固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件

重點掌握※固定床壓力降的計算方法?！潭ù泊呋磻?yīng)器擬均相活塞流模型的建立與應(yīng)用，包括考慮內(nèi)擴散的情況?！^熱式固定床催化反應(yīng)器催化劑用量的計算方法。重點掌握※固定床壓力降的計算方法。1深入理解

▼固定床催化反應(yīng)器的主要類型及其結(jié)構(gòu)特點。▼換熱式固定床催化反應(yīng)器的設(shè)計優(yōu)化問題、參數(shù)敏感性問題以及飛溫和失控的現(xiàn)象。深入理解▼固定床催化反應(yīng)器的主要類型及其結(jié)構(gòu)特點。2廣泛了解▲固定床的軸向與徑向傳熱與傳質(zhì)?！喽谓^熱式固定床催化反應(yīng)器的優(yōu)化原則?！鴮嶒炇曳磻?yīng)器的主要類型和特點。廣泛了解▲固定床的軸向與徑向傳熱與傳質(zhì)。300:197.1概述

凡是流體通過不動的固體物料所形成的床層而進行反應(yīng)的裝置都稱作固定床反應(yīng)器，其中尤以用氣態(tài)的反應(yīng)物料通過由固體催化劑所構(gòu)成的床層進行反應(yīng)的氣-固相催化反應(yīng)器占最主要的地位。如煉油工業(yè)中的催化重整，異構(gòu)化，基本化學工業(yè)中的氨合成、天然氣轉(zhuǎn)化，石油化工中的乙烯氧化制環(huán)氧乙烷、乙苯脫氫制苯乙烯等等。此外還有不少非催化的氣—固相反應(yīng)，如水煤氣的生產(chǎn)，氮與電石反應(yīng)生成石灰氮(CaCN2)以及許多礦物的焙燒等，也都采用固定床反應(yīng)器。09:537.1概述凡是流體通4固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件500:191、固定床反應(yīng)器優(yōu)點①固定床中催化劑不易磨損；②床層內(nèi)流體的流動接近于平推流，與返混式的反應(yīng)器相比，可用較少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積來獲得較大的生產(chǎn)能力。③由于停留時間可以嚴格控制，溫度分布可以適當調(diào)節(jié)，因此特別有利于達到高的選擇性和轉(zhuǎn)化率，在大生產(chǎn)中尤為重要。一、固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點09:531、固定床反應(yīng)器優(yōu)點①600:19

2、固定床反應(yīng)器缺點①固定床中的傳熱較差；②催化劑的更換必須停產(chǎn)進行。

09:532、固定床反應(yīng)器缺點①固定床中的傳熱較差；700:19二、固定床反應(yīng)器類型

1.絕熱式反應(yīng)器

圖6.1-1是絕熱床反應(yīng)器的示意圖。它的結(jié)構(gòu)簡單，催化劑均勻堆置于床內(nèi)，床內(nèi)沒有換熱裝置，預(yù)熱到一定溫度的反應(yīng)物料流過床層進行反應(yīng)就可以了。

09:53二、固定床反應(yīng)器類型8圖6.1-1絕熱床反應(yīng)器圖6.1-1絕熱床反應(yīng)器900:19典型的例子是乙苯脫氫制苯乙烯。反應(yīng)需供熱140kJ／mol，是靠加入高溫(710℃)水蒸汽來供應(yīng)的(乙苯:水蒸汽=1:2.6(質(zhì)量))，混合后在630℃入床，離床時降到565℃。在此，水蒸汽的作用是：①可以帶入大量的顯熱；②起稀釋作用，使反應(yīng)的平衡向有利于生成苯乙烯的方向移動，提高單程轉(zhuǎn)化率；③使催化劑可能產(chǎn)生的結(jié)炭隨時得到清除，從而保持反應(yīng)器長期連續(xù)運轉(zhuǎn)。09:53典型的例子是乙苯脫氫制苯乙烯1000:19

除單層絕熱床外，工業(yè)上還有用多段的，近代的大型合成氨反應(yīng)器采用的是中間冷激的多段絕熱床?？傊?，不論是吸熱或放熱的反應(yīng)，絕熱床的應(yīng)用相當廣泛。特別對大型的，高溫的或高壓的反應(yīng)器，希望結(jié)構(gòu)簡單，同樣大小的裝置內(nèi)能容納盡可能多的催化劑以增加生產(chǎn)能力(少加換熱空間)，而絕熱床正好能符合這種要求。不過絕熱床的溫度變化總是比較大的，而溫度對反應(yīng)結(jié)果的影響也是舉足輕重的，因此如何取舍，要綜合分析并根據(jù)實際情況來決定。此外還應(yīng)注意到絕熱床的高／徑比不宜過大，床層填充務(wù)必均勻，并注意氣流的預(yù)分布，以保證氣流在床層內(nèi)的均勻分布。09:53除單層絕熱床外，工業(yè)上11固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件12固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件132.換熱式反應(yīng)器換熱式反應(yīng)器以列管式為多。通常是在管內(nèi)放催化劑，管間走熱載體(在用高壓水或用高壓蒸汽作熱載體時，則把催化劑放在管間，而使管內(nèi)走高壓流體)。2.換熱式反應(yīng)器換熱式反應(yīng)器以列管式為多。通常是在管14圖6.1-2乙炔法合成氯乙烯反應(yīng)器圖6.1-2乙炔法合成氯乙烯反應(yīng)器15固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件1600:19①管徑：一般為25～50mm的管子，但不小于25mm。②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2～6mm，不小于1.5mm。③傳熱所用的熱載體：沸水可以用于100℃～300℃的溫度范圍。聯(lián)苯與聯(lián)苯醚的混合物以及以烷基萘為主的石油餾分能用于200～350℃的范圍。無機熔鹽(硝酸鉀，硝酸鈉及亞硝酸鈉的混合物)可用于300～400℃的情況。對于600～700℃左右的高溫反應(yīng)，只能用煙道氣作為熱載體。09:53①管徑：一般為25～50mm的管子，但不小于251700:19列管式反應(yīng)器優(yōu)點：①傳熱較好，管內(nèi)溫度較易控制；②返混小、選擇性較高；③只要增加管數(shù)，便可有把握地進行放大；④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

適用原料成本高，副產(chǎn)物價值低以及分離不是十分容易的情況。09:53列管式反應(yīng)器優(yōu)點：①傳熱較好，管內(nèi)溫度較183.自熱式反應(yīng)器反應(yīng)前后的物料在床層中自己進行換熱稱作自熱式反應(yīng)器。

圖6.1-3自熱式反應(yīng)器示意圖3.自熱式反應(yīng)器反應(yīng)前后的物料在床層中自己進行換熱19固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件20固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件2100:197.2固定床中的傳遞過程

一、床層空隙率

表征床層結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)為床層空隙率，床層空隙率的大小與顆粒形狀、粒度分布、顆粒直徑與床直徑之比以及顆粒的充填方法等有關(guān)。固定床中同一橫截面上的空隙率是不均勻的，對于粒度均一的顆粒所構(gòu)成的床層，在與器壁距離為1～2倍顆粒直徑處，空隙率最大，床層中心較小，這種影響，叫做壁效應(yīng)。09:537.2固定床中的傳遞過程一、床層空22固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件23

