固定床流体力学.ppt

5.2 固定床流体力学 流体的质量通量G与床层的高度及流通截面积是密切联系的。当反应器的生产任务及反应物料的质量流量W，kg/s,不变时，对于一定的催化床体积VR，其高度L和床层截面积Ac可以有不同的比例，如L/Ac比值增大，则G和L同时增大而增加压力降。当ReM1000时， 正比于G2L，即VR一定时， 正比于(W/Ac)2L，或 正比于L3。改为径向流动，即减小了气流在催化床内流动的路程，同时增加了垂直于流向的截面积和减小了气流速度，从而大幅度地减少了床层的压力降，为使用小颗粒催化剂，提高催化剂的总体速率及催化床的空时产率创造了良好的条件。 颗粒粒度和形状是影响床层压力降的另一重要因素。形状相同的颗粒，减小颗粒的当量直径，会导致固定床压力降增加。当ReM10时，压力降反比于颗粒当量直径的平方；当ReM1000时，压力降反比于当量直径。颗粒的筛析范围相同，形状系数小的颗粒，如片状，其当量直径减小，床层的压力降增大。            *  *  固定床中进行催化剂反应时，同时发生传热及传质过程，后两者又与流体在床层内的流动状况密切有关。为了研究固定床中化学反应的宏观反应过程，进行合理的反应器结构设计，必须先讨论固定床的传递过程，即固定床中的流体力学、传热及传质问题。 1.非中空固体颗粒的当量直径及形状系数 常用的非中空颗粒当量直径的表示方法有三种，即等体积圆球直径、等外表面积圆球直径和等比外表面积圆球直径。 若以Sp和Vp表示非中空颗粒的外表面积和体积，按等体积圆球直径计算的当量直径可表示如下： (5-1) 式（5-1）中Vp为与非中空颗粒等体积的圆球体积。 一. 固定床的物理特性 按等外表面积圆球直径计算的当量直径Dp可表示如下： (5-2) 式（5-2）中Sp为非中空颗粒等外表面积的圆球的外表面积。 按等比外表面积圆球直径计算的当量直径ds可表示如下： (5-3) 式（5-3）中Sv 为与非中空颗粒等比外表面积的圆球比外表面积。 再以SS表示与非中空颗粒等体积的圆球的外表面积，则 (5-4) 因此，引入一个量纲1数 ，称为颗粒的形状系数，其值如下： (5-5) 对于球形颗粒， =1；对于非球形颗粒， 小于1。形状系数说明了颗粒形状与圆球的差异程度。 形状系数 可由颗粒的体积及外表面积算得。非中空颗粒的体积可由实验测得，或由其质量及密度计算。形状规则的颗粒，例如圆柱形颗粒，其外表面积可由直径及高求出；形状不规则的颗粒外表面积却难以直接测量，这时可测定由待测颗粒所组成的固定床压力降来计算形状系数。 上述三种当量直径dv、Dp、ds与形状系数间的相互关系可表示如下 (5-6) 及 (5-7) 2.混合颗粒的平均直径及形状系数 破碎成的碎块——形状不规则，大小也不均匀 算术平均直径 为 (5-8) di—两相邻筛孔净宽乘积的平方根；xi为直径di颗粒的质量分数。 调和平均直径 为 (5-9) 在固定床及流化床的流体力学中，用调和平均直径较为符合实验数据。大小不等形状各异的混合颗粒— 由固定床△P计算。 3. 固定床的当量直径 床层中颗粒的比表面积（不计入接触而减少的表面积）： (5-10) 水力半径：