固定床反应器设计

1、任务五任务五 固定床反应器操作影响因素分析固定床反应器操作影响因素分析 ( (一一) )固定床反应器内的流体流动固定床反应器内的流体流动 ( (二二) )固定床反应器内的传质与传热固定床反应器内的传质与传热 （一）固定床反应器内的流体流动（一）固定床反应器内的流体流动 1、催化剂颗粒的直径和形状系数催化剂颗粒的直径和形状系数 2、混合颗粒的平均直径及形状系数混合颗粒的平均直径及形状系数 3、床层空隙率及径向流速分布床层空隙率及径向流速分布 4、流体在固定床中流动的特性流体在固定床中流动的特性 5、流体流过固定床层的压力降流体流过固定床层的压力降 1.催化剂颗粒的直径和形状系数催化剂颗粒的直径和

2、形状系数 o形状：催化剂颗粒，如球形、圆柱形、片状、环状、无规则等。形状：催化剂颗粒，如球形、圆柱形、片状、环状、无规则等。 o球形颗粒：直径；非球形颗粒：相当直径。球形颗粒：直径；非球形颗粒：相当直径。 o形状系数：即与非球形颗粒体积相等的圆球的外表面积与非球形颗粒的外表面积之比。形状系数：即与非球形颗粒体积相等的圆球的外表面积与非球形颗粒的外表面积之比。 对于球形颗粒，对于球形颗粒， ；对于非球形颗粒，；对于非球形颗粒， 。形状系数说明了颗粒与圆球的差异程度。形状系数说明了颗粒与圆球的差异程度。 V d 3 1 /6 PV Vd a d 2 1 / Pa Ad s d PPV VAS/ S

3、SSV dddS/6 6 1 / 32 S PSS AA / aSVSS ddd2 3 序序 号号 名称名称符号符号定义定义公式公式 1 体积相体积相 当直径当直径 采用体积相同的球形颗粒直径来采用体积相同的球形颗粒直径来 表示非球形颗粒直径。表示非球形颗粒直径。 2 面积相面积相 当直径当直径 采用外表面积相同的球形颗粒直径采用外表面积相同的球形颗粒直径 来表示非球形颗粒直径。来表示非球形颗粒直径。 3 比表面比表面 相当直相当直 径径 采用比表面积相同的球形颗粒直径采用比表面积相同的球形颗粒直径 来表示非球形颗粒的直径。来表示非球形颗粒的直径。 4 形状形状 系数系数 非球形颗粒的外表面积

4、一定大于等非球形颗粒的外表面积一定大于等 体积的圆球的外表面积。体积的圆球的外表面积。 联系起来联系起来 1 S 1 S 2.2.混合颗粒的平均直径及形状系数混合颗粒的平均直径及形状系数 o当催化剂床层由大小不一、形状各异的颗粒组成时，计算混合颗粒的平均当催化剂床层由大小不一、形状各异的颗粒组成时，计算混合颗粒的平均 粒度及形状系数。粒度及形状系数。 o混合颗粒平均直径：算术平均直径法、调和平均直径法混合颗粒平均直径：算术平均直径法、调和平均直径法 。 o算术平均直径法算术平均直径法 o调和平均直径法调和平均直径法 ： o注意：在固定床和流化床的流体力学计算中，用调和平均直径较为符合实注意：在

5、固定床和流化床的流体力学计算中，用调和平均直径较为符合实 验数据。验数据。 o结论：大小不等且形状也各异的混合颗粒，其形状系数由待测颗粒所组成结论：大小不等且形状也各异的混合颗粒，其形状系数由待测颗粒所组成 的固定床压力降来计算。同一批混合颗粒，平均直径的计算方法不同，计的固定床压力降来计算。同一批混合颗粒，平均直径的计算方法不同，计 算出来的形状系数也不同。算出来的形状系数也不同。 i n i iP dxd 1 n i i i P d x d 1 1 3.3.床层空隙率及径向流速分布床层空隙率及径向流速分布 o空隙率的定义：催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比空隙率的定义：催化剂床层的

6、空隙体积与催化剂床层总体积之比 。 o讨论空隙率的意义：催化剂床层的重要特性之一，它对流体通过床层的压力降、讨论空隙率的意义：催化剂床层的重要特性之一，它对流体通过床层的压力降、 床层的有效导热系数及比表面积都有重大的影响。床层的有效导热系数及比表面积都有重大的影响。 o影响床层空隙率大小的因素：颗粒形状、颗粒的粒度分布、颗粒表面的粗糙度、影响床层空隙率大小的因素：颗粒形状、颗粒的粒度分布、颗粒表面的粗糙度、 充填方式、颗粒直径与容器直径之比等。充填方式、颗粒直径与容器直径之比等。 o壁效应壁效应 ：器壁对空隙率分布的这种影响及由此造成对流动、传热和传质的影：器壁对空隙率分布的这种影响及由此造

