化學(xué)反應(yīng)工程-19-第六章-氣固相催化反應(yīng)固定床反應(yīng)器

1、第六章第六章氣固相催化反應(yīng)固定床反應(yīng)器氣固相催化反應(yīng)固定床反應(yīng)器流體在床層內(nèi)的流動(dòng)和空管不同，當(dāng)床層中裝有固體顆粒時(shí)，流體只能從顆粒之間的空隙通過(guò)，而且不斷和顆粒相碰撞改變流向，因此它較空管更容易形成湍流。PBBBPBVV11111顆粒密度顆粒堆積密度顆粒體積顆粒質(zhì)量床層體積顆粒質(zhì)量床層體積顆粒體積床層體積空隙體積6.1流體在固定床中的傳遞特性流體在固定床中的傳遞特性6.1.1 流體在固定床內(nèi)的流動(dòng)特性流體在固定床內(nèi)的流動(dòng)特性一、床層空隙率與流體的流動(dòng)一、床層空隙率與流體的流動(dòng)床層空隙率以B表示，定義為：空隙率分布：空隙率分布：床層空隙率隨粒子的形狀、大小而異，同時(shí)與床層徑向位置也有關(guān)系，在壁

2、面附近處空隙率大，一般在離壁一個(gè)粒子直徑處空隙率最大；離壁越遠(yuǎn)，變化逐漸減小，最后趨于定值?？障堵史植嫉挠绊懀嚎障堵史植嫉挠绊懀褐苯佑绊懥黧w流速的分布，進(jìn)而使流體與顆粒、床層與反應(yīng)器壁之間的傳熱、傳質(zhì)行為不同，流體的停留時(shí)間也不同，最終會(huì)影響到化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。為減少壁效應(yīng)，要求床層直徑（dt）至少為粒徑（dP）的八倍以上。 對(duì)球形催化劑，應(yīng)用一個(gè)參數(shù)dP即可完整描述顆粒的全部幾何性質(zhì)，即自由度為1； 對(duì)規(guī)則形催化劑，如圓柱形，用兩個(gè)參數(shù)如h、d即可； 對(duì)不規(guī)則顆粒，也是用兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述顆粒的幾何性能：一是當(dāng)量直徑；另一是形狀參數(shù)。二、顆粒的定型尺寸二、顆粒的定型尺寸顆粒的定型尺寸常用粒徑來(lái)表示

3、：1、單個(gè)粒子、單個(gè)粒子粒徑粒徑dP：體積相當(dāng)直徑體積相當(dāng)直徑 （通常指（通常指 ） 顆粒的實(shí)際體積；顆粒的外表面積。，SSSV 、SVSSVdSVVdSVVd3234316SVVd對(duì)不規(guī)則顆粒有兩個(gè)基本的幾何參數(shù)。根據(jù) 來(lái)計(jì)算顆粒的當(dāng)量直徑。設(shè)粒子的體積為的定義：Pd指具有和固體顆粒相同體積的模型球直徑。SSSV 、，adSSadSaSd22421SaSdSdSdSSSSVSdd3223444SSSSVd6SSVSSS2VVdS面積相當(dāng)直徑面積相當(dāng)直徑：設(shè)粒子的外表面積為的定義由下式確定：比表面積相當(dāng)直徑比表面積相當(dāng)直徑：由下式確定：形狀系數(shù)的概念，以形狀系數(shù)的概念，以表示：表示：（和粒子具

4、有相同體積的球形顆粒的外表面積）2aVSdd西勒模數(shù)就是以西勒模數(shù)就是以dS為定型尺寸的。為定型尺寸的。床層的當(dāng)量直徑niiiPdxd11PdixididededHeBeRSd44444又名床層的比表面積表面積單位體積床層中顆粒外空隙率顆粒潤(rùn)濕表面積空隙體積潤(rùn)濕周邊流通截面積對(duì)于大小不等的混合顆粒，平均直徑為：粒子群的平均直徑；直徑等于的顆粒所占的質(zhì)量分率；3、固定床的當(dāng)量直徑、固定床的當(dāng)量直徑的定義：2、粒子群、粒子群篩分直徑。RH水力半徑 eS床VSVSSBS床SBBSSBSSSenVVdVSnVnSVnSS1 1611床SBBBSBeddd132164求床層的比表面積：，其中有n顆催化劑