在非球顆粒充填的床層中，同一截面上的ε值，除壁效應(yīng)影響所及的范圍外，都是均勻的。但球形或圓柱形顆粒充填的床層，在同一橫截面上的ε值，除壁效應(yīng)影響所及的范圍外，還在一平均值上下波動.由于壁效應(yīng)的影響，床層直徑與顆粒直徑之比越大，床層空隙率的分布越均勻。在非球顆粒充填的床層中，同一截面上的2400:19床層空隙率

εB＝(床層自由體積)/(床層體積)

=(顆粒間的空隙體積)/(床層體積)(6.2-1)通常所說的床層空隙率指的是平均空隙率。09:53床層空隙率通常所說的床層空隙率指的是平均空隙率2500:19二、床層壓降流體流動是通過床層空隙來實現(xiàn)的，流體的流通截面積為εA。但ε不均勻，真實流速u（縫隙速度）也存在分布問題，縫隙速度在壁面附近達到最大。

固定床層內(nèi)流體流動從層流狀態(tài)到湍流狀態(tài)的轉(zhuǎn)折過程并不明顯（與空管中的流體流動相比）。在相同的條件下，可能在床層的一部分處于層流狀態(tài)，而其它部分則處于湍流狀態(tài)。

09:53二、床層壓降流體流動是通過床層空隙來實現(xiàn)的2600:19

流體流過固定床時所產(chǎn)生的壓力損失主要來自兩方面：一方面是由于顆粒的粘滯曳力，即流體與顆粒表面間的摩擦；另一方面是由于流體流動過程中孔道截面積突然擴大和收縮，以及流體對顆粒的撞擊及流體的再分布而產(chǎn)生。當流體處于層流時，前者起主要作用；在高流速及薄床層中流動時，起主要作用的是后者。

09:53流體流過固定床時所產(chǎn)生的壓2700:19壓力降的計算流體在固定床中的流動，與空管中的流體流動相似，只是流道不規(guī)則而已。故此可將空管中流體流動的壓力降計算公式修正后用于固定床。

固定床壓力降計算公式：(6.2-2)09:53壓力降的計算流體在固定床中的流動，與空管中28式中：ρ——流體密度dS——顆粒比外表面積相當直徑

f——摩擦系數(shù)L——床層高度

u0——空管流速ε——床層空隙率

(6.2-3)

μ---流體的黏度當Re＜10時，f=150/Re

當Re＞1000時，f=1.75。式中：ρ——流體密度dS——顆粒比外表面2900:19★從上可知：催化劑的粒度大時，ε↑，ΔP↓，但催化劑的有效因子η

較??；如果顆粒粉化、破碎，那么床層的壓降ΔP↑?！镉捎谠谏a(chǎn)流程中，流體的壓頭有限，床層壓降往往有重要影響，因此一般固定床中的壓降不宜超過床內(nèi)壓力的15％。所以顆粒不能太細，而且最好都能做成圓球狀，氣流速度也應(yīng)適可而止，因為流速與壓降是平方關(guān)系，它比其它因素對壓降更為敏感。09:53★從上可知：3000:19★如果填充物料是一些不同尺寸的顆粒，或是一些細長形的顆粒，則易產(chǎn)生空隙率不均勻而形成偏流。對于列管式反應(yīng)器，往往有上千根管子都要裝填催化劑，因此要求各管裝量相同，壓降均等，否則氣體偏流的結(jié)果，將使各管反應(yīng)程度不一，溫度不一，和失活速度不一，從而使產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量都受到嚴重影響。09:53★如果填充物料是一些不同尺寸的顆粒，或是一些31三、質(zhì)量和熱量的軸向擴散在第五章中，探討了軸向擴散流動問題，其中用彼克列準數(shù)來衡量返混程度，其定義為（見148）：

對于固定床內(nèi)的流體流動，使用類似的方法描述流體的返混程度，即

軸向傳質(zhì)的彼克列準數(shù)：軸向傳熱的彼克列準數(shù)：三、質(zhì)量和熱量的軸向擴散在第五章中，32三、質(zhì)量和熱量的軸向擴散理論推導(dǎo)和實驗證明：對于氣體：當Re>10時，（Pea）m=2.

對于液體：（Pea）m=0.3~1※討論一般認為，彼克列準數(shù)的倒數(shù)是表征返混大小的一個無因次群。而且當1/Pea<0.01時，流體的流動類型接近于平推流模型。在固定床內(nèi)，一般認為當1/Pea<0.005時，就可以不考慮軸向混合和擴散的影響。三、質(zhì)量和熱量的軸向擴散理論推導(dǎo)和實驗證明：33當Re>10時，（Pea）m=2.有所以，當床層高度Lr>100dp時，可以忽略床層內(nèi)軸向混合擴散，即將流體在床層內(nèi)的軸向流動似為平推流流動。在實際反應(yīng)器，能夠滿足該前提條件，而實驗反應(yīng)器往往不能達到，希注意。當Re>10時，（Pea）m=2.有34對于非等溫過程，

(Pea)h≈0.6（固定床）對于均相系統(tǒng)，假設(shè)質(zhì)擴散和熱擴散的機理相同，則有(Pea)m=(Pea)h。對于非等溫固定床，判定其間流體是否達到活塞流，則需滿足Lr>150dp。對于非等溫過程，

(Pea)h≈0.6（固定床）對于均相系統(tǒng)3500:19四、固定床中的徑向傳質(zhì)與傳熱固定床內(nèi)沿床層徑向的溫度變化情況如下圖所示了。

09:53四、固定床中的徑向傳質(zhì)與傳熱3600:19固定床中的傳熱方式①熱量通過空隙中的流體以對流、傳導(dǎo)和輻射的方式向外傳遞；②熱量通過固體顆粒向外傳遞，其中包括(a)顆粒接觸面處的傳導(dǎo)；(b)相鄰顆粒周圍的邊界層的傳導(dǎo)；(c)顆粒間的輻射；(d)顆粒內(nèi)的傳導(dǎo)。③床層與器壁的傳熱---壁膜熱阻

09:53固定床中的傳熱方式①熱量通過空隙中的流體以對流、傳3700:19徑向傳質(zhì)

由于固定床反應(yīng)器存在徑向溫度分布和流速分布，因此徑向濃度分布也必然存在。該問題的解決思路同軸向質(zhì)擴散，可采用徑向彼克列準數(shù)來描述。請同學們自學。P190~191。09:53徑向傳質(zhì)由于固定床反應(yīng)器存在387.3固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型一、幾個術(shù)語△非均相模型對于工業(yè)催化反應(yīng)，在絕大多數(shù)情況下必須考慮顆粒內(nèi)外傳遞過程對反應(yīng)的影響——即考慮氣流主體、催化劑外表面及內(nèi)部存在的溫度差及濃度差對反應(yīng)的影響。這種計入傳遞對反應(yīng)速率的影響的模型稱為非均相模型。7.3固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型一、幾個術(shù)語39一、幾個術(shù)語△擬均相模型