7、成对流动、传热和传质的影 响。响。 o一般工程上：达一般工程上：达 达达8时，可不计壁效应，故工业上通常要求时，可不计壁效应，故工业上通常要求 。 S B 1 Pt dd / Pt dd8 o如果固定床与外界换热，床层非恒如果固定床与外界换热，床层非恒 温，存在着径向温度分布，则床层温，存在着径向温度分布，则床层 中径向流速分布的变化比恒温时还中径向流速分布的变化比恒温时还 要大；当管内数增大时，径向流速要大；当管内数增大时，径向流速 分布要趋向平坦。分布要趋向平坦。 o如图所示。管式催化床内直径一般如图所示。管式催化床内直径一般 为为2540mm，而催化剂颗粒直，而催化剂颗粒直 径一般为径一

8、般为58mm，即管径与催，即管径与催 化剂颗粒直径比相当小，此时壁效化剂颗粒直径比相当小，此时壁效 应对床层中径向空隙率分布和径向应对床层中径向空隙率分布和径向 流速分布及催化反应性能的影响必流速分布及催化反应性能的影响必 须考虑。须考虑。 孔隙率分布孔隙率分布 3.床层空隙率及径向流速分布床层空隙率及径向流速分布 4 4、流体在固定床中流动的特性、流体在固定床中流动的特性 o流体在固定床中的流动情况较之在流体在固定床中的流动情况较之在空管空管中的流动要复杂得多。中的流动要复杂得多。 固定床中固定床中流体流体是在颗粒间的是在颗粒间的空隙中流动空隙中流动，颗粒间空隙形成的孔道，颗粒间空隙形成的孔

9、道 是是弯曲的、相互交错弯曲的、相互交错的，孔道数和孔道截面沿流向也在的，孔道数和孔道截面沿流向也在不断改变。不断改变。 o空隙率空隙率是孔道特性的一个主要反映。在床层是孔道特性的一个主要反映。在床层径向径向，空隙率分布的，空隙率分布的 不均匀不均匀，造成，造成流速分布的不均匀性流速分布的不均匀性。 o流速的不均匀流速的不均匀造成物料造成物料停留时间停留时间和和传热传热情况情况不均匀性不均匀性，最终影响，最终影响 反应的结果。反应的结果。 o由于固定床内流动的复杂性，至今难以用数学解析式来描述流速由于固定床内流动的复杂性，至今难以用数学解析式来描述流速 分布。分布。 o结果：工艺计算中常采用结

10、果：工艺计算中常采用床层平均流速床层平均流速的概念。的概念。 固定床内径向混合示意图固定床内径向混合示意图 o流体在固定床中流动时，由于本身的湍流体在固定床中流动时，由于本身的湍 流、对催化剂颗粒的撞击、绕流、以及流、对催化剂颗粒的撞击、绕流、以及 孔道的不断缩小和扩大，造成流体的不孔道的不断缩小和扩大，造成流体的不 断分散和混合，这种混合扩散现象在固断分散和混合，这种混合扩散现象在固 定床内并非各向同性。定床内并非各向同性。 o因而通常把它分成因而通常把它分成径向混合径向混合和和轴向混合轴向混合 两个方面进行研究。两个方面进行研究。 o径向混合可以简单理解为径向混合可以简单理解为:由于流体在

11、流由于流体在流 动过程中不断撞击到颗粒上，发生流股动过程中不断撞击到颗粒上，发生流股 的分裂而造成的分裂而造成. o轴向混合可简单地理解为轴向混合可简单地理解为:流体沿轴向依流体沿轴向依 次流过一个由颗粒间空隙形成的串联着次流过一个由颗粒间空隙形成的串联着 的的“小槽小槽”，在进口处，由于孔道收缩，在进口处，由于孔道收缩， 流速增大，进到流速增大，进到“小槽小槽”后，由于突然后，由于突然 扩大而减速，形成混合。扩大而减速，形成混合。 4、流体在固定床中流动的特性、流体在固定床中流动的特性 固定床中流体流动行为的描述固定床中流体流动行为的描述 o 固定床中的流体流动，可以用简单的扩散模型进行固定

12、床中的流体流动，可以用简单的扩散模型进行 模拟。模拟。 o 流动由两部分合成：一部分流体以平均流速沿轴向流动由两部分合成：一部分流体以平均流速沿轴向 作理想置换式的流动；另一部分为流体的径向和轴作理想置换式的流动；另一部分为流体的径向和轴 向的混合扩散，包括分子扩散（滞流时为主）和涡向的混合扩散，包括分子扩散（滞流时为主）和涡 流扩散（湍流时为主）。流扩散（湍流时为主）。 o 结果：根据不同的混合扩散程度，将两个部分迭加。结果：根据不同的混合扩散程度，将两个部分迭加。 5 5、流体流过固定床层的压力降、流体流过固定床层的压力降 o流体流过固定床层的压力降，主要是由于流体与颗粒表面间的摩流体流过

