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固定床内的流体流动

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第六章 固定床

第六章 固定床

水力半径
• 湿周---在总流的有效截面上，流体与固体壁面的接 触长度称为湿周，用字母L表示。
• 水力半径---总流的有效截面积A和湿周L之比。用字
母RH表示
RH = A / L
44
• 对于圆形截面的管道，其几何直径用水力半径表示 时可表示为
• A=(1/4)×πd2 • L=πd • 则 R=A/L=(1/4)×d → d = 4 R
当ReM>1000 湍流, 局部阻力损失为主, f≈1.75 , 略去第一项
结论： 对ΔP影响最大的是ε和u
49
Pf L
'(duSm 2 )(1B3B)
f ' 1501.75 ReM
一般床压不宜超过床内压力的15%，所以颗粒不 能太细，应做成圆球状。
50
➢ 压降的计算 ΔP=ΔP1+ ΔP2
= 15fu 0 OG L 0(1)21.75fuO 2 G L 0(1)
dS 2
3
dS
3
Pa
式中混合物的粘度
1
yi
fi M
2 i
f
1
yiM
2 i
kg/m.s
51
6.3 固定床中的传热
传热包括： 粒内传热，颗粒与流体间的传热，床层与器壁的传热
给热系数 αP 给热系数αW ,λer 总给热系数α t
当单纯作为换热装置时，以床层的平均温度tm与 管壁温差为推动力-----总给热系数αt
n
算术平均直径： d xWidi i1
调和平均直径：
1 n xWi
d
d i1 i
几何平均直径：
di
didi
30
6.2.3 床层空隙率及分布

固定床反应器压降实验报告

固定床反应器压降实验报告

固定床反应器压降实验报告
实验目的：通过对固定床反应器中的流体压降进行实验研究，了解固定床反应器的流体流动规律，掌握固定床反应器的压降特性。

实验原理：固定床反应器是一种常用的化工反应器，其反应物在固定床内进行化学反应。

在反应过程中，反应物要通过固定床，因此固定床内的流体流动和压降特性对反应的影响非常大。

实验中，我们通过在固定床中流动不同的流体，在不同的反应条件下测量流体的压降，从而研究固定床反应器中流体的流动规律和压降特性。

实验步骤：首先，准备好实验所需的设备和材料，包括固定床反应器、流量计、压力计、实验管道等。

然后，按照实验要求进行实验操作，即在不同的反应条件下，通过固定床反应器中流动不同的流体，分别测量其压降，记录实验数据。

最后，根据实验数据，进行数据分析和处理，得到固定床反应器中流体的流动规律和压降特性。

实验结果：通过实验，我们得到了固定床反应器中不同流体在不同反应条件下的压降数据，得出了固定床反应器中流体的流动规律和压降特性。

实验结果表明，固定床反应器中流体的流动规律和压降特性与反应条件、流体性质等因素密切相关，需要根据具体情况进行调整和优化，以提高反应效率和经济效益。

结论：通过本次实验，我们深入了解了固定床反应器的流体流动规律和压降特性，掌握了固定床反应器的实验操作方法和数据处理技巧，为今后进行化工反应器的设计和优化提供了参考。

- 1 -。

化学反应工程 第六章 固定床反应器

化学反应工程 第六章 固定床反应器

一、颗粒层的若干物理特性参数
密度
– 颗粒密度ρp
• 包括粒内微孔在内的全颗粒密度；
– 固体真密度ρs
• 除去微孔容积的颗粒密度；
– 床层密度/堆积密度ρB
• 单位床层容积中颗粒的质量（包括了微孔和颗粒 间的空隙）；
p s (1 p ) B p(1 B )
一、颗粒层的若干物理特性参数
i
Wi FA0
i
xi dx A
r xi1
i

也即
Z 0 Ti

xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A

0
i 1,2, N
min
Z 0
xi


1 ri
xA xi



1 ri 1
xA xi
0
i 1,2, N 1
对 Z 0 的处理 Ti
Z
Ti Ti
xi dx A
r xi1
i
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A

0
i 1,2, N
按中值定理：
Z
Ti
xi x i 1
Ti

1 (
ri
)dx A
（xi


x
i
1
)


Ti
• 双套管式、三套管式
流体流向：轴向、径向
固定床反应器的数学模型
拟均相数学模型：
忽略床层中颗粒与流体之间温度和浓度的差别 –平推流的一维模型 –轴向返混的一维模型 –同时考虑径向混合和径向温差的二维模型

化学反应工程第六章非均相反应器(上)

