外表面

15、積的圓球比外表面積。積的圓球比外表面積。21p)(DpSppvsS6VS6dppvVSS 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 再以再以SS表示與非中空顆粒等體積的圓球的外表表示與非中空顆粒等體積的圓球的外表面積，則面積，則 (5-4) 因此，引入一個(gè)量綱因此，引入一個(gè)量綱1數(shù)數(shù) ，稱為顆粒的形狀系，稱為顆粒的形狀系數(shù)，其值如下：數(shù)，其值如下： (5-5)s2VSdS pssSS化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 對(duì)于球形顆粒，對(duì)于球形顆粒， =1；對(duì)于非球形顆粒，；對(duì)于非球形顆粒， 小于小于1。形狀系數(shù)說明了顆粒形狀與圓球的差異程度。形狀系數(shù)說明了顆粒形狀與圓球的差異程度。 形狀系數(shù)形狀系數(shù) 可由

16、顆粒的體積及外表面積算得。可由顆粒的體積及外表面積算得。非中空顆粒的體積可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，或由其質(zhì)量及密非中空顆粒的體積可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，或由其質(zhì)量及密度計(jì)算。形狀規(guī)則的顆粒，例如圓柱形顆粒，其外度計(jì)算。形狀規(guī)則的顆粒，例如圓柱形顆粒，其外表面積可由直徑及高求出；形狀不規(guī)則的顆粒外表表面積可由直徑及高求出；形狀不規(guī)則的顆粒外表面積卻難以直接測(cè)量，這時(shí)可測(cè)定由待測(cè)顆粒所組面積卻難以直接測(cè)量，這時(shí)可測(cè)定由待測(cè)顆粒所組成的固定床壓力降來計(jì)算形狀系數(shù)。成的固定床壓力降來計(jì)算形狀系數(shù)。sss化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 上述三種當(dāng)量直徑上述三種當(dāng)量直徑dv、Dp、ds與形狀系數(shù)間的與形狀系數(shù)間的相互關(guān)系可表

17、示如下相互關(guān)系可表示如下 (5-6) 及及 (5-7)ppsVsS6Vdd2pVsDd化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 2.2.混合顆粒的平均直徑及形狀系數(shù)混合顆粒的平均直徑及形狀系數(shù) 破碎成的碎塊破碎成的碎塊形狀不規(guī)則，大小也不均勻形狀不規(guī)則，大小也不均勻 算術(shù)平均直徑算術(shù)平均直徑 為為 (5-8) di兩相鄰篩孔凈寬乘積的平方根；兩相鄰篩孔凈寬乘積的平方根；xi為直徑為直徑di顆粒顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 調(diào)和平均直徑調(diào)和平均直徑 為為 (5-9) 在固定床及流化床的流體力學(xué)中，用調(diào)和平均在固定床及流化床的流體力學(xué)中，用調(diào)和平均直徑較為符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。大小不等形狀各異的混合直徑較為符合實(shí)

18、驗(yàn)數(shù)據(jù)。大小不等形狀各異的混合顆粒顆粒 由固定床由固定床P計(jì)算。計(jì)算。pdpdn1iiipdxdn1iiipdxd1s化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 3. 固定床的當(dāng)量直徑固定床的當(dāng)量直徑 床層中顆粒的比表面積（不計(jì)入接觸而減少的床層中顆粒的比表面積（不計(jì)入接觸而減少的表面積）：表面積）： (5-10) 水力半徑：水力半徑： 固定床的當(dāng)量直徑：固定床的當(dāng)量直徑： (5-11) 床層由中空顆粒，如單孔環(huán)柱體，多通孔環(huán)柱床層由中空顆粒，如單孔環(huán)柱體，多通孔環(huán)柱體等組成時(shí)，不能使用式（體等組成時(shí)，不能使用式（5-11）。）。sppedVSS161eHSR 總的潤(rùn)濕面積床層的空隙體積潤(rùn)濕周邊有效截面

19、積seHedSRd13244化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 4.4.固定床的空隙率及徑向流速分布固定床的空隙率及徑向流速分布 與下列因素有關(guān)：顆粒形狀，顆粒的粒度分與下列因素有關(guān)：顆粒形狀，顆粒的粒度分布，充填方式，布，充填方式，dP/dt之比（壁效應(yīng)）之比（壁效應(yīng)） 圖圖5-13表達(dá)了上述關(guān)系，當(dāng)表達(dá)了上述關(guān)系，當(dāng)dTdP時(shí)，壁效應(yīng)時(shí)，壁效應(yīng)可不計(jì)，一般工程上認(rèn)為當(dāng)可不計(jì)，一般工程上認(rèn)為當(dāng)di/dP8時(shí)，可不計(jì)壁效時(shí)，可不計(jì)壁效應(yīng)。應(yīng)。 圖圖5-14（b）表示不同）表示不同Re數(shù)時(shí)流體的徑向分布，數(shù)時(shí)流體的徑向分布，Re大分布較平坦。大分布較平坦?；瘜W(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 一、單相

20、流體在固定床顆粒層中的流動(dòng)及壓力降一、單相流體在固定床顆粒層中的流動(dòng)及壓力降 固定床中，流體在顆粒物料組成的孔道中流固定床中，流體在顆粒物料組成的孔道中流動(dòng)，孔道相互交錯(cuò)聯(lián)通、彎曲，各孔道的幾何形動(dòng)，孔道相互交錯(cuò)聯(lián)通、彎曲，各孔道的幾何形狀相差甚大，孔截面積也很不規(guī)則且不相等。流狀相差甚大，孔截面積也很不規(guī)則且不相等。流體在固定床中流動(dòng)時(shí)，旋渦的數(shù)目比空管多，由體在固定床中流動(dòng)時(shí)，旋渦的數(shù)目比空管多，由滯留轉(zhuǎn)入湍流是一個(gè)逐漸過渡的過程。滯留轉(zhuǎn)入湍流是一個(gè)逐漸過渡的過程。1. 流動(dòng)特性流動(dòng)特性化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 2. 單相流體通過固定床顆粒層的壓力降單相流體通過固定床顆粒層的壓力降