對于化學動力學控制的催化反應(yīng)，可以忽略傳遞對反應(yīng)的影響——即認為催化劑外表面及內(nèi)部存在的溫度及濃度同氣流主體完全相同，反應(yīng)過程的計算如同均相反應(yīng)。這種不計入傳遞對反應(yīng)速率影響的模型稱為非均相模型。一、幾個術(shù)語△擬均相模型40一、幾個術(shù)語△一維模型

只考慮沿著氣體流動方向上的濃度差和溫度差，垂直于流向上的溫度分布和濃度分布可忽略不計的模型?！鞫S模型

必須同時考慮軸向和徑向上的濃度分布和溫度分布的模型。一、幾個術(shù)語△一維模型41非均相模型和擬均相模型是對催化劑顆粒內(nèi)外氣體混合物的濃度分布和溫度分布的處理方法。一維和二維模型是對反應(yīng)器內(nèi)氣流主體中的濃度分布和溫度分布的處理方法。一維、擬均相、活塞流模型是處理氣固相催化固定床反應(yīng)器的最基本模型，一般反應(yīng)的設(shè)計計算可采用此模型。非均相模型和擬均相模型是對催化劑顆粒內(nèi)外氣體混合物的濃4200:19在擬均相模型中，把包括顆粒與流體的床層看作為均一的固體物質(zhì)，用一個有效導(dǎo)熱系數(shù)λe來表征其傳熱特性，λe是流體流速的函數(shù)(流體靜止時的值以λe0表示)。通常固定床的熱量主要是在中心與管壁間作徑向的傳遞，除少數(shù)強放熱等情況外，流動方向的軸向?qū)嵊绊懗？珊雎圆挥?。因此λe一般常是指λer二、固定床的傳熱計算

1.按擬均相處理09:53在擬均相模型中，把包括顆粒43①一維模型在一維模型中，床層徑向溫度被認為是相同的。床層熱阻和壁膜熱阻合并作為一個熱阻來考慮，用床層與器壁間的給熱系數(shù)h0來表示，給熱速率式以床層平均溫度tm與壁溫tW之差來定義：

(6.2-4)式中A為傳熱面積，一般情況下，ht

值大致為61.2～320kJ／(m2·h·K)。下面推薦兩個計算ht的關(guān)聯(lián)式，①一維模型在一維模型中，床層徑向溫4400:19床層的傳熱系數(shù)ht的經(jīng)驗計算式對于球形顆粒：(6.2-5)此式的適用條件為20＜Re＜7600及0.05＜dP／dt＜0.3。dt為床層直徑，dP為顆粒比外表面積相當直徑。Λf為流體的導(dǎo)熱系數(shù)。若顆粒為圓柱形(6.2-6)此式的應(yīng)用范圍是20＜Re＜800，0.03＜dP／dt＜0.2?！鵫f不能用以計算床層的徑向溫度分布。09:53床層的傳熱系數(shù)ht的經(jīng)驗計算式對于球形顆粒：4500:19②二維模型二維模型需要考慮徑向溫度分布。在計算徑向溫度分布時，通常把固定床徑向傳熱的熱阻看成是由兩部分組成：一是床層本身，另一是器壁上的層流邊界層。床層熱阻用徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)λer來描述。其確定方法是先測定床層中的溫度分布，后根據(jù)傳熱方程式來反算求出λer。由于λer與反應(yīng)無關(guān)，因此可在無反應(yīng)的情況下進行測定。09:53②二維模型二維模型需要考4600:19實驗測得的λer值一般常歸納為Re與Pr的函數(shù)關(guān)系，已有若干關(guān)于計算λer的關(guān)聯(lián)式發(fā)表。其形式如下：

(6.2-8)式中λf是流體的導(dǎo)熱系數(shù)，a及b為實驗常數(shù)。09:53實驗測得的λer值一般常歸47內(nèi)壁上的層流邊界層熱阻，可用壁膜傳熱系數(shù)hW來描述。但已發(fā)表的實測數(shù)據(jù)極其分散，不同作者的實驗結(jié)果相差甚大，還沒有一個公認比較滿意的關(guān)聯(lián)式?？筛鶕?jù)實際情況查找相關(guān)文獻。給熱速率式以靠近器壁流體溫度tR與壁溫tW之差來定義：

(6.2-9)內(nèi)壁上的層流邊界層熱阻，可用壁膜傳熱482.顆粒與流體間的傳熱將顆粒與流體間的給熱系數(shù)以hP表示，利用給熱系數(shù)hP可以算出粒子與流體間的溫差。如反應(yīng)速率及反應(yīng)熱分別為r'A(以單位質(zhì)量催化劑為基準)及△HA，則根據(jù)單位質(zhì)量催化劑的熱量平衡，有

(6.2-10)式中：am=Sa/ρB，單位質(zhì)量催化劑的外表面積2.顆粒與流體間的傳熱將顆粒與流體間49將傳熱系數(shù)用傳熱因子jH（P161，式6.9）的代替，可得粒子與流體間的溫差：

(6.2-11)式中，稱為傳熱數(shù)。對于氣體，Pr＝0.6～1.0，液體Pr＝2～400將傳熱系數(shù)用傳熱因子jH（P161，50三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型

1、假定絕大多數(shù)固定床反應(yīng)器呈圓柱形，即與管式反應(yīng)器相似，不同點在于比管式反應(yīng)器多固體催化劑。若用徑向平均溫度、平均濃度代替徑向溫度分布和濃度分布，則可將該反應(yīng)器的問題簡化為一個一維問題。流體在固定床中的流動狀況看作是平推流式的，沒有返混。固定床反應(yīng)器的物料、熱量衡算方法按照平推流反應(yīng)器處理方法進行。三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型1、假定51三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型2、物料衡算在P112式4.27的基礎(chǔ)上進修正，得到固定床反應(yīng)器的物料衡算式：

對于大多數(shù)多相催化反應(yīng)，外擴散問題都可解決，即僅考慮內(nèi)擴散的影響。

三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型2、物料衡算52三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型3.熱量衡算■若不考慮軸向熱擴散由P112式4.26可得：

若流體通過床層時壓力變化較大時，其動量衡算：初值條件：

Z=0，XA=0，

T=T0，p=p0

三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型3.熱量衡算53三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型若冷卻介質(zhì)的溫度在床層中不能視為常數(shù)，則需：■若流體在床層中流動不滿足活塞流假定，則要在上述方程中迭加軸向擴散，詳見P192~193?！鋈舴磻?yīng)中有多個反應(yīng)，則需使用物質(zhì)的量，并且要考慮關(guān)鍵組分A的總消耗。詳見P192。

三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型若冷卻介質(zhì)的溫度在床層中不能54三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型■上述模型方程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：

1）反應(yīng)動力學數(shù)據(jù)

2）熱力學數(shù)據(jù)

3）傳遞速率數(shù)據(jù)，如黏度等，

4）催化劑的宏觀數(shù)據(jù)，如孔分布等。三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型■上述模型方程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：5500:197.4絕熱床反應(yīng)器

