第五章 固定床氣-固相催化反應(yīng)器

1、第五章固定床氣一固相催化反應(yīng)器第一節(jié)概述、固定床反應(yīng)器的基本類型在工業(yè)生產(chǎn)中，對于由氣態(tài)的反應(yīng)物料，通過固體催化劑所構(gòu)成的床層進行反應(yīng)的裝置，通常稱為氣固相催化反應(yīng)器。固定床反應(yīng)器是最常見的氣一固相催化反應(yīng)器。氣體反應(yīng)物通過靜止不動的固體催化劑所形成的固定床層而進行反應(yīng)的裝置稱作固定床反應(yīng)器。所謂“固定'是垢催化劑固定不動的竟、恿。下表中列出了一些主要的固定床催化反應(yīng)過程。基本化學(xué)工業(yè)石油化學(xué)工業(yè)桂類水蒸氣轉(zhuǎn)化催化重整異構(gòu)化一氧化碳變換二氯化烷醋酸乙烯酯一氧化碳甲烷化丁二烯順酹氨合成苯酉干環(huán)已烷二氧化硫氧化苯乙烯加氫脫烷基甲醇合成固定床反應(yīng)器的主要優(yōu)點及缺點:由于催化劑固定不動，因此其

2、結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，催化劑在床層內(nèi)不易磨損O床層內(nèi)流體的流動接近活塞流，可用較少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積獲得較大的生產(chǎn)能力，當(dāng)伴有串聯(lián)副反應(yīng)時，可獲得較高的選擇性。缺點：固定床內(nèi)傳熱較差，而催化劑的載體又往往是熱不良導(dǎo)體。多數(shù)化學(xué)反應(yīng)又伴有熱效應(yīng)，傳熱和控溫就成了難題。催化劑的更換必須停產(chǎn)進行。為了減少催化劑更換造成的經(jīng)濟損失，要求催化劑要有足夠的壽命。固定床反應(yīng)器的分類固定床反應(yīng)器，按催化劑床層是否與外界進行熱量交換可分為：絕熱式和連續(xù)換熱式兩類。單段絕熱式絕熱式間接換熱式多段絕熱式VI冷激式（外冷（熱）式1連續(xù)換熱式原料氣冷激非原料氣冷激1、絕熱式固定床催化反應(yīng)器Il:7/A絕熱式固定

3、床催化反應(yīng)器：絕熱式如不計入熱損失則與外界不換熱，對于可逆放熱反應(yīng)，依靠本身放岀的反應(yīng)熱而使反應(yīng)氣體溫度逐步升高，催化床入口氣體溫度高于輙和的起始活性溫度,而出口氣徉溫度席于催化劑的耐熱溫度。（1）單段絕熱式（適用于放熱和吸熱反應(yīng)）單段絕熱式固定床反應(yīng)器，實際上就是一個容器，催化劑均勻堆置于床內(nèi)，預(yù)熱到一定溫度的反應(yīng)物料自上而下流過床層進行反應(yīng)，床層同外界無熱交換。適用于絕熱溫升較小的反應(yīng)。女山以天然氣為原料的大型合成氨廠中的一氧化碳中（高）溫變換及低溫變換、甲烷化反應(yīng)都是使用的單段絕熱式固定床反應(yīng)器。SimplifiedflowsheetfortypicalammoniaplantDiagr

4、am3AirHy-drodesulphuriserPrimaryReformerSecondaryReformerSieam-1HighTemperatureShiftLowTemperatureShiftNaturaLGas,*30barCoolingJIrSteamsupjrheater790uC350CfOOO»CCO2CoolingPrepeaterf290oCoolingReboilerRefrigeration220barCoolingCondensate330°CHeatRecoverySteamQuenchSteamraisingCoolingBoiler2

5、20°C420°CQuencdOO°Ci°CSteamraising»atRec:veryProcesCcnd-isa:-eLiquidArrnoniaCarbonDioxideCO2RemovalPMlhaAmmoniaSynthesis>200°55Q°Cn790vC290oqcozCoolingReboilerCooling350°CSteamQuenchCoolingBoilerCoolingCondensate330°HeatRecove420°C1000OCSteamraisi

6、ngRefrigeration220barSteamraisinaQuenchProciCone400°C LiquidArPurgeGa CarbonCMethanatorAmmoniaSynthesis(2)多段固定床絕熱反應(yīng)器或器通化。，應(yīng)可轉(zhuǎn)式熱反，高激換制程提冷接控過于和間以應(yīng)利式行1反列熱進分熱序換以組放度接可性逆溫間間情可附為段或于低分，對后以成物。高可組應(yīng)布先床床反分麻化熱體度形催絕氣溫?zé)釤醾€入向換絕多引軸可段由接的段。多童內(nèi)過率(a)間接換熱式：換熱器是列管九貝第療療?罷闍號動而被冷卻，冷卻過程中氣體的組成木變。狀就罄瞠時刪勰濤融強曲線O二氧化硫氧化和乙苯脫氫過程常