21、 單相流體通過固定床時(shí)要產(chǎn)生壓力損失，主單相流體通過固定床時(shí)要產(chǎn)生壓力損失，主要來自顆粒的黏滯曳力，即流體與顆粒表面間的要來自顆粒的黏滯曳力，即流體與顆粒表面間的摩擦，流體流動(dòng)過程中孔道截面積突然擴(kuò)大和收摩擦，流體流動(dòng)過程中孔道截面積突然擴(kuò)大和收縮，及流體對(duì)顆粒的撞擊及流體的再分布。低流縮，及流體對(duì)顆粒的撞擊及流體的再分布。低流速時(shí)，壓力降主要是由于表面摩擦而產(chǎn)生，高流速時(shí)，壓力降主要是由于表面摩擦而產(chǎn)生，高流速及薄床層中流動(dòng)時(shí)，擴(kuò)大、收縮則起著主要作速及薄床層中流動(dòng)時(shí)，擴(kuò)大、收縮則起著主要作用。如果容器直徑與顆粒直徑之比值較小，還應(yīng)用。如果容器直徑與顆粒直徑之比值較小，還應(yīng)計(jì)入壁效應(yīng)對(duì)壓力降

22、的影響。計(jì)入壁效應(yīng)對(duì)壓力降的影響?；瘜W(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 計(jì)算單相流體通過固定床顆粒層壓力降的方法計(jì)算單相流體通過固定床顆粒層壓力降的方法很多，其中有許多都是利用流體在空?qǐng)A管中流動(dòng)時(shí)很多，其中有許多都是利用流體在空?qǐng)A管中流動(dòng)時(shí)的壓力降公式，加以合理地修改而成。下面介紹其的壓力降公式，加以合理地修改而成。下面介紹其中的一個(gè)使用最廣泛的中的一個(gè)使用最廣泛的Ergun方法。流體在空?qǐng)A管方法。流體在空?qǐng)A管中作等溫流動(dòng)，且流體密度的變化可不計(jì)時(shí)，壓力中作等溫流動(dòng)，且流體密度的變化可不計(jì)時(shí)，壓力降可表示為降可表示為 (5-12) 式中式中：L管長(zhǎng)，管長(zhǎng)，m；d圓管的內(nèi)直徑，圓管的內(nèi)直徑，m； 流

23、流體的密度，體的密度，kg/m3；u0e流體的平均流速，流體的平均流速，m/s；f摩擦系數(shù)，量綱摩擦系數(shù)，量綱1數(shù)；數(shù)； 壓力降，壓力降，N/m2。2420efudLfpfp化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 上式應(yīng)用于固定床時(shí)，上式應(yīng)用于固定床時(shí)，u0e應(yīng)為流體在床層空隙應(yīng)為流體在床層空隙中的真正平均流速中的真正平均流速ue，圓管的直徑應(yīng)以固定床的當(dāng)，圓管的直徑應(yīng)以固定床的當(dāng)量直徑量直徑de代替，而管長(zhǎng)則應(yīng)以流體在固定床中的流代替，而管長(zhǎng)則應(yīng)以流體在固定床中的流動(dòng)途徑來代替。將動(dòng)途徑來代替。將 ， 代入式代入式(5-12)，又考慮到流體在固定床中的流動(dòng)途徑遠(yuǎn)大于固，又考慮到流體在固定床中的流動(dòng)

24、途徑遠(yuǎn)大于固定床的高度定床的高度L，并等于，并等于L的若干倍，則固定床的壓力的若干倍，則固定床的壓力降可表示為降可表示為 (5-13) 式中式中u0以床層不含內(nèi)構(gòu)件和所載固體的空截面積以床層不含內(nèi)構(gòu)件和所載固體的空截面積Ac和操作狀態(tài)下氣體體積流量計(jì)算的流速，或稱表和操作狀態(tài)下氣體體積流量計(jì)算的流速，或稱表觀流速，觀流速，m/s；fM修正摩擦系數(shù)。修正摩擦系數(shù)。0uuese)d)/(d132LdufpsM 320f1化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 經(jīng)多種顆粒和工況的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，修正摩擦系數(shù)經(jīng)多種顆粒和工況的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，修正摩擦系數(shù)fM與修正雷諾數(shù)的關(guān)系可表示如下與修正雷諾數(shù)的關(guān)系可表示如下 (5

25、-14) 而而 (5-15) 式中式中 流體黏度，流體黏度， ；G流體質(zhì)量流率或質(zhì)流體質(zhì)量流率或質(zhì)量通量，量通量， 。75. 1Re150MMfs0sM11Re11fffdud Gfsmkgsmkg2化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 當(dāng)當(dāng)ReM1.75，即式，即式(5-13)可化簡(jiǎn)為可化簡(jiǎn)為 (5-16) 當(dāng)當(dāng)ReM1000時(shí)時(shí)，處于完全湍流狀況，式，處于完全湍流狀況，式(5-16)中中150/ReM1000時(shí)，時(shí)， 正比于正比于G2L，即，即VR一定時(shí)，一定時(shí)， 正比正比于于(W/Ac)2L，或，或 正比于正比于L3。改為徑向流動(dòng)，即減。改為徑向流動(dòng)，即減小了氣流在催化床內(nèi)流動(dòng)的路程，同時(shí)增