絕熱床反應(yīng)器沒有向徑向床壁傳熱，一般可以當作平推流處理，因此只考慮在流體流動的方向(軸向)上有溫度和濃度的變化，用擬均相一維模型來計算。09:537.4絕熱床反應(yīng)器絕5600:19一、平衡溫度及最優(yōu)溫度分布對于不可逆或可逆的吸熱反應(yīng)，反應(yīng)速率均隨溫度的升高而加快。最高允許溫度取決于催化劑或設(shè)備材質(zhì)的性能等因素，然而對可逆的放熱反應(yīng)，則由于逆反應(yīng)也隨著溫度的升高而加強，凈反應(yīng)速率將出現(xiàn)一極大值。09:53一、平衡溫度及最優(yōu)溫度分布57二、單層絕熱床的計算以A組分為關(guān)鍵組分，作物料、熱量衡算：

二、單層絕熱床的計算以A組分為關(guān)鍵組分，作物料、熱量衡算：58床層高度L為

床層高度L為5900:19三、多層絕熱床的計算對于多層(或多臺串聯(lián))的絕熱床，每一層的計算方法，原則上都與上面所介紹的一樣，只不過從一層出來的物料在進入到下一層去之前，如果由于放熱(或吸熱)的關(guān)系使其溫度升高(或降低)而需要的中間加以冷卻(或加熱)時，或者直接引入另一股物料使之混合，同時改變了它的溫度和濃度時，那么就要根據(jù)層間所進行的這種調(diào)節(jié)措施，通過簡單的物料衡算和熱量衡算，求出這時物料的溫度和濃度(或轉(zhuǎn)化率)來作為下一層的進料狀態(tài)。09:53三、多層絕熱床的計算對于多60圖：兩層絕熱，層間間接冷卻的情況圖：兩層絕熱，層間間接冷卻的情況6100:19圖6.3-1表示了層間間接冷卻的兩層絕熱床的情況。經(jīng)過第一層絕熱反應(yīng)，物料狀態(tài)從a點沿絕熱升溫線達到b點。間接冷卻時，因只有溫度的降低而無組成的改變，故bc是水平線。09:53圖6.3-1表示了層間間接6200:19四、多層床的最優(yōu)化問題對于可逆放熱反應(yīng)，要使反應(yīng)速率盡可能地保持最大，以便使催化劑的用量盡可能地少，隨著轉(zhuǎn)化率的增高，就必須按(最優(yōu))溫度曲線相應(yīng)地降低溫度，這樣就必須有盡可能多的層數(shù)?？墒菍訑?shù)愈多，裝置結(jié)構(gòu)等方面所花的費用也愈多，而且層數(shù)的繼續(xù)增加，效果也越來越微，所以一般很少有超過四層的。多層絕熱床的最優(yōu)化問題通常是在一定數(shù)目的床層內(nèi)，對于一定的進料和最終轉(zhuǎn)化率，要選定各段的進出口溫度和轉(zhuǎn)化率以求總的催化劑用量為最少。09:53四、多層床的最優(yōu)化問題對于63圖6.3-2代表一中間冷卻的多段絕熱床的情況。對于第I段而言，該段所需的催化劑用量Vi可根據(jù)式(6.3-10)寫出：

(6.3-13)式中(rA)i是i段床層中按絕熱操作時的原料中關(guān)鍵組分A的實際反應(yīng)速率。

圖6.3-2多段絕熱床示意圖圖6.3-2代表一中間冷卻的多段絕64將Vr分別對各段的xA及T微分，并令其等于零，以求極值，則有

將Vr分別對各段的xA及T微分，并令65將上式按中值定律寫成如下的形式：

此式即表示在xAi-1與xAi之間，必然有一點滿足將上式按中值定律寫成如下的形式：6600:19根據(jù)上式可以得出總催化劑用量W最小的條件是:①前一段出口時的反應(yīng)速率與后一段進口時的反應(yīng)速率相等。②各段的入口操作點位于理想操作線的低溫一側(cè)，而出口操作點則位于其高溫一側(cè)。當段數(shù)無限大時，這個差別趨于無限小，溫度的變化則與理想溫度線一致。③當反應(yīng)存在有最高允許溫度的限制時，則各段出口的溫度應(yīng)保證不超過此溫度。09:53根據(jù)上式可以得出總催化劑用6700:19根據(jù)以上的原則，參考P198圖7.4，將設(shè)計的步驟歸納如下；①根據(jù)進口條件的x，T，在圖上定出α點。②根據(jù)絕熱操作線方程式，作直線ab，b點的位置在理想溫度線之上，但不超過最高允許溫度。09:53根據(jù)以上的原則，參考P196800:19③從b點作水平線到c點，要求c點處的反應(yīng)速率與b點處的反應(yīng)速率相同，這可由計算或從反應(yīng)速率線圖上查出。據(jù)此，可以確定對段間冷卻的要求。④從c點再按(2)的步驟定出d點。⑤如此按前述順序繼續(xù)進行下去，一直到出口轉(zhuǎn)化率達到要求為止。要求同時滿足轉(zhuǎn)化率與段數(shù)的規(guī)定。如果不符，重新調(diào)正b點，d點等位置，直到符合為止。09:53③從b點作水平線到c點，697.5換熱式固定床反應(yīng)器一、概述1、對于換熱式列管反應(yīng)器，載熱體的合理選擇，是控制反應(yīng)溫度和保持反應(yīng)器操作條件穩(wěn)定的關(guān)鍵。載熱體的溫度與床層反應(yīng)溫度之間的溫度差宜小，但又必須將反應(yīng)放出的熱量帶走，因此須有較大的傳熱系數(shù)。7.5換熱式固定床反應(yīng)器一、概述70一、概述2、反應(yīng)管直徑一般較小，多為20~35mm。其原因：一是為了減小催化劑床層的徑向溫度差，二是使單位床層體積具有較大的換熱面積。3、與絕熱式固定床相比，床層軸向溫度分布比較均勻。特別適合于強放熱反應(yīng)。一、概述2、反應(yīng)管直徑一般較小，多為20~35mm。其原因：71二、進行單一反應(yīng)時的分析1、熱量衡算與絕熱固定床反應(yīng)器相比的區(qū)別2、解讀P202圖7.6，自學。3、重點掌握：1）、熱點---P2032）、最佳進料溫度的選擇三、進行復(fù)合反應(yīng)時的分析----介紹1、處理該工程問題的方法2、重要概念------飛溫、敏感性參數(shù)3、進料溫度選擇原則。二、進行單一反應(yīng)時的分析1、熱量衡算與絕熱固定床反應(yīng)器相比的727.6自換熱式固定床反應(yīng)器

一、定義

反應(yīng)熱傳遞給原料氣使之預(yù)熱到床層進口溫度的情況稱為自熱式。二、反應(yīng)物料的流向-----P207。圖：自換熱式反應(yīng)器圖示（逆流）7.6自換熱式固定床反應(yīng)器一、定義圖：自換熱式反應(yīng)73三、逆流和并流的區(qū)別逆流式床層：優(yōu)點氣體溫度很快達到熱點溫度（即接近最佳溫度），反應(yīng)后期反應(yīng)溫度下降的速度很快，易出現(xiàn)過冷。并流式床層：與逆流式床層的剛好相反。四、數(shù)學模型