7、用多段間接換熱式(d)間接換熱式特點；催化劑床層的溫度波動小。!缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，催化劑裝卸較困難II應(yīng)用:適用于放熱反應(yīng)Tfrrr平衡溫度線最佳溫度線IV(b)原料氣冷激式如果段間用冷流體與上一段出口反應(yīng)氣體混合，稱為冷激無【冷激式反應(yīng)器的特點】冷激式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，便于裝卸催化劑，內(nèi)無冷臂，避免由于少數(shù)冷管損壞而影響操作，特別適用于大型催化反應(yīng)器。冷激用的冷流體如果是尚未反應(yīng)的原料氣，稱為原料氣冷徹茂。下圖是可逆放熱單反應(yīng)四段原料氣冷激式操作狀況。由于冷激氣是原料氣，過程的平衡溫度曲線和最佳溫度曲線在冷激前后都不變，但是冷激后下一段入口氣體的轉(zhuǎn)化率比上一段出口轉(zhuǎn)化率降低，這相當(dāng)于段間有部分

8、返混。被冷激氣體的轉(zhuǎn)化率越高，冷激后所造成的返混影響就越大。因此催化床體積比其他條件相同的間接換熱式增大。特點:卸催化劑,缺點:反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，便于裝催化劑床層的溫度波動小。操作要求較高應(yīng)用：適用于放熱反應(yīng)，能做成大型催化反應(yīng)器大型合成氨廠中的合成反應(yīng)器,(c)非原料氣冷激式冷激用的冷流體如果是非關(guān)鍵組分的反應(yīng)物，稱為非原料氣冷激式。如一氧化碳變換反應(yīng)器釆用過熱水蒸汽冷激。冷激后，平衡溫度曲線向著同一溫度下提高平衡轉(zhuǎn)化率的方向移動；最佳溫度曲線也隨之變動；【冷激式反應(yīng)器的特點】冷激式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，便于裝卸催化劑，內(nèi)無冷臂，避免由于少數(shù)冷管損壞而影響操作，特別適用于大型催化反應(yīng)器。狀況下圖是可

9、逆放熱單反應(yīng)四段原料氣冷激式操作如一氧化碳變換反應(yīng)器采用過熱水蒸汽冷激2、連續(xù)換熱式固定床催化反應(yīng)器優(yōu)點：連續(xù)換熱式反應(yīng)器中，催化床中反應(yīng)與換熱過程同時進行，催化床層的溫度較易控制，可使反應(yīng)在最佳溫度范圍內(nèi)進行,反應(yīng)速率較快，催化劑利用充分，反應(yīng)的選擇性也較高。因此，比絕熱式反應(yīng)器應(yīng)用更普遍。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，反應(yīng)器內(nèi)催化劑裝填量較少，床層的壓降較大，故其不能完全取代絕熱式反應(yīng)器。連續(xù)換熱式固定床催化反應(yīng)器的分類按反應(yīng)管的形式，可分為：單管式、雙套管我和三套管式按熱源，可分為：外熱式和自熱式，又紋育內(nèi)矗旨喩式、亦浴歹d管式、外部供熱管式三種。按冷熱氣體的流向，可分為：并流式和逆流式、按反應(yīng)氣體在

10、催化床中的流動方向，可分為:*由向反應(yīng)器和徑向反應(yīng)器。自熱式反應(yīng)器綜合連續(xù)換熱式反應(yīng)器和絕熱式反應(yīng)器的特點，對于某些反應(yīng)熱不太大而在高壓下進行的反應(yīng)，要求高壓容器的催化劑裝載系數(shù)較大和每立方米催化床每日的生產(chǎn)能力或空時產(chǎn)率較高，常采用催化床上部為絕熱層，下部為催化劑裝在冷管間而連續(xù)換熱的催化床，末反應(yīng)的氣體經(jīng)冷管而被預(yù)熱，這種連續(xù)換熱式反應(yīng)器稱為自熱式。內(nèi)冷自熱式催化劑裝載在冷管間，與冷管內(nèi)未反應(yīng)氣體連續(xù)換熱，未反應(yīng)氣體經(jīng)冷管預(yù)熱至催化床入口氣體溫度（高于催化劑的起始活性溫度），故稱自熱式。適用于反應(yīng)熱不太大而又在高壓下進行的放熱過程。如：中、小型氨合成及甲醇合成使用此型。自熱式反應(yīng)器的特點層

11、應(yīng)體適罪定量料的反原高高熱反氣只器分穩(wěn)熱原零番的持絕的應(yīng)器應(yīng)星有如為須須高保檢反應(yīng)反溫操氣，率必必率其用理，反式向此鵡化器花使使到中式熱軸因原工轉(zhuǎn)應(yīng)時轉(zhuǎn)來溫?zé)嶙缘?，對開于反工到器起升層自。好線其。處式開達熱合地卻。齧曲因象量熱在當(dāng)加結(jié)速冷線過出布，現(xiàn)總自；工器迅曲熱計分器態(tài)會于器態(tài)開應(yīng)熱段屠設(shè)度應(yīng)定就對熱定用反應(yīng)熱溫的可溫反重器此加的停式反換佳大也佳式多應(yīng)因工定步熱助入最太，最熱有反。開穩(wěn)逐換借進近不源于自會，象置不再。甲和體后接熱熱近但常熱現(xiàn)設(shè)過，應(yīng)及式氣然而應(yīng)來接。常預(yù)態(tài)外越后反塔熱應(yīng)卻反外更好，經(jīng)定層能態(tài)態(tài)成絕反度冷于了其更饋不溫床氣定定合將中溫被用省使性晝低應(yīng)料溫溫氨III1!(1)列

