化学反应工程(第三版)陈甘棠主编_第六章_固定床反应器

固定床反应器应化091班张连阳重要过程：•丙烯氧化制丙烯酸•乙炔HCl制氯乙烯•乙烯环氧化制环氧乙烷•烃类加氢•乙苯脱氢制苯乙烯•煤气化•…结构简单高空速很少催化剂损耗很小气固返混较长的扩散时间及距离高床层压降床内取热供热困难催化剂取出更新困难催化剂颗粒大，效率低一、固定床反应器的特点概述流体通过固定的固体物料所形成的床层。二、固定床反应器的种类（1）绝热式反应器图6-3多段绝热床反应器图6-1绝热床反应器间接换热式冷激式（2）对外换热式反应器特点：单位床层体积具有的传热面积大，传热性能良好；反应器放大设计可靠性高。图6-4对外换热式反应器传热介质选用原则：保证催化剂床层与传热介质之间有适宜的温差。常用传热介质的温度范围沸腾水100-300℃有机液态传热介质200-350℃熔盐300-400℃烟道气600-700℃（3）自热式反应器空气燃烧二段转化炉一段转化气甲烷化炉CO+3H2CH4+H2OCO2+4H2CH4+2H2O2H2+O22H2OCO+O2CO2CH4+H2OCO+3H2（4）其它形式的固定床反应器图6-6径向流反应器已成功应用于合成氨反应器。特点是：压降小，可采用较细颗粒的催化剂，从而提高催化剂的有效系数。固定床中的传递过程1粒子直径和床层空隙率一、颗粒直径的表示方法（1）表示方法（i）体积相当直径（ii）面积相当直径（iii）比表面相当直径3/1)/6(PVVd2/1)/(PaadPPVSaVSd/6/6式中，SV=ap/Vp，称为颗粒的比表面。（2）不同当量粒径的关系PPSVSaVdd/62)/(aVSdd式中，，称为颗粒的形状系数（）。pSSaa/1S非球形颗粒的形状系数（3）混合粒子的平均直径niiiddxd11式中，xi是直径为di粒子在全部粒子中所占的质量分数，可采用标准筛进行筛分分析得到。标准筛的规格见表6-2。pBB1二、床层空隙率单位体积床层中,颗粒之间的空隙所占的体积分率。式中Bp——床层堆积密度；——颗粒视密度。注意：颗粒视密度与真密度之间的区别。讨论：（1）床层空隙率与颗粒形状和尺寸的关系。（2）壁效应及流体均布。图6-9填充床的空隙率VSBBSBBeBHeddSRd13213244三、固定床的当量直径（1）床层比表面SBppBppppBppedVaaVanS/)1(6)1()1(（2）床层当量直径式中，RH——水力半径。式中，np——单位体积床层中颗粒的个数。75.1150132eMBBSmRLdup2床层压降床层压降是固定床反应器设计的重要参数，要求床层压降不超过床内压力的15%。床层压降的计算（1）)1(BmSeMudR式中um——空床流速；L——床层高度；ρ、μ——流体的密度和粘度。ReM10，层流，上式中右边第二项可忽略；ReM1000，湍流，上式中右边第一项可忽略。3332)1(2BnpnBmdLGfp（2）式中，dp——体积相当直径；——质量流速。fm和n可由图6-11查取。图6-11固定床的摩擦系数muG3固定床中的传热床层的传热性能直接决定了床内的温度分布，从而对反应速率和产物的组成分布都具有十分重要的影响。传热方式：导热、对流传热、热辐射。传热途径：粒内传热、颗粒与流体间传热、床层与器壁间传热。一、颗粒与流体间传热系数35.0)//(3023.0)//(876.2GdGdJppHB（6-16）3/2)/)(/(pppHcGchJ传热因子适用范围10000~10/Gdp注意：目前，计算传热系数的经验公式有很多，可从有关文献或工具书中查取。应用时要注意公式规定的特性尺寸、特性温度和适用范围。tahttahrHmpSGmpAA)(流体与颗粒间传热温差的计算热量平衡式中，——单位重量催化剂的外表面积；——床层比表面积Se的校正系数。BemSa/0.90.810.91无定形：；片状：；圆柱形：；球形：上式可整理成HrmpAAJPQahHrt/)(3/2其中，传热数GcaHrQpmAA/PrcP普朗特数图6-12固定床中流体与颗粒外表面的温差图6-12是上式的关联图，查图可求得不同条件下的Δt。repeePR)(//0二、固定床的有效热导率λe是针对拟均相模型提出的综合性传热参数，一般是指λer。λe值与颗粒与流体之间对流传热，颗粒及流体本身的导热，床层的辐射传热等多种传热作用有关。它不是物性参数，而是流体和固体颗粒特性以及流动状态的函数。（6-23）式中，λ——气体的热导率；——流体静止时床层的热导率；α——径向与轴向传质速率之比；β——颗粒间距与粒径比的影响。值可由图6-14查取。粒径/管径图6-140e)(sprsBprVBedhdh32111100e包含床层空隙和颗粒对传热的贡献，由下式计算（6-24）式中，——分别表示颗粒与流体的热导率；——粒子表面的热辐射率；——床层的平均温度，K；——空隙的辐射给热系数；)]K[W/(m1001)1(211227.023mBBrVTh,smTrVh（6-25）)]K[W/(m1002227.023mrsTh——颗粒的辐射给热系数；rsh21,（6-26）——颗粒接触点处流体薄膜对导热的影响。216.026.0)(212B（6-27）图6-15可由图6-15查取。sBBe3210当颗粒直径甚小，床层温度不是很高，以及含有液体时，空隙和颗粒的辐射传热可忽略，式（6-24）可简化为：（6-28）)(0WmttAhq三、床层与器壁间的给热系数h0一维模型中，床层与器壁间传热速率为h0可由经验公式计算])([210ybadddhetpp（6-32）（6-31）式中，y——无量纲数eprettptpeRPdLdddGcLy)/)(/)(/(442b——无量纲数/)/)(/)(2/1()2//(epWtpetWdhdddhb（适用范围：y0.2）40/GdphW——壁面处对流给热系数；4.08.03/13/1094.058.2pppppWcGdcGddh适用范围：——是b的函数，由图6-16查取。)(,21ba图6-16（6-40）[例6-2]解：（1）3/23/2DGMPkDGkJGCD固定床中的传质与混合颗粒与流体间的传质系数单位体积（或质量）催化剂上着眼组分A的传质速率)()(SAGAGASAGACAAppakccakN式中，a——单位体积（或质量）催化剂作基准的传质表面积；——以浓度或分压表示的A组分的传质系数。CAGAkk,计算传质系数的经验关联式)/(RTkkCAGA（6-43）式中,称为施密特数；JD——传质因子。DSC/10005057.05005084.041.051.0eeDeeDRRJR.RJ)/(eeSGR（6-44）其中