13、固定床层的压力降，主要是由于流体与颗粒表面间的摩 擦阻力和流体在孔道中的收缩、扩大和再分布等局部阻力引起。擦阻力和流体在孔道中的收缩、扩大和再分布等局部阻力引起。 o当流动状态为滞流时，摩擦阻力为主；当流动状态为滞流时，摩擦阻力为主； o当流动状态为湍流时，以局部阻力为主。当流动状态为湍流时，以局部阻力为主。 o常用压降公式常用压降公式 ：埃冈：埃冈 （Ergun） o修正摩擦系数修正摩擦系数 o修正雷诺数修正雷诺数 L d u fP S f M 3 2 01 M f M Re 75. 1 Re 150 M M f 1 1 1 1 Re 0 f S f fS M Gd ud 具体的计算公式具体

14、的计算公式 当当 10时时：流体处于滞流状态，流体处于滞流状态， 当当 1000时：流体处于湍流状态，时：流体处于湍流状态， 如果床层中催化剂颗粒大小不一如果床层中催化剂颗粒大小不一，用以上公式时，应采用颗粒用以上公式时，应采用颗粒 的平均相当直径。的平均相当直径。 注意增大流体空床平均流速、减少颗粒直径以及减小床层空隙率注意增大流体空床平均流速、减少颗粒直径以及减小床层空隙率 都会使床层压降增大，其中尤以空隙率的影响最为显著。都会使床层压降增大，其中尤以空隙率的影响最为显著。 M Re L d u P S f 3 2 2 01 150 L d u P S f 3 2 0)1 ( 75. 1

15、S d Si i Vii S d xSx d 16 M Re （二）固定床中的传质与传热（二）固定床中的传质与传热 1 1、固定床中的传质固定床中的传质 2 2、固定床中的传热固定床中的传热 1、固定床中的传质过程、固定床中的传质过程 o固定床反应器中的传质过程：固定床反应器中的传质过程： 外扩散外扩散、内扩散内扩散和和床层内的混合扩散床层内的混合扩散。 o因为气固相催化反应发生在催化剂表面，所以反应组分因为气固相催化反应发生在催化剂表面，所以反应组分 必须到达催化剂表面才能发生化学反应。必须到达催化剂表面才能发生化学反应。 o在固定床反应器中，由于催化剂粒径不能太小，故常常在固定床反应器中，

16、由于催化剂粒径不能太小，故常常 采用多孔催化剂以提供反应所需要的表面积。采用多孔催化剂以提供反应所需要的表面积。 o结果：反应主要在内表面进行，内扩散过程则直接影响结果：反应主要在内表面进行，内扩散过程则直接影响 着反应过程的宏观速率。着反应过程的宏观速率。 外扩散过程外扩散过程 o 流体与催化剂外表面间的传质。流体与催化剂外表面间的传质。 o 在工业生产过程中，固定床反应器一般都在较高流速下在工业生产过程中，固定床反应器一般都在较高流速下 操作。因此，主流体与催化剂外表面之间的压差很小，操作。因此，主流体与催化剂外表面之间的压差很小， 一般可以忽略不计，因此外扩散的影响也可以忽略。一般可以忽

17、略不计，因此外扩散的影响也可以忽略。 o 结论：外扩散的影响也可以忽略。结论：外扩散的影响也可以忽略。 SAGAecAA ccSkN 内扩散过程内扩散过程 o催化剂颗粒内部微孔的不规则性和扩散要受到孔壁影响等因素，使催化剂催化剂颗粒内部微孔的不规则性和扩散要受到孔壁影响等因素，使催化剂 微孔内扩散过程十分复杂。微孔内扩散过程十分复杂。 o催化剂微孔内的扩散过程对反应速率有很大的影响。反应物进入微孔后，催化剂微孔内的扩散过程对反应速率有很大的影响。反应物进入微孔后， 边扩散边反应。如扩散速率小于表面反应速率，沿扩散方向，反应物浓度边扩散边反应。如扩散速率小于表面反应速率，沿扩散方向，反应物浓度

18、逐渐降低，以致反应速率也随之下降。采用催化剂有效系数对此进行定量逐渐降低，以致反应速率也随之下降。采用催化剂有效系数对此进行定量 的说明。的说明。 o结论：当结论：当 1时，反应过程为动力学控制，当时，反应过程为动力学控制，当 1时，反应过程为内时，反应过程为内 扩散控制。扩散控制。 o内扩散不仅影响反应速率，而且影响复杂反应的选择性。如平行反应中，内扩散不仅影响反应速率，而且影响复杂反应的选择性。如平行反应中， 对于反应速率快、级数高的反应，内扩散阻力的存在将降低其选择性。又对于反应速率快、级数高的反应，内扩散阻力的存在将降低其选择性。又 如连串反应以中间产物为目的产物时，深入到微孔中去的扩