12、管式固定床反應(yīng)器這種反應(yīng)器由多根管徑通常為25"50mm的反應(yīng)管并聯(lián)構(gòu)成，但不小于25mmo管數(shù)可能多達萬根以上。管內(nèi)裝催化劑，催化劑粒徑應(yīng)小于管徑的8倍，通常固定床用的粒徑約為26mm,不小于1.5mmo載熱體流經(jīng)管間進行加熱或冷卻。在管間裝催化劑的很少見。列管式固定床反應(yīng)器外冷列管式、外部供熱管式二種。外冷列管式催化床用于放熱反應(yīng)，催化劑裝載在管內(nèi),以增加單位體積催化床的傳熱面積。載熱體在管間流動或汽化以移走反應(yīng)熱。載熱體的選擇：合理地選擇載熱體是控制反應(yīng)溫度和保持穩(wěn)定操作的關(guān)健。載熱體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。反應(yīng)溫度不同,選用的熱載體不同。般反應(yīng)

13、溫度在200250C時，米用加壓熱水汽化作載熱體而副產(chǎn)中壓蒸汽；反應(yīng)溫度在250300°C時，可采用揮發(fā)性低的有機載熱體如礦物油，聯(lián)苯一聯(lián)苯醍混合物；反應(yīng)溫度在300°C以上時，采用熔鹽作載熱體，熔鹽吸收的反應(yīng)熱都用來產(chǎn)生蒸汽。無機熔鹽（硝酸鉀，硝酸鈉及亞硝酸鈉的混合物,KNO353%,NaNO37%,NaNO240%）可用于300400°C的情況。外部供熱管式催化床用于吸熱反應(yīng)，催化劑裝載在管內(nèi)，管外用熱載體，女口煙道氣，溫度可高達600700°C左右。列管式固定床反應(yīng)器：外冷列管式蒸汽GasinletubeGasoutlet"ubeplat

14、eBuffle/ubeGasoutletTubeplate.Buffle催化劑補充水(arolysrpocking.100mmlubs£1笆-scnsteam+CH,tubeswithcatalyst10%CH外部供熱管式列管式反應(yīng)器優(yōu)點 傳熱面積大，傳熱效果好，易控制催化劑床層溫度，反應(yīng)速率快，選擇性高。(2)返混小、選擇性較高;只要增加管數(shù)，便可有把握地進行放大;對于極強的放熱反應(yīng)，還可用同樣粒度的惰性物料來稀釋催化劑缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，設(shè)備費用高。適用：能適用于熱效應(yīng)大的反應(yīng)。原料成本高，副產(chǎn)物價值低以及分離不是十分容易的情況。加壓熱水作載熱體的反應(yīng)裝置以加壓熱水作載熱體的固定床

15、反應(yīng)裝置示意圖用有機載熱體帶走反應(yīng)熱的反應(yīng)裝置:反應(yīng)器外設(shè)置載熱體冷卻器，利用載熱體移出的反應(yīng)熱副產(chǎn)中壓蒸汽。1-列管上花板；2、3-折流板；4- 反應(yīng)列管；5- 折流板固定棒;6- 人孔；7- 列管下花板；舉村老畀它人門H直煒出口以油作載熱體的固定床反應(yīng)裝置示意圖8- 載熱體冷卻器以熔鹽作載熱體冷卻裝置在器內(nèi)的反應(yīng)裝置:原料氣進口;2- 上頭蓋；3- 催化劑列管;4- 下頭蓋；5- 反應(yīng)氣出口;6- 攪拌器；7籠式冷卻器以熔鹽為載熱體的反應(yīng)裝置示意圖(2)三套管并流式催化反應(yīng)器冷管是三重套管，外冷管是催化床的換熱面，內(nèi)冷管內(nèi)襯有內(nèi)襯管，內(nèi)冷管與內(nèi)襯管之間的間距為Imm,形成隔熱的滯氣層而使內(nèi)

16、、外冷管之間的傳熱可以不計。三套管并流式反應(yīng)器的特點:特點：反應(yīng)床層中溫度接近最佳溫度曲線、反應(yīng)過程中熱量自給。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，催化劑裝載系數(shù)較大。應(yīng)用：只適用于較易維持一定溫度分布的熱效應(yīng)不大的放熱反應(yīng)，能適用于高壓反應(yīng)。下圖是三套管并流式催化床的氣體溫度分布和操作狀況圖。三套管并流式冷管催化床溫度分布及操作狀況床層深度反應(yīng)進度(3)軸向反應(yīng)器VS徑向反應(yīng)器按照反應(yīng)氣體在催化床中的流動方向分類，固定床反應(yīng)器可分為軸向流動與徑向流動。【軸向流動反應(yīng)器】軸向流動反應(yīng)器中氣體流向與反應(yīng)器的軸平行?！緩较蛄鲃臃磻?yīng)器】徑向流動催化床中氣體在垂直于反應(yīng)器軸的各個橫截面上沿半徑方向流動。徑向流動催