換熱式固定床的模型方程原則上可用于自熱式固定床反應(yīng)器。三、逆流和并流的區(qū)別逆流式床層：優(yōu)點氣體溫度很快達到熱點溫度74固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件75討論當β=0，則Tc=Tc0,即冷卻介質(zhì)溫度恒定；當β→∞，則Gc=0，屬于絕熱反應(yīng)；當β=1，則，即原料氣為冷卻

介質(zhì)，為自然反應(yīng)器。并流時取正號，逆流時取負號。將上式代入下式，即可得自熱式反應(yīng)器床層軸向溫度分布微分方程。討論76逆流和并流式反應(yīng)器的軸向分布微分方程見P208~209。逆流和并流式反應(yīng)器的軸向分布微分方程見P208~209。777.7參數(shù)敏感性絕熱式、換熱式或自熱式固定床反應(yīng)器進行放熱反應(yīng)時，床層內(nèi)部存在熱點。絕熱固定床的熱點在固定床的出口，而換熱式固定床則與許多因素有關(guān)。熱點過高的危害：不僅使副反應(yīng)增多和加強，導(dǎo)致目的產(chǎn)物的選擇性和收率降低，催化劑失活，而且可能發(fā)生爆炸等事故。7.7參數(shù)敏感性絕熱式、換熱式或自熱式固定床反應(yīng)器進行放787.7參數(shù)敏感性影響熱點的因素在熱點時，dT/dZ=0,有或從該式可知：WA0、Tc、T0、U/dt都可能影響熱點溫度，即都可能敏感性參數(shù)。7.7參數(shù)敏感性影響熱點的因素79一級不可逆反應(yīng)的熱點溫度假設(shè)，冷卻介質(zhì)的溫度恒定且等于物料的入口溫度。熱點對應(yīng)的濃度：令dCAm/dTm=0,有一級不可逆反應(yīng)的熱點溫度假設(shè)，冷卻介質(zhì)的溫80經(jīng)驗判據(jù)經(jīng)驗判據(jù)81固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件82

設(shè)A為關(guān)鍵組分，以G表示以單位床層截面為基準的氣體總的質(zhì)量流量；wA0表示進口處A的質(zhì)量分率；S1表示床層截面積；dt1表示床層直徑；T1、T2分別表示床層溫度與預(yù)熱管溫度。催化劑床層微元段物料平衡式為：

(6.4-1)催化劑床層內(nèi)的熱量衡算式為：

(6.4-2)設(shè)A為關(guān)鍵組分，以G表示以單位床層截83預(yù)熱管內(nèi)的熱量衡算式為：

(6.4-3)邊界條件為

(6.4-4)由(6.4-1)式得

(6.4-5)預(yù)熱管內(nèi)的熱量衡算式為：84將(6.4-5)、(6.4-3)代入(6.4-3)式，消去r'A及dl積分得：

(6.4-6)將(6-4-5)代入(6-4-2)式中消去dl，并應(yīng)用(6.4-6)式得將(6.4-5)、(6.4-3)代入(6.4-3)式，消去r85并注意所以有（6.4-7）解此式，便得出T1與xA的關(guān)系。又因rA是T1與xA的函數(shù)；故從下式（6.4-8）即可積分求出床層的高度。并注意8600:19對自熱式反應(yīng)器，由于床內(nèi)發(fā)生的熱量反饋給原料氣，而原料氣溫度的升高又將導(dǎo)致反應(yīng)速率的增加，從而進一步使發(fā)熱量增加。故某些參數(shù)(如進料溫度)的波動有可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定而出現(xiàn)多重態(tài)。另一方面，當某一參數(shù)變化到一定程度時就可能使床層溫度迅速升高，這種現(xiàn)象俗稱“飛溫”，都是固定床反應(yīng)器的設(shè)計和操作中所應(yīng)當注意的。09:53對自熱式反應(yīng)器，由于床內(nèi)發(fā)87重點掌握※固定床壓力降的計算方法?！潭ù泊呋磻?yīng)器擬均相活塞流模型的建立與應(yīng)用，包括考慮內(nèi)擴散的情況?！^熱式固定床催化反應(yīng)器催化劑用量的計算方法。重點掌握※固定床壓力降的計算方法。88深入理解

▼固定床催化反應(yīng)器的主要類型及其結(jié)構(gòu)特點。▼換熱式固定床催化反應(yīng)器的設(shè)計優(yōu)化問題、參數(shù)敏感性問題以及飛溫和失控的現(xiàn)象。深入理解▼固定床催化反應(yīng)器的主要類型及其結(jié)構(gòu)特點。89廣泛了解▲固定床的軸向與徑向傳熱與傳質(zhì)?！喽谓^熱式固定床催化反應(yīng)器的優(yōu)化原則?！鴮嶒炇曳磻?yīng)器的主要類型和特點。廣泛了解▲固定床的軸向與徑向傳熱與傳質(zhì)。9000:197.1概述

凡是流體通過不動的固體物料所形成的床層而進行反應(yīng)的裝置都稱作固定床反應(yīng)器，其中尤以用氣態(tài)的反應(yīng)物料通過由固體催化劑所構(gòu)成的床層進行反應(yīng)的氣-固相催化反應(yīng)器占最主要的地位。如煉油工業(yè)中的催化重整，異構(gòu)化，基本化學工業(yè)中的氨合成、天然氣轉(zhuǎn)化，石油化工中的乙烯氧化制環(huán)氧乙烷、乙苯脫氫制苯乙烯等等。此外還有不少非催化的氣—固相反應(yīng)，如水煤氣的生產(chǎn)，氮與電石反應(yīng)生成石灰氮(CaCN2)以及許多礦物的焙燒等，也都采用固定床反應(yīng)器。09:537.1概述凡是流體通91固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件9200:191、固定床反應(yīng)器優(yōu)點①固定床中催化劑不易磨損；②床層內(nèi)流體的流動接近于平推流，與返混式的反應(yīng)器相比，可用較少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積來獲得較大的生產(chǎn)能力。③由于停留時間可以嚴格控制，溫度分布可以適當調(diào)節(jié)，因此特別有利于達到高的選擇性和轉(zhuǎn)化率，在大生產(chǎn)中尤為重要。一、固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點09:531、固定床反應(yīng)器優(yōu)點①9300:19

2、固定床反應(yīng)器缺點①固定床中的傳熱較差；②催化劑的更換必須停產(chǎn)進行。

09:532、固定床反應(yīng)器缺點①固定床中的傳熱較差；9400:19二、固定床反應(yīng)器類型

1.絕熱式反應(yīng)器

圖6.1-1是絕熱床反應(yīng)器的示意圖。它的結(jié)構(gòu)簡單，催化劑均勻堆置于床內(nèi)，床內(nèi)沒有換熱裝置，預(yù)熱到一定溫度的反應(yīng)物料流過床層進行反應(yīng)就可以了。

09:53二、固定床反應(yīng)器類型95圖6.1-1絕熱床反應(yīng)器圖6.1-1絕熱床反應(yīng)器9600:19典型的例子是乙苯脫氫制苯乙烯。反應(yīng)需供熱140kJ／mol，是靠加入高溫(710℃)水蒸汽來供應(yīng)的(乙苯:水蒸汽=1:2.6(質(zhì)量))，混合后在630℃入床，離床時降到565℃。在此，水蒸汽的作用是：①可以帶入大量的顯熱；②起稀釋作用，使反應(yīng)的平衡向有利于生成苯乙烯的方向移動，提高單程轉(zhuǎn)化率；③使催化劑可能產(chǎn)生的結(jié)炭隨時得到清除，從而保持反應(yīng)器長期連續(xù)運轉(zhuǎn)。09:53典型的例子是乙苯脫氫制苯乙烯9700:19