26、加了垂直小了氣流在催化床內(nèi)流動(dòng)的路程，同時(shí)增加了垂直于流向的截面積和減小了氣流速度，從而大幅度地于流向的截面積和減小了氣流速度，從而大幅度地減少了床層的壓力降，為使用小顆粒催化劑，提高減少了床層的壓力降，為使用小顆粒催化劑，提高催化劑的總體速率及催化床的空時(shí)產(chǎn)率創(chuàng)造了良好催化劑的總體速率及催化床的空時(shí)產(chǎn)率創(chuàng)造了良好的條件。的條件。ppp化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 顆粒粒度和形狀是影響床層壓力降的另一重要顆粒粒度和形狀是影響床層壓力降的另一重要因素。形狀相同的顆粒，減小顆粒的當(dāng)量直徑，會(huì)因素。形狀相同的顆粒，減小顆粒的當(dāng)量直徑，會(huì)導(dǎo)致固定床壓力降增加。當(dāng)導(dǎo)致固定床壓力降增加。當(dāng)ReM100

27、0時(shí)，壓力降反時(shí)，壓力降反比于當(dāng)量直徑。顆粒的篩析范圍相同，形狀系數(shù)小比于當(dāng)量直徑。顆粒的篩析范圍相同，形狀系數(shù)小的顆粒，如片狀，其當(dāng)量直徑減小，床層的壓力降的顆粒，如片狀，其當(dāng)量直徑減小，床層的壓力降增大。增大?；瘜W(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 床層空隙率對(duì)壓力降的影響十分顯著，當(dāng)床層空隙率對(duì)壓力降的影響十分顯著，當(dāng)ReM1000時(shí)，壓力降正比于時(shí)，壓力降正比于 ， 由由0.4增至增至0.5時(shí)，壓力降可降至原來的時(shí)，壓力降可降至原來的1/2.3。床層空隙率的大。床層空隙率的大小與顆粒的形狀、粒度分布、填充方法、顆粒直徑小與顆粒的形狀、粒度分布、填充方法、顆粒直徑與容器直徑之比值等因素有關(guān)?；?/p>

28、合顆粒的粒度越與容器直徑之比值等因素有關(guān)。混合顆粒的粒度越不均勻，小顆粒填充在大顆粒之間，所組成的床層不均勻，小顆粒填充在大顆粒之間，所組成的床層空隙率越小。催化劑在使用過程中逐漸破碎、粉化，空隙率越小。催化劑在使用過程中逐漸破碎、粉化，當(dāng)質(zhì)量流率不變時(shí)，由于空隙率減小，床層壓力降當(dāng)質(zhì)量流率不變時(shí)，由于空隙率減小，床層壓力降相應(yīng)地逐步增大。催化劑使用后期床層壓力降較前相應(yīng)地逐步增大。催化劑使用后期床層壓力降較前期壓力降增加的程度隨催化劑的機(jī)械強(qiáng)度而定。即期壓力降增加的程度隨催化劑的機(jī)械強(qiáng)度而定。即使不計(jì)入破損，操作一段時(shí)期后，由于床層中顆粒使不計(jì)入破損，操作一段時(shí)期后，由于床層中顆粒填實(shí)，使床

29、層下沉，空隙率降低而增高壓力降。填實(shí)，使床層下沉，空隙率降低而增高壓力降。3)1 (化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 二、徑向流動(dòng)反應(yīng)器中流體的分布二、徑向流動(dòng)反應(yīng)器中流體的分布化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 三、固定床流體的徑向及軸向混合三、固定床流體的徑向及軸向混合 當(dāng)流體流經(jīng)固定床時(shí)，不斷發(fā)生分散與匯合，當(dāng)流體流經(jīng)固定床時(shí)，不斷發(fā)生分散與匯合，形成了一定程度的徑向及軸向混合，尤其當(dāng)固定形成了一定程度的徑向及軸向混合，尤其當(dāng)固定床中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而又與外界換熱時(shí)，床層中不床中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而又與外界換熱時(shí)，床層中不同徑向位置處流速、溫度及反應(yīng)速率都不相同，同徑向位置處流速、溫度及反應(yīng)速率都不

30、相同，也就必然存在著徑向濃度分布，更加加劇床層中也就必然存在著徑向濃度分布，更加加劇床層中徑向及軸向的混合過程，而其中徑向混合比軸向徑向及軸向的混合過程，而其中徑向混合比軸向更加顯著。更加顯著。1. 固定床徑向及軸向混合有效彌散系數(shù)固定床徑向及軸向混合有效彌散系數(shù) （effective dispersion coefficient）化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 徑向混合有效彌散系數(shù)徑向混合有效彌散系數(shù)Er及軸向混合有效彌散及軸向混合有效彌散系數(shù)系數(shù)Ez一般用一般用Peclet數(shù)數(shù)(Pe)表示，此時(shí)表示，此時(shí) (5-35-A) 或或 (5-35-B) 表征徑向混合及軸向混合有效彌散系數(shù)的表征

31、徑向混合及軸向混合有效彌散系數(shù)的Pe數(shù)與數(shù)與Re數(shù)的關(guān)系見圖數(shù)的關(guān)系見圖5-17，由圖可見，當(dāng)，由圖可見，當(dāng)Re40，即處于，即處于湍流狀態(tài)時(shí)，無論對(duì)于氣體還是液體，徑向湍流狀態(tài)時(shí)，無論對(duì)于氣體還是液體，徑向Per10，幾乎不隨幾乎不隨Re數(shù)而變，氣體的軸向數(shù)而變，氣體的軸向Pez 2不隨雷諾數(shù)不隨雷諾數(shù)而變，但液體的軸向值而變，但液體的軸向值Pez隨隨Re值而有一定程度的變值而有一定程度的變化?；ffsrsrEudEudPefffffsszzfzd ud uPeEE 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 圖圖5-17 固定床軸向及徑向固定床軸向及徑向Pe數(shù)與數(shù)與Re數(shù)的關(guān)系數(shù)的關(guān)系化學(xué)工業(yè)出