17、化床的氣體流道短，流速低，可奮!|孚冀常低催化床壓降，為使用小顆粒催化劑八沁為掃動反應(yīng)器的設(shè)計關(guān)鍵是合理設(shè)計流道使各個橫截面上的氣體流量均等。對分布流道的制造要求較高，且要求催化劑有較高的機械強徑向催化床中也可以安裝冷管。催化床由無分隔的兩部分組成，上部是軸向催化床，下部是軸徑向混合流動催化床，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，主娶部分仍用側(cè)壁開孔調(diào)節(jié)以保證氣體作均勻徑向流動。軸向反應(yīng)器vs徑向反應(yīng)器AReactoroutletReactorinletKAAPRadialReactoruses二、反應(yīng)器設(shè)計原則1v反應(yīng)器設(shè)計的內(nèi)容反應(yīng)器的設(shè)計包括化工設(shè)計和機械設(shè)計。

18、化工設(shè)計是反應(yīng)工程研究的內(nèi)容，其主要任務(wù)是：首先選擇反應(yīng)的型式和操作方法，然后根據(jù)反應(yīng)和物料的特點，計算所需要的加料速度、操作條件（溫度、壓力、組成）以及反應(yīng)器體積，并以此確定反應(yīng)器主要構(gòu)件的尺寸，同時還應(yīng)該考慮經(jīng)濟效益和環(huán)境保護等方面的要求。機械設(shè)計的任務(wù)是機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算。2、反應(yīng)器設(shè)計一般應(yīng)具備的條件反應(yīng)器設(shè)計之前，應(yīng)掌握以下數(shù)據(jù)： 反應(yīng)過程的熱力學(xué)數(shù)據(jù)和物料的比熱容、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)及擴散系數(shù)等物性數(shù)據(jù)，這是物理化學(xué)和化工熱另學(xué)的忻容。 盡可能獲得反應(yīng)動力學(xué)及傳遞過程的數(shù)據(jù)。本征動力學(xué)方程一般可以通過科學(xué)實驗獲得。大多數(shù)工業(yè)催化劑必須考慮內(nèi)擴散有效因子，單反應(yīng)的有效因子在測得催化劑

19、的孔徑分布和曲折因子后可通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型進行計算?？紤]到工業(yè)催化劑在使用過程中的中毒、衰老、結(jié)焦、還原等項因素，工業(yè)催化劑的總體速率隨操作條件和険用時間而變，在工程設(shè)計申，往往接未征動力學(xué)計算，再乘以“活性校正系數(shù)”。1=3、催化反應(yīng)器設(shè)計應(yīng)遵循的基本原則設(shè)計不只是一個單純的催化劑用量及優(yōu)化計算，而是根據(jù)工藝的特點和工程實際情況，應(yīng)用反應(yīng)工程的觀點來確定最佳工藝操作參數(shù)，如壓力、反應(yīng)氣體的初始組成、最終收率和選擇率、空間速度，以及選用合適的催化劑及反應(yīng)溫度，還要考慮到生產(chǎn)過程中生產(chǎn)任務(wù)、催化劑活性和工藝參數(shù)的某些變化，催化反應(yīng)器的設(shè)計要能與這些變化相適應(yīng)； 應(yīng)根據(jù)工藝操作參數(shù)、設(shè)備制備和檢修

20、、催化劑的裝卸等方面的要求綜合起來選用催化床的類型和結(jié)構(gòu)； 高壓反應(yīng)器的筒體內(nèi)要設(shè)置催化床，床外換熱器、冷激氣管和熱電偶管，有時還要放置開工預(yù)熱用的電加熱器。這些部件要在反應(yīng)器內(nèi)合理地組合，催化劑的裝載系數(shù)要高，氣流分布要均勻，氣流通過反應(yīng)器的壓力降要小； 機械結(jié)構(gòu)要可靠，要考慮到反應(yīng)器內(nèi)某些部件處于高溫狀況下的機械強度和溫差應(yīng)力等因素； 多段式催化床要妥善地設(shè)計段間氣體和冷激氣體的分布和均勻混合裝置。1=以上這些要求往往相互矛盾，設(shè)計的任務(wù)就是要根據(jù)對于催化反應(yīng)工程基本規(guī)律的認識妥善加以解決，并且反復(fù)通過生產(chǎn)實踐，積累更多的經(jīng)驗，改進現(xiàn)有催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，發(fā)展多種型式的、適應(yīng)不同要求的新型催

21、化反應(yīng)器。三、催化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型催化反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的類型：仁根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)可分為非均相與擬均相兩類。絕大部分工業(yè)催化反應(yīng)不可略去傳質(zhì)和傳熱過程對總體速率的影響，將傳熱和傳質(zhì)過程（傳遞過程）對反應(yīng)總體速率的影響計入模型，稱為非均相模型。如果反應(yīng)屬于化學(xué)動力學(xué)控制，催化劑顆粒外表面上及顆粒內(nèi)部反應(yīng)組分的濃度及溫度與氣流主體一致，計算過程與均相反應(yīng)一樣，稱為擬均相模型。如果某些催化過程的宏觀反應(yīng)動力學(xué)研究的不夠，只能按本征動力學(xué)處理，而將傳遞過程的影響、催化劑的中毒、結(jié)焦、衰老、還原等項因素合并成為“活性校正系數(shù)”,這種處理方法屬于“擬均相”模型?；钚孕Ｕ禂?shù)與本征動力學(xué)參數(shù)、催化劑粒度、反應(yīng)器結(jié)

