《高等化学反应工程》课程授课教案（讲义）固定床气固相催化反应工程

第五章固定床气-固相催化反应工程第一节固定床气-固相催化反应工程一、固定床气-固相催化反应器的基本类型第一种分类：绝热式反应器和连续换热式反应器1.绝热式最佳温-度曲线T单段绝热催化床原料产品产品.I原料原料三三冷敬2NV剂产品(b)(c)(a)多段固定床绝热反应器（a）间接换热式（b）原料气冷激式（c）非原料气冷激式

第五章 固定床气-固相催化反应工程 第一节 固定床气-固相催化反应工程 一、固定床气-固相催化反应器的基本类型 第一种分类：绝热式反应器和连续换热式反应器 1. 绝热式 单段绝热催化床 多段固定床绝热反应器 （a）间接换热式 （b）原料气冷激式 （c）非原料气冷激式

爵佳7_单一可逆放热反单一可逆放热反应单一可逆放热反应三段间接换热三段非原料冷却式应三段原料冷却式操作状况操作状况式操作状况2.连续换热式特点：连续换热式催化床中反应与换热过程同时进行。乙烯催化氧化合成环氧乙烷、萘氧化制邻苯二甲酸酐及乙烯与乙酸气相氧化制乙酸乙烯脂等反应的反应热大，采用管式催化床，见下图。进气冷却介质出气外冷管式200℃~250℃时：采用加压热水汽化作载热体而副产中压蒸汽。250℃~300℃时：可采用挥发性低的有机载热体如矿物油，联苯-联苯醚混合物；300℃以上：采用熔盐作载热体，有机载热体和熔盐吸收的反应热都用来产生蒸汽。第二种分类：轴向流动反应器和径向流动反应器轴向流动：气体流向与反应器的轴平行径向流动：气体在垂直于反应器轴的各个横截面上沿半径方向流动，见下图：

2. 连续换热式 特点：连续换热式催化床中反应与换热过程同时进行。 乙烯催化氧化合成环氧乙烷、萘氧化制邻苯二甲酸酐及乙烯与乙酸气相氧化 制乙酸乙烯脂等反应的反应热大，采用管式催化床，见下图。 外冷管式 200℃~250℃时：采用加压热水汽化作载热体而副产中压蒸汽。 250℃~300℃时：可采用挥发性低的有机载热体如矿物油，联苯-联苯醚混合 物； 300℃以上：采用熔盐作载热体，有机载热体和熔盐吸收的反应热都用来产 生蒸汽。 第二种分类：轴向流动反应器和径向流动反应器 轴向流动：气体流向与反应器的轴平行 径向流动：气体在垂直于反应器轴的各个横截面上沿半径方向流动，见下图：

径向流动催化反应器气体流道短，气体流道短，大幅降低催化床压降，为使用小颗粒催化剂提供了条件。设计核心：合理设计流道使各个横截面上的气体流量均等。二、固定床催化反应器的数学模型非均相模型：计入传质、传热过程对催化剂本征反应速率影响拟均相模型：I>本征动力学控制传递过程的影响》颗粒宏观动力学研究得不够，只能将催化剂中毒、结焦等流体分布不均等影响计入本征动力学，即活性校正系数”，再计入失活（中毒、衰老）一“寿命因子”》以颗粒宏观动力学为基础，再计入流体分布不均一—“活性校正系数”失活”寿命因子”。一维模型一只考虑轴向（沿气流方向）的浓度及温差二维模型一同时考虑径向（垂直于气流方向）的浓差及温差

径向流动催化反应器 气体流道短，气体流道短，大幅降低催化床压降，为使用小颗粒催化剂提供 了条件。 设计核心：合理设计流道使各个横截面上的气体流量均等。 二、固定床催化反应器的数学模型

理想流动模型一对于固定床气-固相反应器，指平推流模型（非理想流动模型一平推流，再计入轴向返混一般LdP，不计入轴向返混；而薄床层计入轴向返混型一一维、拟均相、平推流模型最基础模型其数学处理最简单如模型中计入传递过程，二维，轴向返混等参数，其数学表达式越复杂，求解也越难。第二节固定床流体力学一、固定床的物理特性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S.和V.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)d, =(6V, /元)s式（5-1）中Vp为与非中空颗粒等体积的圆球体积。按等外表面积圆球直径计算的当量直径D.可表示如下：D,=(S,/n)(5-2)式（5-2）中S.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d可表示如下：d,=6/S,=6Vp/Sp(5-3)式（5-3）中S（S=S/V.）为与非中空颗粒等比外表面积的圆球比外表面积

第二节 固定床流体力学 一、固定床的物理特性 1.非中空固体颗粒的当量直径及形状系数

再以S.表示与非中空颗粒等体积的圆球的外表面积，则Ss =πd,(5-4)因此，引入一个量纲为1数s，称为颗粒的形状系数，其值如下：, =Ss/Sp(5-5)对于球形颗粒，Φ=1：对于非球形颗粒，!<1。形状系数说明了颗粒形状与圆球的差异程度。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dy=d,=6V/S(5-6)0, = (dv/D,)及(5-7)2.混合颗粒的平均直径及形状系数破碎成的碎块一一形状不规则，大小也不均匀算术平均直径，为d, = 2xd.(5-8)d一两相邻筛孔净宽乘积的平方根；x为直径d.颗粒的质量分数。1=24d台d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一一，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）：水力半径：(5-10)S.=(1- )S,/V,=6(1-/d有效截面积床层的空隙体积6RH=s.润湿周边总的润湿面积固定床的当量直径：48.20d =4R =48(5-11)S31