32、版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 2. 固定床反應(yīng)器中的軸向返混固定床反應(yīng)器中的軸向返混 第三章已經(jīng)討論過可以略去不計(jì)逆向混合影響第三章已經(jīng)討論過可以略去不計(jì)逆向混合影響的條件是模型參數(shù)的條件是模型參數(shù)Ez/(uL)0.005。在固定床反應(yīng)器。在固定床反應(yīng)器的流動(dòng)狀況下，一般的流動(dòng)狀況下，一般Re40，此時(shí)，此時(shí)Pez=dsu/Ez=2由由此可得此可得 0.5(ds/L)0.005 (5-36) 即固定床反應(yīng)器中床層高度即固定床反應(yīng)器中床層高度L超過顆粒直徑超過顆粒直徑ds的一百的一百倍時(shí)，可以略去軸向返混的影響。倍時(shí)，可以略去軸向返混的影響?；瘜W(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 某些固定床反應(yīng)器，如實(shí)驗(yàn)室

33、測(cè)試動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)某些固定床反應(yīng)器，如實(shí)驗(yàn)室測(cè)試動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的裝置，床層高度與顆粒直徑的比值往往低于一百的裝置，床層高度與顆粒直徑的比值往往低于一百倍，稱為薄床層，此時(shí)必須考慮軸向返混的影響。倍，稱為薄床層，此時(shí)必須考慮軸向返混的影響。但可以在催化床上、下部填充適當(dāng)大小的惰性物料，但可以在催化床上、下部填充適當(dāng)大小的惰性物料，造成整個(gè)填充床處于平推流狀態(tài)。造成整個(gè)填充床處于平推流狀態(tài)?；瘜W(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 第三節(jié)第三節(jié) 固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程固定床熱量與質(zhì)量傳遞過程 在固定床反應(yīng)器中，若床層被冷卻，熱量在床在固定床反應(yīng)器中，若床層被冷卻，熱量在床層中按對(duì)流、傳導(dǎo)及輻射的綜合方式傳至床層

34、近壁層中按對(duì)流、傳導(dǎo)及輻射的綜合方式傳至床層近壁處，再通近壁處滯流邊界層傳向容器內(nèi)壁。因此，處，再通近壁處滯流邊界層傳向容器內(nèi)壁。因此，床層中每一截面上都形成一定的徑向溫度分布，并床層中每一截面上都形成一定的徑向溫度分布，并且不同軸向位置處的徑向溫度分布也不相同，如圖且不同軸向位置處的徑向溫度分布也不相同，如圖5-18所示。另一方面，流體在固體顆粒間流動(dòng)時(shí)，所示。另一方面，流體在固體顆粒間流動(dòng)時(shí)，不斷地分散與匯合，形成了徑向及軸向混合過程的不斷地分散與匯合，形成了徑向及軸向混合過程的濃度分布。固定床反應(yīng)器應(yīng)將溫度分布與濃度分布濃度分布。固定床反應(yīng)器應(yīng)將溫度分布與濃度分布方程和動(dòng)力學(xué)方程聯(lián)立求解

35、。方程和動(dòng)力學(xué)方程聯(lián)立求解?；瘜W(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 圖圖5-18 固定床反應(yīng)器的溫度分布固定床反應(yīng)器的溫度分布化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 一、 固定床徑向傳熱過程分析 流體通過固定床的徑向熱量傳遞是通過多種方流體通過固定床的徑向熱量傳遞是通過多種方式進(jìn)行的。通常把固體顆粒及在其空隙中流動(dòng)的流式進(jìn)行的。通常把固體顆粒及在其空隙中流動(dòng)的流體包括在內(nèi)的整個(gè)固定床看作為假想的固體，按傳體包括在內(nèi)的整個(gè)固定床看作為假想的固體，按傳導(dǎo)傳熱的方式來考慮徑向傳熱過程。這一假想的固導(dǎo)傳熱的方式來考慮徑向傳熱過程。這一假想的固體導(dǎo)熱系數(shù)，稱為徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)體導(dǎo)熱系數(shù)，稱為徑向有效導(dǎo)熱系數(shù) ，而徑

36、向有，而徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)效導(dǎo)熱系數(shù) 又分解成靜止流體徑向有效導(dǎo)熱系又分解成靜止流體徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)數(shù) ，與流動(dòng)流體徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)，與流動(dòng)流體徑向有效導(dǎo)熱系數(shù) 二部分二部分10。床層的徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)床層的徑向有效導(dǎo)熱系數(shù) 即為此二者之綜合。即為此二者之綜合。ererere0ert化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 靜止流體有效導(dǎo)熱系數(shù)是固定床內(nèi)流體不流動(dòng)靜止流體有效導(dǎo)熱系數(shù)是固定床內(nèi)流體不流動(dòng)時(shí)床層主體的有效導(dǎo)熱系數(shù)，它包括如下的六個(gè)過時(shí)床層主體的有效導(dǎo)熱系數(shù)，它包括如下的六個(gè)過程，示意圖如下。程，示意圖如下。圖圖5-19 固定床的徑向傳熱方式固定床的徑向傳熱方式（a）水平箭頭為熱的流動(dòng)方向；

37、）水平箭頭為熱的流動(dòng)方向；（b）垂直箭頭為流體的流動(dòng)方向）垂直箭頭為流體的流動(dòng)方向化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n (l)床層空隙內(nèi)部床層空隙內(nèi)部流體的傳熱，它與流體的導(dǎo)熱系數(shù)流體的傳熱，它與流體的導(dǎo)熱系數(shù) 有關(guān)；有關(guān)；(2)顆粒之間顆粒之間通過接觸的傳熱，其給熱系數(shù)為通過接觸的傳熱，其給熱系數(shù)為 ；(3)顆粒表面附近顆粒表面附近流體中的傳熱，它與流體的導(dǎo)熱系數(shù)流體中的傳熱，它與流體的導(dǎo)熱系數(shù) 有關(guān)；有關(guān)；(4)顆粒表面之間的熱輻射顆粒表面之間的熱輻射傳熱，其給熱系數(shù)為傳熱，其給熱系數(shù)為 ；(5)通過通過固體顆粒固體顆粒的傳熱，它與固體的導(dǎo)熱系數(shù)的傳熱，它與固體的導(dǎo)熱系數(shù) 有關(guān)；有關(guān)；(6)空