化学反应工程第六章非均相反应器(上)
流化床反应器62流化床反应器63固定床反应器61第六章非均相反应器其他非均相反应器简介6461固定床反应器611固定床反应器的特点固定床反应器无论塔式还是管式均垂直设置气体由顶部进入流动方向与重力方向一致这样可以防止气体冲动床层造成催化剂分布不均匀和催化剂的磨损带出同时有利于反应器中可能形成的液态物质的排除
6.1.5 固定床反应器的工艺计算
(4)管间采用道生油强制外循环换热。道生油进口温度 503K， 出口温度508K,道生油对管壁给热系数α0可取 2717kJ／(m2·h·K)。 (5)催化剂为球形，直径dP为5mm，床层空隙率ε为0.48。 (6)年工作7200h，反应后分离、精制过程回收率为90％， 第一反应器所产生环氧乙烷占总产量的90%。
6.1.2 固定床反应器的类型
气流不是沿轴向而是沿径向通 过催化剂床层，这种流程可以 解决床层过高、走轴向压力降 过大的问题，该合成塔床层阻 力小、可以采用大气量、小颗 粒催化剂，利于减小内外扩散 的阻力，强化传质，因此特别 适用于大中型生产规模的场合。
图6-7 径向反应塔示意图
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
6.1.4.1 固定床中的传质 内扩散控制过程发生的场合是，颗粒大，因而内扩散阻力 大，内扩散速度小；温度高因而化学反应速度快；气速高
因而外扩散速度大。内扩散控制过程浓度分布特征是 CAg≈CAs>> CAc≈CAeq 。
外扩散的控制过程 传质速度（外扩散速度）即为总反 应速度。外扩散控制发生的场合是颗粒小，气速小、温度 高。外扩散控制过程浓度分布的特征是
CO2 52.67+3.26=55.93kmol/h
N2
566.35kmol/h
C2H4O 3.16kmol/h

化学反应工程-19-第六章-气固相催化反应固定床反应器

化学反应工程-19-第六章-气固相催化反应固定床反应器

2、二维模型中 hW 的计算： 、 的计算： 模型认为温度沿着径向形成了一个分布，故 t m没有意义。 这时床层向壁的传热速率：
dS =
6VS SS
西勒模数就是以d 为定型尺寸的。 西勒模数就是以 S为定型尺寸的。 形状系数的概念， 表示： 形状系数的概念，以 ϕ S 表示：
ϕS =
SV SS
2 SV = πd V （和粒子具有相同体积的球形颗粒的外表面积）
d ϕS = V d a

2
2、粒子群 、 对于大小不等的混合颗粒，平均直径为：
空隙率分布的影响： 空隙率分布的影响：直接影响流体流速的分布，进而使流体与颗 粒、床层与反应器壁之间的传热、传质行为不同，流体的停留时 间也不同，最终会影响到化学反应的结果。
为减少壁效应，要求床层直径（dt）至少为粒径（dP）的八倍以上。
二、颗粒的定型尺寸 颗粒的定型尺寸常用粒径来表示： 1、单个粒子 、 粒径d 粒径 P： 对球形催化剂，应用一个参数dP即可完整描述颗粒的全部几何 性质，即自由度为1； 对规则形催化剂，如圆柱形，用两个参数如h、d即可； 对不规则颗粒，也是用两个参数来描述颗粒的几何性能：一是 当量直径；另一是形状参数。
d S u0 ρ g
6.1.2固定床内的传热 固定床内的传热 床层尺度上的传热过程包括四个方面： 床层尺度上的传热过程包括四个方面： ①颗粒内部的传热 (λ P ) ；
( ②颗粒与流体之间的传热α g ) ；
③床层整体有效导热系数 (λe ) ； ④床层和反应器壁之间的传热 (h0、hW ) 。 对于①中λP，见第十七讲《非等温反应宏观动力学方程》。它的大 小往往由固体颗粒自身的性质粒内孔隙情况决定的，颗粒内的传热主要 是以热传导形式进行的。 对于②中的αg第十七讲中已经讨论过。 现重点讨论③和④ ！ 现重点讨论③

固定床反应器结构及原理

固定床反应器结构及原理

固定床反应器结构及原理又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。

固体物通常呈颗粒状，粒径2~15mm左右，堆积成一定高度(或厚度)的床层。

床层静止不动，流体通过床层进行反应。

它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。

固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。

用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。

涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。

1、轴向绝热式固定床反应器流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。

下图是绝热式固定床反应器的示意图。

它的结构简单，催化剂均匀堆置于床内，床内没有换热装置，预热到一定温度的反应物料流过床层进行反应就可以了。

（1）径向绝热式固定床反应器流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。

径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短，流道截面积较大，流体的压力降较小。

但径向反应器的结构较轴向反应器复杂。

以上两种形式都属绝热反应器，适用于反应热效应不大，或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。

由多根反应管并联构成。

管内或管间置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在25~50mm之间，管数可多达上万根。

列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。

此外，尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。

例如:当反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热反应器串联成多级绝热式固定床反应器，反应器之间设换热器或补充物料以调节温度，以便在接近于最佳温度条件下操作。

