固定床内的传递现象

7多相催化反应器的设计与分析

气固催化反应过程在工业中有广泛的应用。气固催化反应器有多种型式，其中以固定床和流化床最为常见。相比之下，固定床是比较成熟的一类反应器。例如在烃类的催化重整、水煤气变换、甲醇氧化制甲醛以及合成氨等过程均使用固定床反应器，而且其规模也在不断扩大。本章将要讨论固定床催化反应器的类型和特点、反应器内的传递过程、以及反应器设计与优化等一系列工程问题。最后，将针对目前实验室使用的各类固定床反应器进行简单的介绍。具体讲解如下六个方面的内容： 固定床层内的传递现象 固定床的数学模型

绝热式固定床反应器设计与分析 换热式固定床反应器设计与分析 固定床反应器的参数敏感性分析 实验室反应器和应用 7.1固定床内的传递现象 7.1.1 固定床内的流体流动

1.表征床层内催化装填结构的物理量 （１）对固定床是空隙率ε

即

1

为了简单起见，通常使用整个床层的平均空隙率进行计算。流体流动是通过

床层空隙来实现的，流体的流通截面积为εA。但ε不均匀，真实流速u（缝隙速度）也存在分布问题，缝隙速度在壁面附近达到最大。 （２）对流化床是固含率

2.固定床空隙率的径向分布如下图所示：

3.固定床流体流动阻力

固定床层内流体流动从层流状态到湍流状态的转折过程并不明显（与空管中的流体流动相比）。在相同的条件下，可能在床层的一部分处于层流状态，而其它部分则处于湍流状态。流体在床层中流动产生的压降由两部分组成：

颗粒对流体的粘滞曳（ye）力；

形体阻力,空隙变化、流体与颗粒的碰撞（如孔道截面积的突然扩大和收

2

缩，流体流动方向的改变等） 4.固定床压力降计算公式

讨论园管压力降函数关系：影响压降的因素有 ΔP=f(l,dtu,ρ) 分析(l,dtu,ρ)

其中： 这是个半径验公式，其中Lr--管长；ρ--流体密度；dp--颗粒直径（或等比外表面积相当直径）；uo--空塔气速。摩擦系数为

其中的雷诺数为

雷诺数大时

；

f=1.75

雷诺数小时

f=150/Re

μ--流体的粘度。由此可以得到：

粒度大时，ε↑，ΔP↓，但催化剂的有效因子

较小；

如果颗粒粉化、破碎，那么床层的压降ΔP↑。

例7.1 在充填直径为9mm,高为7mm的圆柱形铁铬催化剂的固定床反应器中，在0.6865MPa下进行水煤气变换反应。反应气体的平均相对分子量为18.96，质量速度（按空床计算）为0.936kg/(s.m2)。设床层的平均温度为689K，反应气体的黏度为2.5 ×10-5Pa.s。已知催化剂的颗粒密度和床层

3

的堆密度分别为2000kg/m3及1400kg/m3。试计算单位床层高度的压力降。 解：可按式（7.1）计算，由题意知Lr=1m

床层空隙率为：代入式（７.２）得

再将有关数值代入（7.1）即得单位床层高度的压力降

7.1.2 轴向的传质，传热

轴向传质的彼克列数为

（第五章）

对气体而言

，则

对液体而言

由此可见，气体的返混小于液体的返混． 对混合池模型

4

对气体而言， (Pea)m=2,则5

，

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