除單層絕熱床外，工業(yè)上還有用多段的，近代的大型合成氨反應(yīng)器采用的是中間冷激的多段絕熱床。總之，不論是吸熱或放熱的反應(yīng)，絕熱床的應(yīng)用相當廣泛。特別對大型的，高溫的或高壓的反應(yīng)器，希望結(jié)構(gòu)簡單，同樣大小的裝置內(nèi)能容納盡可能多的催化劑以增加生產(chǎn)能力(少加換熱空間)，而絕熱床正好能符合這種要求。不過絕熱床的溫度變化總是比較大的，而溫度對反應(yīng)結(jié)果的影響也是舉足輕重的，因此如何取舍，要綜合分析并根據(jù)實際情況來決定。此外還應(yīng)注意到絕熱床的高／徑比不宜過大，床層填充務(wù)必均勻，并注意氣流的預(yù)分布，以保證氣流在床層內(nèi)的均勻分布。09:53除單層絕熱床外，工業(yè)上98固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件99固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件1002.換熱式反應(yīng)器換熱式反應(yīng)器以列管式為多。通常是在管內(nèi)放催化劑，管間走熱載體(在用高壓水或用高壓蒸汽作熱載體時，則把催化劑放在管間，而使管內(nèi)走高壓流體)。2.換熱式反應(yīng)器換熱式反應(yīng)器以列管式為多。通常是在管101圖6.1-2乙炔法合成氯乙烯反應(yīng)器圖6.1-2乙炔法合成氯乙烯反應(yīng)器102固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件10300:19①管徑：一般為25～50mm的管子，但不小于25mm。②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2～6mm，不小于1.5mm。③傳熱所用的熱載體：沸水可以用于100℃～300℃的溫度范圍。聯(lián)苯與聯(lián)苯醚的混合物以及以烷基萘為主的石油餾分能用于200～350℃的范圍。無機熔鹽(硝酸鉀，硝酸鈉及亞硝酸鈉的混合物)可用于300～400℃的情況。對于600～700℃左右的高溫反應(yīng)，只能用煙道氣作為熱載體。09:53①管徑：一般為25～50mm的管子，但不小于2510400:19列管式反應(yīng)器優(yōu)點：①傳熱較好，管內(nèi)溫度較易控制；②返混小、選擇性較高；③只要增加管數(shù)，便可有把握地進行放大；④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

適用原料成本高，副產(chǎn)物價值低以及分離不是十分容易的情況。09:53列管式反應(yīng)器優(yōu)點：①傳熱較好，管內(nèi)溫度較1053.自熱式反應(yīng)器反應(yīng)前后的物料在床層中自己進行換熱稱作自熱式反應(yīng)器。

圖6.1-3自熱式反應(yīng)器示意圖3.自熱式反應(yīng)器反應(yīng)前后的物料在床層中自己進行換熱106固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件107固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件10800:197.2固定床中的傳遞過程

一、床層空隙率

表征床層結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)為床層空隙率，床層空隙率的大小與顆粒形狀、粒度分布、顆粒直徑與床直徑之比以及顆粒的充填方法等有關(guān)。固定床中同一橫截面上的空隙率是不均勻的，對于粒度均一的顆粒所構(gòu)成的床層，在與器壁距離為1～2倍顆粒直徑處，空隙率最大，床層中心較小，這種影響，叫做壁效應(yīng)。09:537.2固定床中的傳遞過程一、床層空109固定床反應(yīng)器的設(shè)計與分析課件110

在非球顆粒充填的床層中，同一截面上的ε值，除壁效應(yīng)影響所及的范圍外，都是均勻的。但球形或圓柱形顆粒充填的床層，在同一橫截面上的ε值，除壁效應(yīng)影響所及的范圍外，還在一平均值上下波動.由于壁效應(yīng)的影響，床層直徑與顆粒直徑之比越大，床層空隙率的分布越均勻。在非球顆粒充填的床層中，同一截面上的11100:19床層空隙率

εB＝(床層自由體積)/(床層體積)

=(顆粒間的空隙體積)/(床層體積)(6.2-1)通常所說的床層空隙率指的是平均空隙率。09:53床層空隙率通常所說的床層空隙率指的是平均空隙率11200:19二、床層壓降流體流動是通過床層空隙來實現(xiàn)的，流體的流通截面積為εA。但ε不均勻，真實流速u（縫隙速度）也存在分布問題，縫隙速度在壁面附近達到最大。

固定床層內(nèi)流體流動從層流狀態(tài)到湍流狀態(tài)的轉(zhuǎn)折過程并不明顯（與空管中的流體流動相比）。在相同的條件下，可能在床層的一部分處于層流狀態(tài)，而其它部分則處于湍流狀態(tài)。

09:53二、床層壓降流體流動是通過床層空隙來實現(xiàn)的11300:19

流體流過固定床時所產(chǎn)生的壓力損失主要來自兩方面：一方面是由于顆粒的粘滯曳力，即流體與顆粒表面間的摩擦；另一方面是由于流體流動過程中孔道截面積突然擴大和收縮，以及流體對顆粒的撞擊及流體的再分布而產(chǎn)生。當流體處于層流時，前者起主要作用；在高流速及薄床層中流動時，起主要作用的是后者。

09:53流體流過固定床時所產(chǎn)生的壓11400:19壓力降的計算流體在固定床中的流動，與空管中的流體流動相似，只是流道不規(guī)則而已。故此可將空管中流體流動的壓力降計算公式修正后用于固定床。

固定床壓力降計算公式：(6.2-2)09:53壓力降的計算流體在固定床中的流動，與空管中115式中：ρ——流體密度dS——顆粒比外表面積相當直徑

f——摩擦系數(shù)L——床層高度

u0——空管流速ε——床層空隙率

(6.2-3)

μ---流體的黏度當Re＜10時，f=150/Re

當Re＞1000時，f=1.75。式中：ρ——流體密度dS——顆粒比外表面11600:19★從上可知：催化劑的粒度大時，ε↑，ΔP↓，但催化劑的有效因子η

較小；如果顆粒粉化、破碎，那么床層的壓降ΔP↑。★由于在生產(chǎn)流程中，流體的壓頭有限，床層壓降往往有重要影響，因此一般固定床中的壓降不宜超過床內(nèi)壓力的15％。所以顆粒不能太細，而且最好都能做成圓球狀，氣流速度也應(yīng)適可而止，因為流速與壓降是平方關(guān)系，它比其它因素對壓降更為敏感。09:53★從上可知：11700:19★如果填充物料是一些不同尺寸的顆粒，或是一些細長形的顆粒，則易產(chǎn)生空隙率不均勻而形成偏流。對于列管式反應(yīng)器，往往有上千根管子都要裝填催化劑，因此要求各管裝量相同，壓降均等，否則氣體偏流的結(jié)果，將使各管反應(yīng)程度不一，溫度不一，和失活速度不一，從而使產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量都受到嚴重影響。09:53★如果填充物料是一些不同尺寸的顆粒，或是一些118三、質(zhì)量和熱量的軸向擴散在第五章中，探討了軸向擴散流動問題，其中用彼克列準數(shù)來衡量返混程度，其定義為（見148）：

對于固定床內(nèi)的流體流動，使用類似的方法描述流體的返混程度，即

軸向傳質(zhì)的彼克列準數(shù)：軸向傳熱的彼克列準數(shù)：三、質(zhì)量和熱量的軸向擴散在第五章中，119三、質(zhì)量和熱量的軸向擴散理論推導(dǎo)和實驗證明：對于氣體：當Re>10時，（Pea）m=2.