38、隙內(nèi)部流體的輻射空隙內(nèi)部流體的輻射傳熱，它與輻射給熱系數(shù)傳熱，它與輻射給熱系數(shù) 有關(guān)。流有關(guān)。流動(dòng)流體徑向有效導(dǎo)效系數(shù)動(dòng)流體徑向有效導(dǎo)效系數(shù) 由傳熱方式由傳熱方式(7)所形成，所形成，(7)即流體通過固定床時(shí)，由于即流體通過固定床時(shí)，由于流體混合流體混合所引起的徑向?qū)α鱾鳠?。所引起的徑向?qū)α鱾鳠帷fprsrvsert化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 圖圖5-19（b）指出熱流）指出熱流2、3和和4是并聯(lián)的，并且是并聯(lián)的，并且與熱流與熱流5串聯(lián)，再與熱流串聯(lián)，再與熱流1、6并聯(lián)，并組成靜止流并聯(lián)，并組成靜止流體有效導(dǎo)熱系數(shù)體有效導(dǎo)熱系數(shù) ，最后，最后 和流動(dòng)流體徑向有效導(dǎo)和流動(dòng)流體徑向有效導(dǎo)熱

39、系數(shù)熱系數(shù) 并聯(lián)組成整個(gè)固定床的有效導(dǎo)熱系數(shù)并聯(lián)組成整個(gè)固定床的有效導(dǎo)熱系數(shù) 。 如果固定床被冷卻，則固定床中的熱量通過上如果固定床被冷卻，則固定床中的熱量通過上述七種方式傳至床層器壁內(nèi)流體滯流膜，再通過滯述七種方式傳至床層器壁內(nèi)流體滯流膜，再通過滯流膜傳向器壁，這個(gè)過程的給熱系數(shù)稱為壁給熱系流膜傳向器壁，這個(gè)過程的給熱系數(shù)稱為壁給熱系數(shù)數(shù) 。e0e0erterW化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 根據(jù)上述傳熱過程分析，研究固定床的傳熱問根據(jù)上述傳熱過程分析，研究固定床的傳熱問題常用下列兩種不同的處理方法：題常用下列兩種不同的處理方法：分別測(cè)定床層的徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)分別測(cè)定床層的徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)

40、 和壁給熱系和壁給熱系數(shù)數(shù) ；將將 和和 合并一起，測(cè)定整個(gè)固定床層對(duì)壁的給熱合并一起，測(cè)定整個(gè)固定床層對(duì)壁的給熱系數(shù)系數(shù) 。 如果只需要確定固定床的傳熱面積時(shí)，采用第如果只需要確定固定床的傳熱面積時(shí)，采用第二種方法。如果既需要確定傳熱面積，又需要確定二種方法。如果既需要確定傳熱面積，又需要確定床層內(nèi)徑向溫度分布，要采用第一種方法。床層內(nèi)徑向溫度分布，要采用第一種方法。ererWWt化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 二、固定床對(duì)壁的給熱系數(shù)二、固定床對(duì)壁的給熱系數(shù) 當(dāng)確定固定床與外界的換熱面積當(dāng)確定固定床與外界的換熱面積F時(shí)，若以床時(shí)，若以床層內(nèi)壁的滯流邊界層作為傳熱阻力所在，應(yīng)以近壁層內(nèi)壁的

41、滯流邊界層作為傳熱阻力所在，應(yīng)以近壁處的床層溫度處的床層溫度TR和換熱面內(nèi)壁溫度和換熱面內(nèi)壁溫度Tw之差作為傳熱之差作為傳熱推動(dòng)力。但是，近壁處的床層溫度推動(dòng)力。但是，近壁處的床層溫度TR難以直接測(cè)量，難以直接測(cè)量，一般要從床層的徑向溫度分布來求解，這種計(jì)算換一般要從床層的徑向溫度分布來求解，這種計(jì)算換熱面積的方法很不方便。熱面積的方法很不方便?；瘜W(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 因此，若只需要計(jì)算固定床與外界換熱所需的因此，若只需要計(jì)算固定床與外界換熱所需的傳熱面積時(shí)，將床層的徑向傳熱與通過床層內(nèi)壁的傳熱面積時(shí)，將床層的徑向傳熱與通過床層內(nèi)壁的滯流邊界層的傳熱合并成整個(gè)固定床對(duì)壁的傳熱，滯流邊

42、界層的傳熱合并成整個(gè)固定床對(duì)壁的傳熱，這時(shí)就要以固定床中同一截面處流體的平均溫度這時(shí)就要以固定床中同一截面處流體的平均溫度Tm與換熱面內(nèi)壁溫度與換熱面內(nèi)壁溫度Tw之差作為傳熱推動(dòng)力，而相應(yīng)之差作為傳熱推動(dòng)力，而相應(yīng)的給熱系數(shù)就稱為固定床對(duì)壁的給熱系數(shù)。此時(shí)，的給熱系數(shù)就稱為固定床對(duì)壁的給熱系數(shù)。此時(shí)，傳熱速率方程可表示如下：傳熱速率方程可表示如下：化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n (5-37) 當(dāng)相同的質(zhì)量通量當(dāng)相同的質(zhì)量通量G，kg/(m2s)，固定床由于存，固定床由于存在有固體顆粒，增加了流體的渦流，下面介紹其中在有固體顆粒，增加了流體的渦流，下面介紹其中的一種。的一種。 當(dāng)流體流過固定床

