化学反应工程第5章固定床气-固相催化反应工程分析.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 2. 实验关联式 下面介绍基于固定床传热实验的关联式。中国科学院大连化学物理研究所根据气体通过固定床的床层径向温度分布实验数据获得固定床的径向有效导热系数及壁给热系数的关联式： (5-42) 式中A、B及C为常数，取决于固体颗粒的特性，其数值列于表5-2。流体的物性数据，以进出口平均温度的算术平均值作为定性温度。 * 表5-2 式(5-42)中常数A、B及C值 * 对于低导热系数颗粒，壁给热系数可计算如下： (5-43) 对于高导热系数颗粒，壁给热系数可计算如下： (5-44) 对于圆柱形颗粒，当量直径采用等外表面积的圆球直径。 * 上列三式的实验范围如下： dV/dt＝0.074～0.254(低导热系数颗粒)； dV/dt＝0.12～0.20(高导热系数颗粒)； L/dt ＝5～15； 。 按式(5-42)计算的径向有效导热系数是平均值，与径向位置无关。 * 有关固定床传热的研究工作表明： 固体颗粒的形状如圆柱形、单孔环柱形及低管径与颗粒直径比，将影响固定床径向有效导热系数和壁给热系数的数值。 对于单孔环柱形颗粒，采用同时计入外环和内环表面积的等比表面积的当量直径整理实验数据较好，并且对于单孔环柱形，内环与外环直径比较大时，强化了固定床径向传热性能。异形多通孔催化剂的固定床导热系数可参阅。 * 四、固定床径向及轴向传热的偏微分方程 现以圆柱形固定床为例讨论其中不进行化学反应的热量传递过程，并采用下列假定： 由于轴向有效导热系数数值远低于径向有效导热系数，即只考虑轴向随流体带入及带出的显热； 假定床层内各点的固体温度与流体温度相同，即不考虑固体与流体间的温度差； 略去温度对热容的影响。 * 在圆柱形固定床内，取一高为dl、厚为dr，并对称于床层轴的微元环柱体，见图5-20。单位时间内，从径向r面传入的热量为Q1，由r＋dr面传出的热量为Q2；从轴向l面传入的热量为Q3，由l＋dl面传出的热量为Q4。根据上述假定，以0℃作为计算显热的基准温度，若床层被冷却，Q1、Q2、Q3及Q4可分别表示如下： * 图5-20 微元环柱体的传热模型 * 对该微元体作热平衡，Q1+Q3=Q2+Q4 由于 ； ； 将上述关系代入，略去(dr)2项，化简后，可得 (5-45) * 如果略去径向位置对径向有效导热系数的影响，即 ，则上式化简为 (5-46) 式(5-45)及式(5-46)是固定床内径向与轴向传热的偏微分方程，若r0为床层半径，L为床层高度，T0为床层入口处温度，其边界条件如下： l=0, r=0, r=r0, * 五、固定床中流体与颗粒外表面间的传热与传质 固定床中流体与颗粒外表面间的传热及传质过程主要决定于流体与颗粒外表面间的给热系数 ，及传质系数 。 关于 和 与流体的流动特性和物理性质、固定床特性之间的关系，发表了许多从实验数据整理获得的关联式，其中关于表征流体流动特性的Re数有三种方式: * 下面二项关联式是整理有关床层空隙率对流体与颗粒外表面间传热及传质影响的众多文献实验数据后，发现以 与传热J-因子JH或 与传质J-因子JD的乘积与 来关联，可以在广泛的雷诺数区间适用，并同时适用于固定床及流化床，实验所用固体含圆球、圆柱形、单孔环柱形，鞍形及不规则形状等颗粒，Dp为等外表面积球体直径。 *