對于液體：（Pea）m=0.3~1※討論一般認為，彼克列準數(shù)的倒數(shù)是表征返混大小的一個無因次群。而且當1/Pea<0.01時，流體的流動類型接近于平推流模型。在固定床內(nèi)，一般認為當1/Pea<0.005時，就可以不考慮軸向混合和擴散的影響。三、質(zhì)量和熱量的軸向擴散理論推導(dǎo)和實驗證明：120當Re>10時，（Pea）m=2.有所以，當床層高度Lr>100dp時，可以忽略床層內(nèi)軸向混合擴散，即將流體在床層內(nèi)的軸向流動似為平推流流動。在實際反應(yīng)器，能夠滿足該前提條件，而實驗反應(yīng)器往往不能達到，希注意。當Re>10時，（Pea）m=2.有121對于非等溫過程，

(Pea)h≈0.6（固定床）對于均相系統(tǒng)，假設(shè)質(zhì)擴散和熱擴散的機理相同，則有(Pea)m=(Pea)h。對于非等溫固定床，判定其間流體是否達到活塞流，則需滿足Lr>150dp。對于非等溫過程，

(Pea)h≈0.6（固定床）對于均相系統(tǒng)12200:19四、固定床中的徑向傳質(zhì)與傳熱固定床內(nèi)沿床層徑向的溫度變化情況如下圖所示了。

09:53四、固定床中的徑向傳質(zhì)與傳熱12300:19固定床中的傳熱方式①熱量通過空隙中的流體以對流、傳導(dǎo)和輻射的方式向外傳遞；②熱量通過固體顆粒向外傳遞，其中包括(a)顆粒接觸面處的傳導(dǎo)；(b)相鄰顆粒周圍的邊界層的傳導(dǎo)；(c)顆粒間的輻射；(d)顆粒內(nèi)的傳導(dǎo)。③床層與器壁的傳熱---壁膜熱阻

09:53固定床中的傳熱方式①熱量通過空隙中的流體以對流、傳12400:19徑向傳質(zhì)

由于固定床反應(yīng)器存在徑向溫度分布和流速分布，因此徑向濃度分布也必然存在。該問題的解決思路同軸向質(zhì)擴散，可采用徑向彼克列準數(shù)來描述。請同學們自學。P190~191。09:53徑向傳質(zhì)由于固定床反應(yīng)器存在1257.3固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型一、幾個術(shù)語△非均相模型對于工業(yè)催化反應(yīng)，在絕大多數(shù)情況下必須考慮顆粒內(nèi)外傳遞過程對反應(yīng)的影響——即考慮氣流主體、催化劑外表面及內(nèi)部存在的溫度差及濃度差對反應(yīng)的影響。這種計入傳遞對反應(yīng)速率的影響的模型稱為非均相模型。7.3固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型一、幾個術(shù)語126一、幾個術(shù)語△擬均相模型

對于化學動力學控制的催化反應(yīng)，可以忽略傳遞對反應(yīng)的影響——即認為催化劑外表面及內(nèi)部存在的溫度及濃度同氣流主體完全相同，反應(yīng)過程的計算如同均相反應(yīng)。這種不計入傳遞對反應(yīng)速率影響的模型稱為非均相模型。一、幾個術(shù)語△擬均相模型127一、幾個術(shù)語△一維模型

只考慮沿著氣體流動方向上的濃度差和溫度差，垂直于流向上的溫度分布和濃度分布可忽略不計的模型?！鞫S模型

必須同時考慮軸向和徑向上的濃度分布和溫度分布的模型。一、幾個術(shù)語△一維模型128非均相模型和擬均相模型是對催化劑顆粒內(nèi)外氣體混合物的濃度分布和溫度分布的處理方法。一維和二維模型是對反應(yīng)器內(nèi)氣流主體中的濃度分布和溫度分布的處理方法。一維、擬均相、活塞流模型是處理氣固相催化固定床反應(yīng)器的最基本模型，一般反應(yīng)的設(shè)計計算可采用此模型。非均相模型和擬均相模型是對催化劑顆粒內(nèi)外氣體混合物的濃12900:19在擬均相模型中，把包括顆粒與流體的床層看作為均一的固體物質(zhì)，用一個有效導(dǎo)熱系數(shù)λe來表征其傳熱特性，λe是流體流速的函數(shù)(流體靜止時的值以λe0表示)。通常固定床的熱量主要是在中心與管壁間作徑向的傳遞，除少數(shù)強放熱等情況外，流動方向的軸向?qū)嵊绊懗？珊雎圆挥嫛Ｒ虼甩薳一般常是指λer二、固定床的傳熱計算

1.按擬均相處理09:53在擬均相模型中，把包括顆粒130①一維模型在一維模型中，床層徑向溫度被認為是相同的。床層熱阻和壁膜熱阻合并作為一個熱阻來考慮，用床層與器壁間的給熱系數(shù)h0來表示，給熱速率式以床層平均溫度tm與壁溫tW之差來定義：

(6.2-4)式中A為傳熱面積，一般情況下，ht

值大致為61.2～320kJ／(m2·h·K)。下面推薦兩個計算ht的關(guān)聯(lián)式，①一維模型在一維模型中，床層徑向溫13100:19床層的傳熱系數(shù)ht的經(jīng)驗計算式對于球形顆粒：(6.2-5)此式的適用條件為20＜Re＜7600及0.05＜dP／dt＜0.3。dt為床層直徑，dP為顆粒比外表面積相當直徑。Λf為流體的導(dǎo)熱系數(shù)。若顆粒為圓柱形(6.2-6)此式的應(yīng)用范圍是20＜Re＜800，0.03＜dP／dt＜0.2?！鵫f不能用以計算床層的徑向溫度分布。09:53床層的傳熱系數(shù)ht的經(jīng)驗計算式對于球形顆粒：13200:19②二維模型二維模型需要考慮徑向溫度分布。在計算徑向溫度分布時，通常把固定床徑向傳熱的熱阻看成是由兩部分組成：一是床層本身，另一是器壁上的層流邊界層。床層熱阻用徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)λer來描述。其確定方法是先測定床層中的溫度分布，后根據(jù)傳熱方程式來反算求出λer。由于λer與反應(yīng)無關(guān)，因此可在無反應(yīng)的情況下進行測定。09:53②二維模型二維模型需要考13300:19實驗測得的λer值一般常歸納為Re與Pr的函數(shù)關(guān)系，已有若干關(guān)于計算λer的關(guān)聯(lián)式發(fā)表。其形式如下：