22、構(gòu)、催化劑裝載于反應(yīng)器的位置、毒物的品種及含量、催化劑的還原情況及使用時間等條件有關(guān)。2、根據(jù)催化床中溫度分布可分為一維模型和二維模型。【一維模型】若只考慮反應(yīng)器中沿著氣流方向的濃度差與溫度差，稱為一維模型?！径S模型】若同時計入垂直于氣流方向的濃度差與溫度差，稱為二維模型。3、根據(jù)流體的流動狀況又可分為理想流動模型（包括活塞流和全混流）和非理想流動模型。根據(jù)相態(tài)（擬均相？非均相？），維數(shù)（一維？二維？），返混（有返混？無返混？）的不同情況,可以建立八種（2彳二8）不同的數(shù)學(xué)模型返混維數(shù)相數(shù)催化反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型分類A類：擬均相模型類：非均相模型一維模型AI:基礎(chǔ)模型All:AI+軸向返混基礎(chǔ)模型

23、+相間分布1+軸向返混III :BI+徑向分布IV :B川+軸向返混AIII:AI+徑向分布二維模型A|V:A川+軸向返混上表列出了催化反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的分類。其中基礎(chǔ)模型是一維擬均相平推流模型，其數(shù)學(xué)表達式最簡單，所需的模型參數(shù)最少，數(shù)學(xué)運算也最簡單。模型中考慮的問題越多，所需的傳遞參數(shù)也越多，如Bill、BIV型，其數(shù)學(xué)表達式非常復(fù)雜，求解也十分費時。處理具體問題時，一定要針對具體反應(yīng)過程及反應(yīng)器的特點進行分析，選用合適的模型。如果通過檢驗認為可以進行合理的假定而選用簡化模型時，則采用簡化模型進行模擬設(shè)計和模擬放大。第二節(jié)固定床流體力學(xué).固定床的物理特性1非中空固體顆粒的相當(dāng)直徑及形狀系數(shù)非

24、中空固體顆粒（以下簡稱顆粒）的直徑可用許多不同的方法來表示。在流體力學(xué)研究中，常常采用相當(dāng)直徑來表示顆粒的直徑。幾個概念及符號顆粒的體積Vp顆粒的外表面積SpS顆粒的比表面積SvSv=7體積相當(dāng)直徑da采用與顆粒體積相等的球7本的直徑來表示顆粒的直徑。則:以Ss表示與顆粒等體積園球的外表面積，則:Ss=兀心對于非球形顆粒，其外表面積Sp定大于與顆粒等體積的圓球的外表面積Ss。因此引入一個無因次系數(shù)<Ps，稱為顆粒的形狀系數(shù)。形狀系數(shù):P即:與顆粒等體積的園球的外表面積與顆粒的外表面積之比。對于球形顆粒，（ps=1,非球形顆粒（Ps<1o形狀系數(shù)說明了非球形顆粒與圓球的差異程度。所以

25、又稱球形系數(shù)。形狀系數(shù)可由顆粒的體積及外表面積算得。非球形顆粒的形狀系數(shù)物料形狀<Ps物料形狀<Ps鞍形填料拉西環(huán)煙塵天然煤灰破碎煤粉球形聚集狀V10毫米0.30.30.890.550.650.75屑離砂晚砂硬砂砂碎狀狀狀片形角角一尖圓有尖0.750.430.830.830.65面積相當(dāng)直徑Dp在固定床傳熱和傳質(zhì)研究中，通常采用與顆粒外表面積相等的球的直徑來表示顆粒的相當(dāng)直徑，稱為面積相當(dāng)直徑Dp比表面積相當(dāng)直徑ds采用與顆粒比外表面積相等的ds球的直徑來表示顆粒的相當(dāng)直徑，觥矢比表面積相當(dāng)直徑。ds=6_£6V二的推導(dǎo):/rd；65你、Dp、厶與0s之間的關(guān)系:推導(dǎo)如下

26、:由定義：（/>s=S一西dsds札=ADp2、混合顆粒的平均直徑及形狀系數(shù)某些催化劑是由大塊物料破碎成的碎塊，如氨合成用鐵催化劑，形狀是不規(guī)則的大小也不均勻，這就需要計算混合顆粒的平均直徑Tp及形狀系數(shù)平均直徑用篩分分析數(shù)據(jù)來決定。務(wù)法是：將混合顆粒用標(biāo)準(zhǔn)篩（如Tyler標(biāo)準(zhǔn)篩）組進行篩析，分別稱量留在各號篩上的顆粒質(zhì)量，然后根據(jù)顆粒的總質(zhì)量分別算岀各種顆粒所占的分率。在某一號篩上的顆粒，其直徑通常為該號篩孔凈寬及上一號篩孔凈寬的幾何平均值（即兩相鄰篩孔凈寬乘積的平方根）O如混合顆粒中，直徑為d、d“、dn的顆粒的質(zhì)量分率為X、X?、xn,則該混合顆粒的算術(shù)平均直徑為:n工xidii=

27、l調(diào)和平均直徑dp為說明：在固定床和流化床的流體力學(xué)計算中，用調(diào)和平均直徑較為合適。大小不等且形狀也各異的混合顆粒，其形狀系數(shù)由待測顆粒所組成的固定床壓力降來計算。3、床層空隙率£及徑向流速分布固定床的床層空隙率£是顆粒物料層中顆粒間自由體積與整個床層體積之比。它是固定床的重要參數(shù)之一?？障堵蕦α黧w通過床層的壓力降、床層的有效導(dǎo)熱系數(shù)及比表面積都有重大的影響。床層空隙率E的數(shù)值與顆粒形狀、顆粒的粒度分布（大?。?、顆粒表面的粗糙度、充填方式、顆粒直徑與容器直徑之比等有關(guān)。壁效應(yīng)的影響床層徑向空隙率的分布是不均勻的，它隨徑向位置而變。參見教材144頁圖514o床層空隙率在離器壁