5、粒子，每顆體積，外表面積。故：設(shè)床層體積為 122uddldPgedldPgu壓降計(jì)算式：式中：為流體通過(guò)單位床高引起的壓強(qiáng)變化；為流體密度；為流體通過(guò)床層的實(shí)際流速。三、流體通過(guò)床層的壓降三、流體通過(guò)床層的壓降Buu0 212123203203SgBBgBBSduuddldP43BggSggeudud132Re0BggSmud1Re0若以u(píng)0表示流體通過(guò)床層的空塔流速，則：（1）式變?yōu)椋菏街校?，為摩擦系?shù)，其值與雷諾數(shù)有關(guān)。令：稱為修正雷諾數(shù)。雷諾數(shù)：mRe75. 1Re150m 3175. 1Re150203SgBBmdudldPSgBBmduLP203175. 1Re150與之間的關(guān)系如

6、下：（2）式最后為：如果流體通過(guò)床層時(shí)溫度變化不大，壓降相對(duì)較小，床層填充均勻，則方程解為：此式成為厄根（Ergun）方程。例例：在內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)裝有4m高的催化劑層，催化劑的粒徑分布如下表（形狀系數(shù)S=0.65） ：粒徑dV/mm3.404.606.90質(zhì)量分?jǐn)?shù)xi0.600.250.15催化劑為球體，空隙率為B=0.44。在反應(yīng)條件下氣體的密度g=2.46kg/m3，黏度g=2.310-5kg/(m.s)，氣體的質(zhì)量流速G=6.2kg/(m-2.s-1)。求床層的壓降。SgBBmduLP203175. 1Re150mmdxddniiiVP96. 390. 615. 060. 425.

7、 040. 360. 011124044. 01103 . 22 . 610576. 21Re530BggSmud解：2aVSddmmda91. 4mmddSVdaVSSS576. 291. 496. 362323則：PaP533210948. 2444. 044. 0146. 210576. 222. 675. 11240150 PgeWhh、0顆粒內(nèi)部的傳熱顆粒與流體之間的傳熱床層整體有效導(dǎo)熱系數(shù)床層和反應(yīng)器壁之間的傳熱對(duì)于中P，見第十七講非等溫反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)方程。它的大小往往由固體顆粒自身的性質(zhì)粒內(nèi)孔隙情況決定的，顆粒內(nèi)的傳熱主要是以熱傳導(dǎo)形式進(jìn)行的。6.1.2固定床內(nèi)的傳熱固定床內(nèi)的傳

8、熱床層尺度上的傳熱過(guò)程包括四個(gè)方面：床層尺度上的傳熱過(guò)程包括四個(gè)方面：；。對(duì)于中的g第十七講中已經(jīng)討論過(guò)?，F(xiàn)重點(diǎn)討論現(xiàn)重點(diǎn)討論和和 ！一、固定床的有效導(dǎo)熱系數(shù)一、固定床的有效導(dǎo)熱系數(shù)eeere熱量的傳遞主要有三種方式：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳導(dǎo)：粒子內(nèi)部，流體內(nèi)部。對(duì)流：粒子和流體之間。輻射：溫度較高時(shí)，床層內(nèi)的熱傳遞方式。綜合考慮了床層中各種熱量傳遞過(guò)程，它是流體及固體顆粒特性以綜合考慮了床層中各種熱量傳遞過(guò)程，它是流體及固體顆粒特性以及流動(dòng)狀態(tài)的函數(shù)及流動(dòng)狀態(tài)的函數(shù)。，r表示徑向。有效導(dǎo)熱系數(shù)有效導(dǎo)熱系數(shù)P僅僅包括了顆粒固體部分和粒內(nèi)空隙部分。固定床中的傳熱一般地主要沿著徑向進(jìn)行的，與反應(yīng)