(6.2-8)式中λf是流體的導(dǎo)熱系數(shù)，a及b為實驗常數(shù)。09:53實驗測得的λer值一般常歸134內(nèi)壁上的層流邊界層熱阻，可用壁膜傳熱系數(shù)hW來描述。但已發(fā)表的實測數(shù)據(jù)極其分散，不同作者的實驗結(jié)果相差甚大，還沒有一個公認比較滿意的關(guān)聯(lián)式?？筛鶕?jù)實際情況查找相關(guān)文獻。給熱速率式以靠近器壁流體溫度tR與壁溫tW之差來定義：

(6.2-9)內(nèi)壁上的層流邊界層熱阻，可用壁膜傳熱1352.顆粒與流體間的傳熱將顆粒與流體間的給熱系數(shù)以hP表示，利用給熱系數(shù)hP可以算出粒子與流體間的溫差。如反應(yīng)速率及反應(yīng)熱分別為r'A(以單位質(zhì)量催化劑為基準)及△HA，則根據(jù)單位質(zhì)量催化劑的熱量平衡，有

(6.2-10)式中：am=Sa/ρB，單位質(zhì)量催化劑的外表面積2.顆粒與流體間的傳熱將顆粒與流體間136將傳熱系數(shù)用傳熱因子jH（P161，式6.9）的代替，可得粒子與流體間的溫差：

(6.2-11)式中，稱為傳熱數(shù)。對于氣體，Pr＝0.6～1.0，液體Pr＝2～400將傳熱系數(shù)用傳熱因子jH（P161，137三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型

1、假定絕大多數(shù)固定床反應(yīng)器呈圓柱形，即與管式反應(yīng)器相似，不同點在于比管式反應(yīng)器多固體催化劑。若用徑向平均溫度、平均濃度代替徑向溫度分布和濃度分布，則可將該反應(yīng)器的問題簡化為一個一維問題。流體在固定床中的流動狀況看作是平推流式的，沒有返混。固定床反應(yīng)器的物料、熱量衡算方法按照平推流反應(yīng)器處理方法進行。三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型1、假定138三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型2、物料衡算在P112式4.27的基礎(chǔ)上進修正，得到固定床反應(yīng)器的物料衡算式：

對于大多數(shù)多相催化反應(yīng)，外擴散問題都可解決，即僅考慮內(nèi)擴散的影響。

三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型2、物料衡算139三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型3.熱量衡算■若不考慮軸向熱擴散由P112式4.26可得：

若流體通過床層時壓力變化較大時，其動量衡算：初值條件：

Z=0，XA=0，

T=T0，p=p0

三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型3.熱量衡算140三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型若冷卻介質(zhì)的溫度在床層中不能視為常數(shù)，則需：■若流體在床層中流動不滿足活塞流假定，則要在上述方程中迭加軸向擴散，詳見P192~193?！鋈舴磻?yīng)中有多個反應(yīng)，則需使用物質(zhì)的量，并且要考慮關(guān)鍵組分A的總消耗。詳見P192。

三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型若冷卻介質(zhì)的溫度在床層中不能141三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型■上述模型方程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：

1）反應(yīng)動力學數(shù)據(jù)

2）熱力學數(shù)據(jù)

3）傳遞速率數(shù)據(jù)，如黏度等，

4）催化劑的宏觀數(shù)據(jù)，如孔分布等。三、固定床反應(yīng)器的數(shù)學模型■上述模型方程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：14200:197.4絕熱床反應(yīng)器

絕熱床反應(yīng)器沒有向徑向床壁傳熱，一般可以當作平推流處理，因此只考慮在流體流動的方向(軸向)上有溫度和濃度的變化，用擬均相一維模型來計算。09:537.4絕熱床反應(yīng)器絕14300:19一、平衡溫度及最優(yōu)溫度分布對于不可逆或可逆的吸熱反應(yīng)，反應(yīng)速率均隨溫度的升高而加快。最高允許溫度取決于催化劑或設(shè)備材質(zhì)的性能等因素，然而對可逆的放熱反應(yīng)，則由于逆反應(yīng)也隨著溫度的升高而加強，凈反應(yīng)速率將出現(xiàn)一極大值。09:53一、平衡溫度及最優(yōu)溫度分布144二、單層絕熱床的計算以A組分為關(guān)鍵組分，作物料、熱量衡算：

二、單層絕熱床的計算以A組分為關(guān)鍵組分，作物料、熱量衡算：145床層高度L為

床層高度L為14600:19三、多層絕熱床的計算對于多層(或多臺串聯(lián))的絕熱床，每一層的計算方法，原則上都與上面所介紹的一樣，只不過從一層出來的物料在進入到下一層去之前，如果由于放熱(或吸熱)的關(guān)系使其溫度升高(或降低)而需要的中間加以冷卻(或加熱)時，或者直接引入另一股物料使之混合，同時改變了它的溫度和濃度時，那么就要根據(jù)層間所進行的這種調(diào)節(jié)措施，通過簡單的物料衡算和熱量衡算，求出這時物料的溫度和濃度(或轉(zhuǎn)化率)來作為下一層的進料狀態(tài)。09:53三、多層絕熱床的計算對于多147圖：兩層絕熱，層間間接冷卻的情況圖：兩層絕熱，層間間接冷卻的情況14800:19圖6.3-1表示了層間間接冷卻的兩層絕熱床的情況。經(jīng)過第一層絕熱反應(yīng)，物料狀態(tài)從a點沿絕熱升溫線達到b點。間接冷卻時，因只有溫度的降低而無組成的改變，故bc是水平線。09:53圖6.3-1表示了層間間接14900:19四、多層床的最優(yōu)化問題對于可逆放熱反應(yīng)，要使反應(yīng)速率盡可能地保持最大，以便使催化劑的用量盡可能地少，隨著轉(zhuǎn)化率的增高，就必須按(最優(yōu))溫度曲線相應(yīng)地降低溫度，這樣就必須有盡可能多的層數(shù)?？墒菍訑?shù)愈多，裝置結(jié)構(gòu)等方面所花的費用也愈多，而且層數(shù)的繼續(xù)增加，效果也越來越微，所以一般很少有超過四層的。多層絕熱床的最優(yōu)化問題通常是在一定數(shù)目的床層內(nèi)，對于一定的進料和最終轉(zhuǎn)化率，要選定各段的進出口溫度和轉(zhuǎn)化率以求總的催化劑用量為最少。09:53四、多層床的最優(yōu)化問題對于150圖6.3-2代表一中間冷卻的多段絕熱床的情況。對于第I段而言，該段所需的催化劑用量Vi可根據(jù)式(6.3-10)寫出：

(6.3-13)式中(rA)i是i段床層中按絕熱操作時的原料中關(guān)鍵組分A的實際反應(yīng)速率。

圖6.3-2多段絕熱床示意圖圖6.3-2代表一中間冷卻的多段絕151將Vr分別對各段的xA及T微分，并令其等于零，以求極值，則有

將Vr分別對各段的xA及T微分，并令152將上式按中值定律寫成如下的形式：