43、而被冷卻時(shí)，以流體進(jìn)出口當(dāng)流體流過固定床而被冷卻時(shí)，以流體進(jìn)出口處床層的平均溫度的算術(shù)平均值作為計(jì)算物理性質(zhì)處床層的平均溫度的算術(shù)平均值作為計(jì)算物理性質(zhì)的示性溫度，對(duì)于玻璃或低導(dǎo)熱系數(shù)的瓷質(zhì)球狀顆的示性溫度，對(duì)于玻璃或低導(dǎo)熱系數(shù)的瓷質(zhì)球狀顆粒，其直徑為粒，其直徑為dV，床層對(duì)壁的給熱系數(shù)，床層對(duì)壁的給熱系數(shù) 可以歸納可以歸納如下：如下： (5-38)dFTTdQwmttVtPfttddLdd68. 3exp59. 11PrRe0 . 61123. 06 . 0化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 上式的試驗(yàn)范圍：上式的試驗(yàn)范圍：dV/dt0.080.5；L/dt=1030； ; Pr(Prandt

44、l數(shù)) ； （Nusselt數(shù)）。 對(duì)于銅、鐵等高導(dǎo)熱系數(shù)球形顆粒，可歸納如下對(duì)于銅、鐵等高導(dǎo)熱系數(shù)球形顆粒，可歸納如下 (5-39) 上式試驗(yàn)范圍：上式試驗(yàn)范圍： dV/dt=0.10.5;L/dt=1030;ReP=30010000。 對(duì)于圓柱形顆粒，其當(dāng)量直徑以與顆粒等外表面積的圓球直對(duì)于圓柱形顆粒，其當(dāng)量直徑以與顆粒等外表面積的圓球直徑徑Dp計(jì)算。計(jì)算。Re/250 6500PVfd G/0.722 4.8PffcNu/fttd18 . 052. 03 . 11Re17. 2LddddtVtPftt化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 如果固定床高度待求，則使用下式較為方便：如果固定床高度

45、待求，則使用下式較為方便：對(duì)于球形顆粒，其直徑為對(duì)于球形顆粒，其直徑為dV (5-40) 20ReP7600，0.05dV/dt0.3對(duì)于圓柱形顆粒對(duì)于圓柱形顆粒 (5-41)式中式中ds=6VP/SP，即等比外表面積球體直徑，即等比外表面積球體直徑，上式應(yīng)用范圍如下，上式應(yīng)用范圍如下 20ReS800，0.03 ds/dt 0.2一般情況下，一般情況下， 的值大致為的值大致為60 320tVPfttddd/6expRe03. 2/8 . 0tsSfttddd/6expRe26. 1/95. 0fsSGd/RetkJmh K2 kJmh K2 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 三、固定床徑向有

46、效導(dǎo)熱系數(shù)和壁給熱系數(shù)三、固定床徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)和壁給熱系數(shù) 以固定床徑向傳熱過程分析為基礎(chǔ)的固定床徑以固定床徑向傳熱過程分析為基礎(chǔ)的固定床徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)和壁給熱系數(shù)的理論模型和有關(guān)參向有效導(dǎo)熱系數(shù)和壁給熱系數(shù)的理論模型和有關(guān)參數(shù)可參見教材數(shù)可參見教材13第四章。第四章。1. 理論模型理論模型化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 2. 實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 下面介紹基于固定床傳熱實(shí)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)式。中國(guó)下面介紹基于固定床傳熱實(shí)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)式。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所根據(jù)氣體通過固定床的科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所根據(jù)氣體通過固定床的床層徑向溫度分布實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得固定床的徑向有效床層徑向溫度分布實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得固

47、定床的徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)及壁給熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式：導(dǎo)熱系數(shù)及壁給熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式： (5-42) 式中式中A、B及及C為常數(shù)，取決于固體顆粒的特性，其為常數(shù)，取決于固體顆粒的特性，其數(shù)值列于表數(shù)值列于表5-2。流體的物性數(shù)據(jù)，以進(jìn)出口平均溫。流體的物性數(shù)據(jù)，以進(jìn)出口平均溫度的算術(shù)平均值作為定性溫度。度的算術(shù)平均值作為定性溫度。tBCerfVfVA d Gdd化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 表表5-2 5-2 式式(5-42)(5-42)中常數(shù)中常數(shù)A A、B B及及C C值值化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 對(duì)于低導(dǎo)熱系數(shù)顆粒，壁給熱系數(shù)可計(jì)算如下：對(duì)于低導(dǎo)熱系數(shù)顆粒，壁給熱系數(shù)可計(jì)算如下： (5-

48、43) 對(duì)于高導(dǎo)熱系數(shù)顆粒，壁給熱系數(shù)可計(jì)算如下：對(duì)于高導(dǎo)熱系數(shù)顆粒，壁給熱系數(shù)可計(jì)算如下： (5-44) 對(duì)于圓柱形顆粒，當(dāng)量直徑采用等外表面積的對(duì)于圓柱形顆粒，當(dāng)量直徑采用等外表面積的圓球直徑。圓球直徑。0.40.2ttt65exp4WfVVfddddLd G0.460.80.1ttt5.1WfVVfddddLd G化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 上列三式的實(shí)驗(yàn)范圍如下：上列三式的實(shí)驗(yàn)范圍如下： dV/dt0.0740.254(低導(dǎo)熱系數(shù)顆粒低導(dǎo)熱系數(shù)顆粒)； dV/dt0.120.20(高導(dǎo)熱系數(shù)顆粒高導(dǎo)熱系數(shù)顆粒)； L/dt 515； 。 按式按式(5-42)計(jì)算的徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)

49、是平均值，與計(jì)算的徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)是平均值，與徑向位置無關(guān)。徑向位置無關(guān)。130 1400Vd G化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 有關(guān)固定床傳熱的研究工作表明：有關(guān)固定床傳熱的研究工作表明：固體顆粒的形狀如圓柱形、單孔環(huán)柱形及低管徑與固體顆粒的形狀如圓柱形、單孔環(huán)柱形及低管徑與顆粒直徑比，將影響固定床徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)和壁顆粒直徑比，將影響固定床徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)和壁給熱系數(shù)的數(shù)值。給熱系數(shù)的數(shù)值。對(duì)于單孔環(huán)柱形顆粒，采用同時(shí)計(jì)入外環(huán)和內(nèi)環(huán)表對(duì)于單孔環(huán)柱形顆粒，采用同時(shí)計(jì)入外環(huán)和內(nèi)環(huán)表面積的等比表面積的當(dāng)量直徑整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好，面積的等比表面積的當(dāng)量直徑整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好，并且對(duì)于單孔環(huán)柱形，內(nèi)環(huán)

