化学反应工程第6章.ppt

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1、第5章气固相催化固定床反应器1第一节：概述一、固定床反应器固定床反应器：凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置。2二、催化固定床反应器的优缺点1.优点：（1）催化剂不易磨损，可以长期使用（除非失活）；（2）高径比较大时，床层中流体流动接近平推流；（3）停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，有利于达到较高的转化率和选择性。32.缺点：（1）传热较差；（2）催化剂的更换必须停车，浪费人力、物力，要求催化剂有足够的寿命；（3）催化剂的有效系数低。三、催化固定床反应器的类型4固定床催化反应器的类型绝热型换热型567操作方

2、式：绝热、换热两种；操作方式的不同，反应器的结构就不同。操作方式由反应的热效应和操作范围的宽窄及反应的经济效益等决定。从反应器的设计、制造及操作考虑，绝热型比较简单。从设计上讲，基本方程是一样的。还有径向反应器、滴流床反应器、移动床反应器等都是固定床反应器。8径向反应器特点：气体留道短，流速低，可大为降低催化床层压降，为使用小颗粒催化剂提供了条件。设计的关键：合理设计流道使各横截面上的气体流量均等。910四、基本设计原则1.设计条件（1）掌握反应过程的热力学数据和热容、粘度、导热系数及扩散系数等物性数据。（2）尽可能获得反应动力学

3、及传递过程的数据。A.本征动力学B.工业催化剂112.基本设计原则（1）确定催化剂用量，WWmin；（2）确定传热方式，算出床层温度分布，使之趋于最佳温度曲线上分布；（3）确定最佳工艺操作参数及固定床的类型和结构。12五、固定床反应器的数学模型同时关联物料衡算、热量衡算、动力学方程。13六、基本问题温度、浓度分布，气相压降，转化率及催化剂用量选择固定床反应器的原则－－什么反应需要用固定床反应器？气固相催化反应首选－－非常普遍如，合成氨、硫酸、合成甲醇、环氧乙烷乙二醇、苯酐及炼油厂中的铂重整等。14第二节：固定床反应器内的传递特性气

4、体在催化剂颗粒之间的孔隙中流动，较在管内流动更容易达到湍流。气体自上而下流过床层。15一、颗粒层的若干物理特性参数1.床层密度和空隙率（1）粒子密度ρp－－包括粒内微孔在内的全颗粒的密度；（2）真密度（材料密度）ρs－－除去微孔容积的颗粒的密度；（3）床层密度ρB：－－单位床层体积中颗粒的质量。164.床层空隙率εB：单位体积床层内的空隙体积（没有被催化剂占据的体积，不含催化剂颗粒内的体积）。若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒的床层，其空隙率与颗粒大小无关。17壁效应：靠近壁面处的空隙率比其它部位大。为减少壁效应的影响，要求床层直径至

5、少要大于颗粒直径的8倍以上。182.粒径颗粒的定型尺寸－－最能代表颗粒性质的尺寸为颗粒的当量直径。对于非球形颗粒，可将其折合成球形颗粒，以当量直径表示。（1）体积当量直径：(非球形颗粒折合成同体积的球形颗粒应当具有的直径）19（3）比表面积当量直径：(非球形颗粒折合成相同比表面积的球形颗粒应当具有的直径）（2）外表面积当量直径：(非球形颗粒折合成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）20（4）混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子直径的加权平均）2122二、床层压降气体流动通过催化剂床层，将产生压降.2324压降计算通常利用厄根（

6、Ergun）方程：25例6.1在内径为50mm的管内装有4m高的催化剂层，催化剂的粒径分布如表所示。催化剂为球体，空隙率εB=0.44。在反应条件下气体的密度ρg=2.46kg.m-3，粘度μg=2.3×10-5kg.m-1s-1，气体的质量流速G=6.2kg.m-2s-1。求床层的压降。26解：①求颗粒的平均直径。②计算修正雷诺数。27③计算床层压降。28三、固定床中的传热固定床中的传热：（1）粒内传热（2）颗粒与流体间的传热（3）床层与器壁的传热表征传热的参数：（1）颗粒本身的导热系数λp（有实验测定）（2）颗粒与流体间传热的

7、给热系数hp（3）管壁处的给热系数hw29（4）总给热系数h0（固定床单纯作为换热装置时，以床层的平均温度与管壁的温差为推动力）；（5）有效导热系数λe（在拟均相模型中，把包括颗粒与流体的床层视为均相）由于混合扩散情况的差异，需要进一步区分轴向和径向的有效导热系数。如：轴向λez和径向λer。30313233343536四、固定床中的传质与混合1.粒子与流体间的传质37382.固定床中流体间的混合扩散当流体流经填充床时，不断发生着发散和汇合，在径向比轴向更为显著。混合扩散（包括三类不同的物理现象）：A.浓度差引起的扩散作用；B.紊

8、流产生的流体流动；C.固体颗粒使流体改变流向产生的流动。39当流体流经填充床时，不断发生着发散和汇合，在径向比轴向更为显著。混合扩散（包括三类不同的物理现象）：A.浓度差引起的扩散作用；B.紊流产生的流体流动；C.固体颗粒使流体改变流向产生的流动。