9、無(wú)關(guān)。這很重要，根據(jù)這一點(diǎn)，可以在無(wú)反應(yīng)存在的前提下對(duì)式中：eeeeePrRebaeba、通常取決于如下幾種因素：顆粒內(nèi)的導(dǎo)熱；顆粒與流體之間的對(duì)流傳熱；流體內(nèi)的傳熱；床層內(nèi)的輻射傳熱。的獲得只能依賴于實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行測(cè)定，一般將表示成下列形式：氣體導(dǎo)熱系數(shù)；實(shí)驗(yàn)常數(shù)。下面重點(diǎn)講解如何獲得下面重點(diǎn)講解如何獲得“床層有效導(dǎo)熱系數(shù)床層有效導(dǎo)熱系數(shù)”。 1PrRe0Pee0e粒子形狀，填料種類,/tPddf下面是一個(gè)常用的公式：流體靜止時(shí)的床層導(dǎo)熱系數(shù)；（1）式右邊后一項(xiàng)表示流體流動(dòng)、混合對(duì)徑向傳熱的貢獻(xiàn)。可以從相關(guān)圖表獲得（見陳甘棠主編化學(xué)反應(yīng)工程第三版P167頁(yè)圖6-14查出）。0e 23211110

10、SPrSBPrVBedhdh 310011211227. 023 KmWThmBBrV，可用下式進(jìn)行計(jì)算：右邊第一項(xiàng)代表床層空隙部分對(duì)傳熱的貢獻(xiàn)；第二項(xiàng)代表顆粒部分的貢獻(xiàn)。hrV、hrS分別代表空隙和顆粒的輻射給熱系數(shù)，可由下式計(jì)算： 41002227. 023 KmWThmrS， 5216. 026. 0212B顆粒表面的熱輻射率；Tm床層的平均溫度，K；S顆粒固體的導(dǎo)熱系數(shù)。1、2可以從相關(guān)圖表獲得（見陳甘棠主編化學(xué)反應(yīng)工程P168頁(yè)圖6-15查出）。 63210SBBeeerez 78 . 07 . 0PrRe0；Peez 850PrRe15 .14PrRe0CCddGCPPPePPez

11、；1、當(dāng)dP很小，溫度較低及含有液體時(shí)，hrV、hrS兩項(xiàng)可忽略，則：2、當(dāng)粒徑在5mm以上，及高溫時(shí)，輻射傳熱的影響顯著；在真空中則完全由輻射控制。嚴(yán)格地講是，至于軸向床層有效導(dǎo)熱系數(shù)可由下列兩式計(jì)算：或：兩種極端情況：兩種極端情況：上面的的計(jì)算如下：0hWh0hmt 90WmttAhqWt0h 10210ybaedddhtPPtPddtd二、床層與器壁間的給熱系數(shù)二、床層與器壁間的給熱系數(shù)及及1、一維模型中、一維模型中模型認(rèn)為，床層的徑向只有一個(gè)溫度，沒有形成溫度分布。則：壁溫；A傳熱面積反應(yīng)壁效應(yīng)的影響；床層內(nèi)徑；氣體的導(dǎo)熱系數(shù)。的計(jì)算：的計(jì)算： ba和21 11212edhddedhb

12、PWPttW 12RePr442PttPtPedLdddGCLeyuG GdudCPPPP RePr，eWh其它變量的計(jì)算：都是b的函數(shù)，可由相關(guān)圖表查出。式中：L床層的高度；上式適用于y0.2的情況。（有效導(dǎo)熱系數(shù)）的計(jì)算已沒問(wèn)題，關(guān)鍵是找到的計(jì)算。Whmt 13WRWttAhqRtWtWh 14RePr1/11*0PWPWPWPWdhdhdh2、二維模型中、二維模型中模型認(rèn)為溫度沿著徑向形成了一個(gè)分布，故這時(shí)床層向壁的傳熱速率：取靠近壁處的流體溫度；反應(yīng)器壁溫度。如下式計(jì)算：的計(jì)算：的計(jì)算：沒有意義。代表管壁附近流體橫向混合比例， 15RePr2131*PPWCdh氣體液體 4.0 6 .