19、散将增加中间如连串反应以中间产物为目的产物时，深入到微孔中去的扩散将增加中间 产物进一步反应的机会而降低其选择性。产物进一步反应的机会而降低其选择性。 S P r r , 浓度相同时的反应速率温度催化 剂化剂内表面与外 实际催化反应速率 注意事项：注意事项： o固定床反应器内常用的是直径为固定床反应器内常用的是直径为35mm的大颗粒催化剂，一般的大颗粒催化剂，一般难难 以以消除内扩散消除内扩散的影响。实际生产中采用的催化剂，其有效系数为的影响。实际生产中采用的催化剂，其有效系数为 0.011。因而。因而工业生产工业生产上必须充分估计上必须充分估计内扩散内扩散的的影响影响，采取措施，采取措施 尽

20、可能减少其影响。在反应器的设计计算中，则应采用考虑了尽可能减少其影响。在反应器的设计计算中，则应采用考虑了内扩内扩 散散影响因素在内的影响因素在内的宏观动力学方程式宏观动力学方程式。 o判明了判明了内扩散内扩散的影响，就可以的影响，就可以选选用工业上用工业上适宜适宜的催化剂颗粒的催化剂颗粒尺寸尺寸。 当必须采用细颗粒时，可以考虑改用当必须采用细颗粒时，可以考虑改用径向反应器径向反应器或或流化床反应器流化床反应器。 此外也有从改变催化剂结构入手，如制造双孔分布型催化剂，把具此外也有从改变催化剂结构入手，如制造双孔分布型催化剂，把具 有小孔但消除了内扩散影响的细粒挤压成型为大孔的粗粒，既提供有小孔

21、但消除了内扩散影响的细粒挤压成型为大孔的粗粒，既提供 了足够的表面积，又减少了扩散阻力。还有了足够的表面积，又减少了扩散阻力。还有把活性组分浸渍把活性组分浸渍或或喷涂喷涂 在颗粒外层的表面薄层催化剂在颗粒外层的表面薄层催化剂等。等。 床层内的混合扩散床层内的混合扩散 o 固定床内的混合扩散包括径向和轴向混合扩散，可仿照固定床内的混合扩散包括径向和轴向混合扩散，可仿照 费克定律，用有效扩散系数来描述。费克定律，用有效扩散系数来描述。 o 结论：研究表明，在工业反应器通常流速下，当反应器结论：研究表明，在工业反应器通常流速下，当反应器 长度和催化剂粒径之比大于长度和催化剂粒径之比大于100倍时，轴

22、向混合的影响倍时，轴向混合的影响 可以忽略不计，一般反应器都能满足这个条件，故固定可以忽略不计，一般反应器都能满足这个条件，故固定 床反应器通常不考虑轴向混合的影响。床反应器通常不考虑轴向混合的影响。 2 2、固定床中的传热、固定床中的传热 o 床层的传热性能对于床内的温度分布，进而对反应速床层的传热性能对于床内的温度分布，进而对反应速 率和物料组成分布都具有很大影响。率和物料组成分布都具有很大影响。 o 由于反应是在催化剂颗粒内进行的，固定床的传热实由于反应是在催化剂颗粒内进行的，固定床的传热实 质上包括了颗粒内的传热、颗粒与流体之间的传热以质上包括了颗粒内的传热、颗粒与流体之间的传热以 及

23、床层与器壁的传热等几个方面。及床层与器壁的传热等几个方面。 反应器中的温度分布：反应器中的温度分布： 轴向温度分布不均轴向温度分布不均 径向有显著的温度梯度径向有显著的温度梯度 固定床反应器内的传热过程固定床反应器内的传热过程 固定床反应器内的传热过程固定床反应器内的传热过程 （1）反应热由催化剂内部向外表面传递；）反应热由催化剂内部向外表面传递； （2）反应热由催化剂外表面向流体主体传递；）反应热由催化剂外表面向流体主体传递； （3）反应热少部分由反应后）反应热少部分由反应后 的流体沿轴向带走，主的流体沿轴向带走，主 要部分由径向通过催化剂和流体构成的床层传递至要部分由径向通过催化剂和流体构成的床层传递至 反应器器壁，由载热体带走。反应器器壁，由载热体带走。 注意：上述的每一步传热过程都包含着传导、对流注意：上述的每一步传热过程都包含着传导、对流 和辐射三种传热方式。和辐射三种传热方式。 传热过程处理和计算方法传热过程处理和计算方法 处理方法处理方法 o对于这样复杂的传热过程，根据不同情况和要求，作不同程度的简对于这样复杂的传热过程，根