28、仆2個粒徑處最大，而在距壁4個顆粒處，床層的空隙率和流速分布趨于平坦。床層中心處最小。顆粒直徑dp與床層直徑q之比值越大，床層的空隙率隨之增大。由于床層空隙率的不均勻，容易引起徑向流速的不均勻分布，結(jié)果使各處傳遞情況不一樣，最終影響反應(yīng)結(jié)果。羞要豬論工程上認為，當(dāng)4/dp>8時，可不計壁效應(yīng)的影響。4、固定床的當(dāng)量直徑為了將處理流體在管道中流動的方法應(yīng)用于固定床中的流體流動問題，必須確定固定床的當(dāng)量亙We0固定床的當(dāng)量直徑一般定義為水力半徑R腔四倍,水方圭徑可由床層的空隙率和單位體積爛粒的諭濕夷面積計算得到。水力半徑的定義：過水?dāng)嗝娣e與潤濕周邊之比即為水力半徑。表達式為：R=A/L潤濕周

29、邊為過水?dāng)嗝嫔纤魉鶟駶櫟倪吔玳L度水力半徑的物理意義：水力半徑的大小對管道通流能力有影響，水利半徑大，意味液流和管壁的接觸周長短，管壁對液流的阻力小,通流能力大.床層比表面積Se如忽略顆粒間相互接觸而減少的表面積時，比表面積Se為單位體積床層中顆粒的外表面積，或顆粒的潤濕表面積。Se的計算方法如下：顆粒的體積一一vP顆粒的外表面積一一sP單位體積床層中顆粒的數(shù)目為貝ij：s二°匚嘰=厲匕刃匕°ypds丄、亠/“、/口Q有效截面積床層的空隙體積£按水力半仕Rh的定乂待：H-£則有，固定床的當(dāng)量直徑為：d,=47?=（一）0”°HS3'嚴(yán)卩

30、例：求下列顆粒的dp、Dp、ds、（Ps及構(gòu)成床層后的de、Seo 直徑d=5mm的圓球，2=0.4 直徑d=5mm,高H=10mm的圓柱體，£=0.4解：對于球形顆粒：dp=Dp=ds=5mm（ps=12g204'吋口）嚴(yán)了（帀）亠5.22呦6(1y)ds6x(1-0.4)5=0.72mm/mm對直徑d=5mm,高H=10mm的圓柱體先求顆粒的體積Vp及外表面積SpVn=7vd2H=x52xlO=62.5(mm3)"44s107V00=2x+7rdH=2xx5+;rx5xlO=62.5/r(加廣)446匕6x625/r廠一-=6mmS卩625兀p6(1£

31、)6x(10.4)2/3、=:=0.6(mm/mm)d."e31£Se=6£“2(0.4X=-x()x6=2.67mm310.4二、單相流體在固定床顆粒層中的流動及壓力降1流動特性流體在固定床中的流動比在空管內(nèi)的情況復(fù)雜得多。在固定床中，流體在顆粒物料所組成的孔道中流動，這些孔道相互交錯聯(lián)通，而且是彎曲的，各個孔道的幾何形狀相差甚大，其橫截面積也很不規(guī)則且不相等，各個床層橫截面上孔道數(shù)目也不相同。床層中孔道的特性主要取決于構(gòu)成床層的顆粒特性：粒度、粒度分布、形狀及粗糙度，即影響床層空隙率的因素都與孔道的特性有關(guān)。顆粒的粒度越小，則構(gòu)成的孔道數(shù)目越多，孔道的截面積也

32、越小。顆粒的粒度越不均勻，形狀越不規(guī)則，表面越粗糙，則構(gòu)成的孔道越不顛則，各個孔道向直舍異也就一般來說，如果顆粒是任意堆積的，當(dāng)床層直徑與平均直徑之比大于8時，床層任何部分的空隙率大致相同。需要說明的是：床層中的自由體積并不等于所有孔道的總體積，而是存在部分死角，死角中的流體處于不流動的狀態(tài)。流體在床層中的孔道內(nèi)流動時，經(jīng)常碰撞前面的顆粒，加上孔道截面的不均勻，時而擴大，時而縮小，以致流體作軸向流動時，往往在顆粒間產(chǎn)生再分布，流體的旋渦運動不如在空管中那么自由。由于孔道特性的衣變以及流體的再分布，旋渦運動的范圍要受到流動空間的限制，即取決于孔道的形狀及大小。在固定床內(nèi)流動的流體旋渦的數(shù)目比在與