13、 2CW 0.041 054. 0面對(duì)插入床層的圓管外表圓筒形固定床的內(nèi)表面W0Wh 165 . 011000eWPWdh173111120SPrSWWPrVWWdhdhW4Pd7 . 0WW式中：式中：表示流體靜止時(shí)管壁的給熱系數(shù)，計(jì)算如下：而式中：離壁處的平均空隙率，一般；可由相關(guān)圖表獲得。的測(cè)定是不容易測(cè)準(zhǔn)的，這是由于要在靠近壁面的地方安裝熱電偶是相當(dāng)困難的，而且會(huì)影響該處的床層空隙率，從而引起流速的變化，所以床層該處的溫度分布常是外推得出。因此文獻(xiàn)上不同的關(guān)聯(lián)式算得的Wh 18094. 058. 24 . 08 . 03131PPPPPWCGdCGddh40GdPWhWh計(jì)算的另一個(gè)較

14、為方便的式子如下：該式適用范圍：應(yīng)當(dāng)指出：應(yīng)當(dāng)指出：值往往有較大的差異。例：例：在內(nèi)徑10cm的圓管內(nèi)置有直徑為4.0mm的球形粒子，已知床層的平均空隙率B=0.40，平均溫度120，S=0.345W/m.K，輻射率=0.90，=0.0325 W/m.K，Pr=0.70，求在ReP=dPG/=120下，床層的有效導(dǎo)熱系數(shù)e；管壁給熱系數(shù)hW；床層總高為4m時(shí)的總括給熱系數(shù)h0。 KmWhrV236 .131002731209 . 09 . 014 . 0124 . 011227. 0 KmWhrS233 .111002731209 . 029 . 0227. 06 .100325. 0345.

15、 0S解：解：求求e：因： 1PrRe0PeeSPrSBPrVBedhdh3211110因?yàn)椋呵螅ㄇ螅?）右邊第一項(xiàng)：）右邊第一項(xiàng)：060. 0152. 0211198. 0216. 026. 040. 0060. 0152. 0060. 0674. 10325. 0100 . 46 .133PrVdh390. 10325. 0100 . 43 .113PrSdh674. 4345. 00325. 032390. 11198. 01140. 01674. 1140. 00e查圖得：由式：又：則：04. 01000 . 4tPdd11. 091.1370. 012011. 0674. 4eKmW

16、e.452. 00325. 091.13因：由圖查得：故：求（求（1）右邊第二項(xiàng)：）右邊第二項(xiàng)：最后由（最后由（1）式：）式： 6 .10S11. 0W916. 4345. 00325. 031390. 111. 0117 . 01674. 127 . 00W0964. 0674. 45 . 0916. 4110PWdhKmWhW2303 .840964. 0100 . 40325. 0求求h hW：，查圖得：由式：由式：故：因：根據(jù)： 2RePr1/11*0PWPWPWPWdhdhdh求（求（2）右邊第一項(xiàng)：）右邊第一項(xiàng)：4 .141207 . 0054. 019 .38110964. 01

17、PWdhKmWhW233 .117100 . 40325. 04 .14由式：最后由最后由式：式：故：求（求（2）右邊第二項(xiàng)：）右邊第二項(xiàng)： 9 .381207 . 00 . 4RePr21312131*PPWCdh98.12452. 0210103 .1172b 25. 002. 521ba，2 . 006. 112070. 00325. 0452. 0104001040. 04y92. 206. 125. 002. 591.131040. 00PdhKmWh23073.23100 . 40325. 092. 2求求h h0：，查圖得：由式：由式：故：由式：根據(jù)：根據(jù)： ybadddhetPP210顆粒內(nèi)部的傳質(zhì)eDgkPe顆粒與流體之間的傳質(zhì)固定床中流體的混合擴(kuò)散 、前前已詳細(xì)討論；這里主要講已詳細(xì)討論；這里主要講。6.1.3固定床內(nèi)的傳質(zhì)固定床內(nèi)的傳質(zhì)；。床層的傳質(zhì)過(guò)程包括三個(gè)方面：當(dāng)流體流經(jīng)填充床時(shí)，不斷發(fā)生著分散與匯合，在徑向比在軸向往往