50、與外環(huán)直徑比較大時(shí)，并且對(duì)于單孔環(huán)柱形，內(nèi)環(huán)與外環(huán)直徑比較大時(shí)，強(qiáng)化了固定床徑向傳熱性能。異形多通孔催化劑的強(qiáng)化了固定床徑向傳熱性能。異形多通孔催化劑的固定床導(dǎo)熱系數(shù)可參閱。固定床導(dǎo)熱系數(shù)可參閱?；瘜W(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 四、固定床徑向及軸向傳熱的偏微分方程四、固定床徑向及軸向傳熱的偏微分方程 現(xiàn)以圓柱形固定床為例討論其中不進(jìn)行化學(xué)反現(xiàn)以圓柱形固定床為例討論其中不進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的熱量傳遞過程，并采用下列應(yīng)的熱量傳遞過程，并采用下列假定假定：G由于軸向有效導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值遠(yuǎn)低于徑向有效導(dǎo)熱系由于軸向有效導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值遠(yuǎn)低于徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)，即只考慮軸向隨流體帶入及帶出的顯熱；數(shù)，即只考慮軸向隨流

51、體帶入及帶出的顯熱；G假定床層內(nèi)各點(diǎn)的固體溫度與流體溫度相同，即不假定床層內(nèi)各點(diǎn)的固體溫度與流體溫度相同，即不考慮固體與流體間的溫度差；考慮固體與流體間的溫度差；G略去溫度對(duì)熱容的影響。略去溫度對(duì)熱容的影響?；瘜W(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 在圓柱形固定床內(nèi)，取一高為在圓柱形固定床內(nèi)，取一高為dl、厚為、厚為dr，并，并對(duì)稱于床層軸的微元環(huán)柱體，見圖對(duì)稱于床層軸的微元環(huán)柱體，見圖5-20。單位時(shí)間。單位時(shí)間內(nèi)，從徑向內(nèi)，從徑向r面?zhèn)魅氲臒崃繛槊鎮(zhèn)魅氲臒崃繛镼1，由，由rdr面?zhèn)鞒龅拿鎮(zhèn)鞒龅臒崃繛闊崃繛镼2；從軸向；從軸向l面?zhèn)魅氲臒崃繛槊鎮(zhèn)魅氲臒崃繛镼3，由，由ldl面?zhèn)髅鎮(zhèn)鞒龅臒崃繛槌龅臒崃?/p>

52、為Q4。根據(jù)上述假定，以。根據(jù)上述假定，以0作為計(jì)算顯作為計(jì)算顯熱的基準(zhǔn)溫度，若床層被冷卻，熱的基準(zhǔn)溫度，若床層被冷卻，Q1、Q2、Q3及及Q4可可分別表示如下：分別表示如下：化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n rrerrTdlrQ2,1drrdrrerrTdldrrQ2,2lPTrdrGcQ23dllPTrdrGcQ24 圖圖5-20 微元環(huán)柱體的傳熱模型微元環(huán)柱體的傳熱模型化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 對(duì)該微元體作熱平衡，對(duì)該微元體作熱平衡，Q1+Q3=Q2+Q4 由于由于 ； ；將上述關(guān)系代入，略去將上述關(guān)系代入，略去(dr)2項(xiàng)，化簡(jiǎn)后，可得項(xiàng)，化簡(jiǎn)后，可得 (5-45)drrTrT

53、rTrrdrr22dllTTTlldlldrrrerrerdrrer,0122rTrrTrrTlTGcererP化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 如果略去徑向位置對(duì)徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響，如果略去徑向位置對(duì)徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響，即即 ，則上式化簡(jiǎn)為，則上式化簡(jiǎn)為 (5-46) 式式(5-45)及式及式(5-46)是固定床內(nèi)徑向與軸向傳熱的偏是固定床內(nèi)徑向與軸向傳熱的偏微分方程，若微分方程，若r0為床層半徑，為床層半徑，L為床層高度，為床層高度，T0為床為床層入口處溫度，其邊界條件如下：層入口處溫度，其邊界條件如下： l=0, r=0, r=r0,0000TTTrrr時(shí)，00rTLl時(shí)，wRw

54、rerTTrTLl00時(shí)，0rer0122rTrrTlTGcerP化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 五、固定床中流體與顆粒外表面間的傳熱與傳質(zhì)五、固定床中流體與顆粒外表面間的傳熱與傳質(zhì) 固定床中流體與顆粒外表面間的傳熱及傳質(zhì)過固定床中流體與顆粒外表面間的傳熱及傳質(zhì)過程主要決定于流體與顆粒外表面間的給熱系程主要決定于流體與顆粒外表面間的給熱系數(shù)數(shù) ，及傳質(zhì)系數(shù)，及傳質(zhì)系數(shù) 。 關(guān)于關(guān)于 和和 與流體的流動(dòng)特性和物理性質(zhì)、固與流體的流動(dòng)特性和物理性質(zhì)、固定床特性之間的關(guān)系，發(fā)表了許多從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理定床特性之間的關(guān)系，發(fā)表了許多從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理獲得的關(guān)聯(lián)式，其中關(guān)于表征流體流動(dòng)特性的獲得的關(guān)聯(lián)式，其中