33、床層直徑相等的空管中流動時要多得多。在空管中流體的流動狀態(tài)由滯流轉(zhuǎn)入湍流時是突然的，轉(zhuǎn)折非常明顯；在固定床中流體的流動由滯流轉(zhuǎn)入湍流是一個逐漸過渡的過程，這是由于各孔道的截面積不相同，在相同的體積流量下，某一部分孔道內(nèi)流體處于滯流狀態(tài)，而另一部分孔道內(nèi)流體則已轉(zhuǎn)入湍流狀態(tài)。2、單相流體通過固定床的壓力降1）壓力降產(chǎn)生的原因單相流體通過固定床時要產(chǎn)生壓力損失，主要來自兩方面：一方面是由于粘滯曳力，即流體與顆粒表面間的摩擦；另一方面，由于流體流動過程中孔道突然擴大和收縮，以及流體對顆粒的撞擊及流體的再分布而產(chǎn)生。在低流速時，壓力降主要是由于表面間的摩擦而產(chǎn)生，在高流速及薄床層中流動時，擴大、收縮則

34、起著主要作用。如果容器直徑與顆粒直徑之比值小于8,還要計入壁效應(yīng)的影響。2）固定床壓力降的計算流體在空管中作等溫流動，且流體密度變化不大時，流體的壓力降可用Ergun方程（歐根方程）計算：d2式中：L管長，mpf流體的密度，kg/m3f摩擦系數(shù)d圓管的內(nèi)徑，muoe流體的平均流速/m/sNp壓力降，N/m2_將Ergun方程用于固定床時，式中11址應(yīng)為流體在床層孔道中的真正平均流UUeUo為以床層空截面積計算的流體的平均流速。管的內(nèi)徑d應(yīng)以固定床的當(dāng)量直徑de代替。而管長則應(yīng)以流體在固定床中的流動途徑來代替，其值一般為固定床高度L的若干倍，則:固定床的壓力降的計算方法:2A_rPfUQ1

35、63;(5_13)=/m()Lds£式中Uo為以床層空截面積計算的流體的平均流,m/s'fM為修正摩擦系數(shù)，久為顆粒的等比表面積相當(dāng)直徑式(5-13)的使用前提： 流體在床層內(nèi)作等溫流動。(當(dāng)進岀口溫差不大時，可使用平均溫度下的流體參數(shù)) 流體密度的變化可忽略不計。修正摩擦系數(shù)fM與修正雷諾準(zhǔn)數(shù)ReM的關(guān)系可由實驗測得，其經(jīng)驗關(guān)系式為：九=孚+175(514)KfMReM=dspuQ（1）_dsG式中：“為流體的粘度，kg/(m-s),G為流體的質(zhì)量流率，kg/(m2s)固定床壓力降計算公式的簡化：當(dāng)ReM<10時，流體處于滯流狀況，式(5-14)中>>1.

36、75ReM式(5-13)可簡化為：A#=150(1二£ds當(dāng)ReM>1000時，流體處于完全湍流狀況，(5-14)中<<1.75RgM2FPf%01S式(5-13)可簡化為：勺=175()Ld.8注意：dt/ds的比值小于8時，應(yīng)考慮壁效應(yīng)對固定床壓力降的影響。此時，可用經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式計算固定床的壓力降。3、影響固定床壓力降的因素影響固定床壓力降的因素可以分為兩個方面:一方面是屬于流體的，如流體的粘度、密度等物理性質(zhì)和流體的質(zhì)量流率。水另一方面是屬于床層的，如床層的高度和流通截面積、床層的空隙率，和顆粒的物理特性如粒度、形狀、表面粗糙度等。1）流速的影響：在影響固定床壓

37、力降的諸因素中，尤以流速的影響最為敏感，因為流速與壓力降成平方關(guān)系，所以流速的選擇應(yīng)適當(dāng)。流體的質(zhì)量流率G和床層的高度及流通截面積是密切聯(lián)系的。當(dāng)反應(yīng)器的生產(chǎn)任務(wù)及反應(yīng)物料的質(zhì)量流量W不變時，對于一定的催化床體積Vr,其高度L和床層截面積A可以有不同的比例，如L/A比值增大，則不但由于增大L而增加壓力降A(chǔ)p而且由于減少A而使質(zhì)量流率G增大而增加壓力降當(dāng)ReM>1000時，“ocG'Q即Vr定時，ApOC（WZ4/L,或ApocL?對于一定的催化床體積Vr,在可能的范圍內(nèi)應(yīng)采用加大床層直徑，減小床層高度方法，來降低床層的壓力降。但是，如果催化反應(yīng)在高壓下進行，從高壓容器制造的角度看

38、，而應(yīng)采用減小容器內(nèi)徑、相應(yīng)地增加容器高度的方法，這有利于減小高壓容器壁厚及便于制造，但這個要求和降低催化床壓力降的要求是相矛盾的。此時，可采用徑向反應(yīng)器（氣流方向與主軸垂直），它與軸向反應(yīng)器（氣流方向與主軸平行）相比，由于其流道短，流動面積大，氣流速度小，從而大幅度地減少床層的壓力降，為使用小顆粒催化劑，提高催化劑活性及催化床的生產(chǎn)強度創(chuàng)造了良好的條件。特別是對內(nèi)擴散影響較大的反應(yīng)過程,更具有重要的意義。2）顆粒粒度和形狀的影響顆粒粒度和形狀是影響固定床壓力降的另一重要因素。形狀相同的顆粒，減小顆粒的相當(dāng)直徑，將導(dǎo)致固定床壓力降增加。當(dāng)ReM<10時，Ap反比于顆粒相當(dāng)直徑的平方;當(dāng)R