固定床的当量直径：48-2d,=4RH=a(5-11)31-)床层由中空颗粒，如单孔环柱体，多通孔环柱体等组成时，不能使用式（5-11）。4.固定床的空隙率及径可流速分布颗粒物料层中颗粒间自由体积与整个床层体积之比。8与下列因素有关：颗粒形状，颗粒的粒度分布，充填方式，dld之比（壁效应），d为床层直径。二、单相流体在固定床颗粒层中的流动及压力降1.流动特性固定床中，流体在颗粒物料组成的孔道中流动，孔道相互交错联通、弯曲，各孔道的儿何形状相差其大，孔截面积也很不规则且不相等。流体在固定床中流动时，旋涡的数目比空管多，由滞留转入瑞流是一个逐渐过渡的过程。2.单相流体通过固定床颗粒层的压力降单相流体通过固定床时要产生压力损失，主要来自颗粒的粘滞更力，即流体与颗粒表面间的摩擦，流体流动过程中孔道截面积突然扩大和收缩，及流体对颗粒的撞击及流体的再分布。低流速时，压力降主要是由于表面摩擦而产生，高流速及薄床层中流动时，扩大、收缩则起着主要作用。如果容器直径与颗粒直径之比值较小，还应计入壁效应对压力降的影响

压力降的计算方法Ergun法：流体在空管中等温流动，且忽略流体密度变化4p = 4FP,(u.)2(5-12)d2用于固定床时DVAp = Ju Pruo((5-13)df一摩擦系数；L一管长；d一圆管的内直径；Uoe一流体的平均流速：f一修正摩擦系数：uo一表观流速经多种颗粒和工况的实验测定，修正摩擦系数与修正雷诺数的关系可表示如下150(5-14)+1.75fMReM而dpjuo(1dGrReMLy1-81-(5-15)式中μ,一流体粘度，kg/(m·s）；G一流体质量流率或质量通量,kg/(m2.s)。当Re>1.75，即式(5-13)可化简为(5-16)p=150(- Od.?当Re>1000时，处于完全流状况，式（5-16)中150/Rev<1.75，即式(5-13)可化简为(5-17)Ap =1.75Pruod

3.影响固定床压力降的因素流体因素：粘度、密度等物理性质和流体的质量流率。床层因素：高度、流通截面积、床层空隙率。颗粒因素：颗粒的物理特性如粒度、形状、表面粗糙度等。三、径向流动反应器中流体的分布分流流道合流流道径向流动催化反应器四、固定床流体的径向及轴向混合1.固定床径向及轴向混合有效弥散系数径向混合有效弥散系数Er及轴向混合有效弥散系数EZ-般用Peclet数(Pe)表示，此时d.up:d,u(5-35-A)HyPe,=E,P,Eμf或d.udupr(5-35-B)Pe,E.p.E.H表征径向混合及轴向混合有效弥散系数的Pe数与Re数的关系见下图

三、径向流动反应器中流体的分布

103102歌气体径向弥散=zad :10气体轴向弥散10°普='ad液体轴向弥散10-10-210-10-+10-310-210-！1010'10210310+Re=duly固定床轴向及径向Pe数与Re数的关系当Re>40时，即处于瑞流状态时，无论对于气体还是液体，径向Per=10，几乎不随Re而变，气体的轴向Pez~2不随雷诺数而变，但是液体的轴向Pez值随Re值而有一定程度的变化。2.固定床反应器中的轴向返混已知略去不计逆向混合影响的条件是模型参数E(uL)40，此时Pe,=du/E=2由此可得：(5-36)0.5(d/L)<0.005即固定床反应器中床层高度L超过颗粒直径d.的一百倍时，可以略去轴向返混的影响。第三节固定床热量与质量传递过程在固定床反应器中，床层中每一截面上都形成一定的径向温度分布，并且不同轴向位置处的径向温度分布也不相同，如图下图所示。另一方面，流体在固体颗粒间流动时，不断地分散与汇合，形成了径向及轴向混合过程的浓度分布。固定床反应器应将温度分布与浓度分布方程和动力学方程联立求解

固定床轴向及径向 Pe 数与 Re 数的关系 第三节 固定床热量与质量传递过程

15OO0.1V径尚置离/cm023A轴向距离/m固定床反应器的温度分布固定床径向传热过程分析Neo2er(ar),入。：径向有效导热系数2e0：静止流体径向有效导热系数(g)：流动流体径向有效导热系数静止流体有效导热系数是固定床内流体不流动时床层主体的有效导热系数，它包括如下的六个过程，示意图如下：流体的流向6SA(b)(a)固定床的径向传热方式（a）水平箭头为热的流动方向：（b）垂直箭头为流体的流动方向

固定床反应器的温度分布 一、 固定床径向传热过程分析 静止流体有效导热系数是固定床内流体不流动时床层主体的有效导热系数， 它包括如下的六个过程，示意图如下： 固定床的径向传热方式 （a）水平箭头为热的流动方向；（b）垂直箭头为流体的流动方向