固定床反应器设计.ppt

任务五 固定床反应器操作影响因素分析 (一)固定床反应器内的流体流动 (二)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 1、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 3、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 5、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 形状：催化剂颗粒，如球形、圆柱形、片状、环状、无规则等。 球形颗粒：直径；非球形颗粒：相当直径。 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， ；对于非球形颗粒， 。形状系数说明了颗粒与圆球的差异程度。 2.混合颗粒的平均直径及形状系数 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。 混合颗粒平均直径：算术平均直径法、调和平均直径法 。 算术平均直径法 调和平均直径法 ： 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验数据。 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，计算出来的形状系数也不同。 3.床层空隙率及径向流速分布 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 。 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。 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。 壁效应 ：器壁对空隙率分布的这种影响及由此造成对流动、传热和传质的影响。 一般工程上：达 达8时，可不计壁效应，故工业上通常要求 。 3.床层空隙率及径向流速分布 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，径向流速分布要趋向平坦。 如图所示。管式催化床内直径一般为25～40mm，而催化剂颗粒直径一般为5～8mm，即管径与催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流速分布及催化反应性能的影响必须考虑。 4、流体在固定床中流动的特性 流体在固定床中的流动情况较之在空管中的流动要复杂得多。 固定床中流体是在颗粒间的空隙中流动，颗粒间空隙形成的孔道是弯曲的、相互交错的，孔道数和孔道截面沿流向也在不断改变。 空隙率是孔道特性的一个主要反映。在床层径向，空隙率分布的不均匀，造成流速分布的不均匀性。 流速的不均匀造成物料停留时间和传热情况不均匀性，最终影响反应的结果。 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。 结果：工艺计算中常采用床层平均流速的概念。 4、流体在固定床中流动的特性 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定床内并非各向同性。 因而通常把它分成径向混合和轴向混合两个方面进行研究。 径向混合可以简单理解为:由于流体在流动过程中不断撞击到颗粒上，发生流股的分裂而造成. 轴向混合可简单地理解为:流体沿轴向依次流过一个由颗粒间空隙形成的串联着的“小槽”，在进口处，由于孔道收缩，流速增大，进到“小槽”后，由于突然扩大而减速，形成混合。 固定床中流体流动行为的描述 固定床中的流体流动，可以用简单的扩散模型进行模拟。 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）。 结果：根据不同的混合扩散程度，将两个部分迭加。 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，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。 当流动状态为滞流时，摩擦阻力为主； 当流动状态为湍流时，以局部阻力为主。 常用压降公式 ：埃冈 （Ergun） 修正摩擦系数 修正雷诺数 具体的计算公式 当 ＜10时：流体处于滞流状态， 当 ＞1000时：流体处于湍流状态， 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 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ε 都会使床层压降增大，其中尤以空隙率的影响最为显著。 （二）固定床中的传质与传热 1、固定床中的传质 2、固定床中的传热 1、固定床中的传质过程 固定床反应器中的传质过程： 外扩散、内扩散和