55、關(guān)于表征流體流動(dòng)特性的Re數(shù)數(shù)有三種方式有三種方式:KhmkJ2，s32mkmolhmkmol,kGsGkfpGDRep )(GDeRpf1GDeRp f化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 下面二項(xiàng)關(guān)聯(lián)式是整理有關(guān)床層空隙率對(duì)流體下面二項(xiàng)關(guān)聯(lián)式是整理有關(guān)床層空隙率對(duì)流體與顆粒外表面間傳熱及傳質(zhì)影響的眾多文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)與顆粒外表面間傳熱及傳質(zhì)影響的眾多文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)以據(jù)后，發(fā)現(xiàn)以 與傳熱與傳熱J-因子因子JH或或 與傳質(zhì)與傳質(zhì)J-因子因子JD的乘積與的乘積與 來關(guān)聯(lián)，可以在廣泛的雷諾數(shù)區(qū)間來關(guān)聯(lián)，可以在廣泛的雷諾數(shù)區(qū)間適用，并同時(shí)適用于固定床及流化床，實(shí)驗(yàn)所用固適用，并同時(shí)適用于固定床及流化床，

56、實(shí)驗(yàn)所用固體含圓球、圓柱形、單孔環(huán)柱形，鞍形及不規(guī)則形體含圓球、圓柱形、單孔環(huán)柱形，鞍形及不規(guī)則形狀等顆粒，狀等顆粒，Dp為等外表面積球體直徑。為等外表面積球體直徑。GDpRe化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 固定床與流化床中流體與顆粒外表面間的傳熱固定床與流化床中流體與顆粒外表面間的傳熱J因子因子JH可關(guān)聯(lián)如下：可關(guān)聯(lián)如下： (5-47) 式中，式中， 的適用范圍為的適用范圍為1015000。35. 032HRe3023. 0Re876. 2PPffppscGcJfGDRepP化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 固定床及流化床中流體中組分與顆粒外表面間固定床及流化床中流體中組分與顆粒外表面間的

57、傳質(zhì)的傳質(zhì)J-因子因子JD可關(guān)聯(lián)如下可關(guān)聯(lián)如下 (5-48) 式中，式中，ReP的適用范圍為的適用范圍為0.0115000，DB為組分的為組分的分子擴(kuò)散系數(shù)。分子擴(kuò)散系數(shù)。386. 082. 032ffDRe365. 0Re765. 0PPBfGDGkJ化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 上二式中流體的物性數(shù)據(jù)都以膜溫計(jì)算，而膜上二式中流體的物性數(shù)據(jù)都以膜溫計(jì)算，而膜溫取流體主體及顆粒外表面溫度的算術(shù)平均值。由溫取流體主體及顆粒外表面溫度的算術(shù)平均值。由上二式可見，增大流體在固定床中的質(zhì)量流率或質(zhì)上二式可見，增大流體在固定床中的質(zhì)量流率或質(zhì)量通量量通量G，減小顆粒的當(dāng)量直徑，減小顆粒的當(dāng)量直徑D

58、p，都可以增大固，都可以增大固定床及流化床中流體與顆粒外表面間的給熱系數(shù)定床及流化床中流體與顆粒外表面間的給熱系數(shù) 和和傳質(zhì)系數(shù)傳質(zhì)系數(shù)kG。s化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 第四節(jié)第四節(jié) 絕熱式固定床催化反應(yīng)器絕熱式固定床催化反應(yīng)器 圖圖5-21是單一可逆放熱反應(yīng)絕熱催化床的操作過是單一可逆放熱反應(yīng)絕熱催化床的操作過程在程在xAT圖上的標(biāo)繪。圖上標(biāo)繪了平衡曲線、最佳圖上的標(biāo)繪。圖上標(biāo)繪了平衡曲線、最佳溫度曲線和絕熱操作線溫度曲線和絕熱操作線AB，A點(diǎn)表示進(jìn)口狀態(tài)，點(diǎn)表示進(jìn)口狀態(tài)，B點(diǎn)點(diǎn)表示出口狀態(tài)。表示出口狀態(tài)。一、絕熱溫升及絕熱溫降一、絕熱溫升及絕熱溫降圖圖5-21 絕熱催化床的絕熱催化

59、床的xA-T圖圖化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 絕熱反應(yīng)過程中，整個(gè)催化床與外界沒有熱量絕熱反應(yīng)過程中，整個(gè)催化床與外界沒有熱量交換，即交換，即 對(duì)上式從催化床進(jìn)口到出口進(jìn)行積分，可得對(duì)上式從催化床進(jìn)口到出口進(jìn)行積分，可得 (5-49)ArATbPTdxHyNdTcN00212100AAbbxxAPTrATTTbdxcNHyNdT化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 式式(5-49)表達(dá)了由熱量衡算式所確定的反應(yīng)過表達(dá)了由熱量衡算式所確定的反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系。程中轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系。Tb1及及Tb2，xA1及及xA2分別分別表示整個(gè)催化床進(jìn)、出口處的溫度和反應(yīng)組分表示整個(gè)催化床進(jìn)、出口

60、處的溫度和反應(yīng)組分A的的轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)熱轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)熱 是反應(yīng)物系溫度和壓力的函數(shù)，是反應(yīng)物系溫度和壓力的函數(shù)，等壓摩爾熱容等壓摩爾熱容CP是反應(yīng)混合物組成及溫度的函數(shù)，是反應(yīng)混合物組成及溫度的函數(shù)，而反應(yīng)物系的摩爾流量而反應(yīng)物系的摩爾流量NT也隨轉(zhuǎn)化率而變。因此，也隨轉(zhuǎn)化率而變。因此，嚴(yán)格說來，對(duì)式嚴(yán)格說來，對(duì)式(5-49)進(jìn)行積分計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮到進(jìn)行積分計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮到轉(zhuǎn)化率和溫度的變化對(duì)反應(yīng)熱、熱容和反應(yīng)物系摩轉(zhuǎn)化率和溫度的變化對(duì)反應(yīng)熱、熱容和反應(yīng)物系摩爾流量的影響，只能用計(jì)算機(jī)運(yùn)算。爾流量的影響，只能用計(jì)算機(jī)運(yùn)算。Hr化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 在工業(yè)計(jì)算中可以簡(jiǎn)化，因?yàn)闊犰适俏锵?/p>