39、eM>1000時，Ap反比于顆粒相當(dāng)直徑。當(dāng)顆粒的篩析范圍相同時，形狀系數(shù)小的顆粒（如片狀），其相當(dāng)直徑減小，則床層壓力降增加。3）床層空隙率的影響床層空隙率對床層壓力降的影響十分顯著，當(dāng)ReM>1000時，(1鮮w由0.4增至0.5時，壓力降可降至原來的1/2.3床層空隙率的大小與顆粒的形狀、粒度分布、填充方法、顆粒直徑與容器直徑之比值等因素有關(guān)。顆粒疏松填充時，床層空隙率大于緊密填充；環(huán)柱狀顆粒組成的床層的空隙率大于柱狀顆粒；混合顆粒的粒度越不均勻，小顆粒填充在大顆粒之間，所組成的床層空隙率越小。催化劑在使用過程中逐漸破碎、粉化，會使床層空隙率減小，導(dǎo)致床層壓力降增大。催化劑使

40、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械強度而定，即使不計入破損，操作一段時期后，由于床層中顆粒填實，使床層下沉，會使床層空隙率減小，導(dǎo)致床層壓力降增大。4）壁效應(yīng)的影響：當(dāng)床層直徑4與顆粒直徑ds的比值小于8,或者在催化床中裝有冷管，冷管間距與催化劑顆粒直徑的比值小于8時，應(yīng)考慮壁效應(yīng)對固定床壓力降的影響。例：在內(nèi)徑為50mm的管子內(nèi)裝有4m咼的熔融鐵催化劑，其粒度分布如下(形狀系數(shù)e$=065):粒徑dj(mm)3.404.606.90質(zhì)量分率X0.600.250.15在反應(yīng)條件下，氣體的密度Pf=2.46X10-3g/cm3,粘度|i=2.3X10-4g/(cm-s),如氣

41、體的質(zhì)量流率為G6.2kg/(m2-s),床層的空隙率£=0.44,求床層的壓力降。解：計算壓力降用顆粒的調(diào)和平均直徑:=3.959mm1a60.250.15113.404.606.90d=©J=0.65x3.959=2.573mm»_dsGz1、2.573x10xReM=()=jLlI-8=1.239xlO3>1000流體處于完全湍流狀況，把單位統(tǒng)一到c®g,s制eM6.2X103X1CT41則:2Pf憂d1£A/?=1.75()LcL£而,2.3>d01-0.44三=竺仝學(xué)=252”/$pf2.46x10*人吠一

42、76;2.46x103x2522一044、，0.443p=1.75()L=1.75x:x()x4x0心£32.573x100.443=2797xl()6(g/c/nr)=229公琴丫10=2797xl0g/%$2s1m2=2.797x105=2.797xlO5N/m2=2.797xlO5/QN=kg加/代1巧=N/腫)三、固定床中流體的徑向及軸向混合Cq固定床反應(yīng)器中床層高度L超過顆粒直徑ds的100倍時，可以略去軸向返混的影響確定催化反應(yīng)器所需的催化劑量，是催化反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容之一。催化劑用量的確定，首先需建立反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型。對于絕熱式固定床催化反應(yīng)器，一般具有下列特點:囉蠶

43、噩譌養(yǎng)翳之比一般超過呃"可以矍驢鬲亀帑于顆粒直徑;(>8時，可不考慮 與外界沒有熱量交換。因此:絕熱式催化床可以不考慮垂直于氣流方向的溫度差、濃度差和軸向返混，計算時采用一維、平推流模型。如果催化反應(yīng)動力學(xué)是“非均相”模型,催化劑的外擴散、內(nèi)擴散有效因子應(yīng)根據(jù)催化床中不同位置的氣體組成及溫度來求取。如果采用“活性校正系數(shù)”來概括宏觀及失活等因素對反應(yīng)速率的影響，即“擬均相”模型，可按本征動力學(xué)控制求出催化劑的用量，再除以活性校正系數(shù)co/i和考慮催化劑活性隨使用期限衰退的壽命因子巧求出實際用量。這種處理方法即是基礎(chǔ)模型單段絕熱催化床反應(yīng)體積的計算方法如下：由物料衡算式求得動力學(xué)

44、方程中各組分的濃度或摩爾分率之間的變化關(guān)系;由熱量衡算式確定反應(yīng)過程中氣體溫度與反應(yīng)速率之間齢變化關(guān)系，就可知道平衡常數(shù)及反應(yīng)速率常數(shù)之間的變化關(guān)系；將動力學(xué)方程在給定的反應(yīng)率及反應(yīng)溫度的變化氾圍內(nèi)進行積分，即可求得反應(yīng)所需的接觸時間和催化詒亦只。多段絕熱催化床反應(yīng)體積的計算較為復(fù)雜,只能用計算機分段進行計算。絕熱溫升的概念I(lǐng)II右圖是可逆單放熱反應(yīng)絕熱催化床的操作過程在xa-t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點表示進口狀態(tài)，B點表示出口狀態(tài)。絕熱催化床的XaT圖III從圖上可看出：對放熱反應(yīng)過程，隨著溫度的升高，平衡轉(zhuǎn)化率和最佳溫度下的轉(zhuǎn)化率都隨之降低。單從這一點看，反應(yīng)應(yīng)在低溫下進行。但反應(yīng)溫度過低，會使反應(yīng)速率過低，從這一點看，反應(yīng)應(yīng)在高溫下進行。所以存在最佳溫度。絕熱溫升的