（3）对外换热式固定床反应器对外换热式反应器以列管式为多。

通常是在管内放催化剂，管间走热载体(在用高压水或用高压蒸汽作热载体时，则把催化剂放在管间，而使管内走高压流体)。

（4）多段绝热式固定床反应器3、自身换热式反应器（自热式反应器）反应前后的物料在床层中自己进行换热称作自热式反应器。

固定床反应器的优缺点

固定床反应器的优缺点
大时，即使是列管式反应器也可能出现飞 温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。 2、操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不 宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。固定床反应器中的催化剂 不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。目前，蜂窝状、纤维状催化 剂也已被广泛使用。
固定床反应器的优缺点
固定床反应器的优缺点 优点 （1）流体的流动皆可看成是理想置换流动，因此化学反应速率较 快，在完成同样生产能力时，所需要的催化剂用量和反应器体积较小。 （2）气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，因而有利于 提高化学反应的转化率和选择性。 （3）催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。 （4）适宜于在高温高压条件下操作。 缺点
（1）导热性差，温度分布复杂。 （2）不能使用细粒催化剂，催化剂的活性内表面得不到充分利用。 （3）催化剂的再生、更换均不方便。 列管式固定床反应器优缺点 优点： 1、返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应 时可得较高选择性。 2、催化剂机械损耗小。 3、结构简单。

固定床的工作原理

固定床的工作原理

固定床的工作原理
固定床是一种广泛应用于化工和石化工业中的反应器，其工作原理如下：
1. 固定床通常由一系列填料或催化剂床层组成，填料或催化剂可以是喷涂球、金属屏、石英珠等。

这些床层提供了增大反应物接触面积的表面积。

2. 反应物通过固定床自上而下或自下而上地流经填料或催化剂床层。

反应物可以是气体、液体或多相流体。

3. 在流经填料或催化剂床层的过程中，反应物与填料或催化剂表面发生物理或化学作用。

这些作用可能包括物质吸附、表面扩散、化学反应等。

4. 反应物在填料或催化剂床层中发生反应，并通过固定床底部或顶部的出口离开反应器。

5. 反应物离开固定床后，可以经过额外的处理步骤，如分离、冷却或加热。

固定床的工作原理基于填料或催化剂床层提供的大表面积，以及反应物在床层中与表面发生的相互作用。

这种反应器的主要优点包括高效传质和反应、稳定的操作条件、适用于连续生产等。

然而，固定床在一些情况下可能面临堵塞、催化剂失活和床层压降增加等问题，需要定期维护和监控。

化工反应过程之固定床反应器

化工反应过程之固定床反应器

热传导、 热对流、 热辐射。
热传导、 热对流
傅立叶定律：
dQ dl T
z
牛顿冷却定律：
dQ dA T
z
一般情况下，可以把催化剂颗粒看成是等温体，忽略颗粒内
部、颗粒在流体间和床层径向传热阻力，床层的传热阻力全
部集中在管壁处。这样传热过程的计算就可简化成床层与器
壁之间的传热计算
固定床中的传质传热
固 传热速度方程为 dQ t Tm Tw dF
为了消除壁效应，一般，管径与粒径之比应 大于8。
催化剂床层特性
固定床的当量直径de为水力半径RH的四倍
固 定 床
流道有效截面积 4
de
4RH
4 流道润湿周边长
Se
当 量 直
Se
（1 ）AP
VP
（6 1 ）
dS
径
de
4RH
4
Se
2 3 1
dS
流体在固定床中的流动特性
在固定床中，流体在颗粒间的空隙中流动，流动通 道是弯曲、变径、相互交错的，流体撞击颗粒后分 流、混合、改变流向，增加了流体的扰动程度。
绝热式固定床反应器
中间换热式
多 段
进料
绝
热
式
固
催化剂
定
床
反
应
器
催化剂
中间换热式是指冷、 热流体是通过段间的 换热器管壁进行热量 的交换。其作用是将 换 上一段的反应气体冷 热 却至适宜温度后再进 器 入下一段反应，反应 气体冷却所放出的热 量可用于对未反应的 原料气体预热或通入 外来换热介质移走。 而换热设备可以放在 反应器外
截面积的流速。
u0
V0 AR
固定床的经验法计算

43 流体通过颗粒床层(固定床)的压降

43 流体通过颗粒床层(固定床)的压降

数学模型方法：立足于对所研究过程的深刻理解，按以下主要步骤 进行工作：
1.将复杂的真实过程本身简化成易于用数学方程式描述的物理模型
2.对所得到的物理模型进行数学描述，即建立数学模型；并将真实 过程中的参数引入数学模型；
3.通过实验对数学模型的合理性进行检验，并测定模型参数。
在过滤操作中，液体通过滤饼层 时的压降，就可应用康采尼常数 的压降计算式：
2
4.3 流体通过颗粒床层（固定床）的压降 （数学模型方法）
de

4 流通截面积 润湿周边

4 流通截面积 润湿周边 Le
Le
以单位体积床层为基准：
4 4
de aB a1
各向同性的床层，床层的空隙率 在数值上为单位床层截面上
空隙的面积。
细管中的流速视为空隙中的流速u1 , 整个床层截面上的流速为 u
2
a1
Pf Le a1 u2
L 8L
Pf ' a1 u2
L

描述真实模型流体压降的数学模型
λ’被称为模型参数
（5）通过实验确定数学模型参数，并检验数学模型的准确性
必须由实验测定。康采尼（Kozeny)、欧根对此进行了实验研究。
2019/12/19
第4章 流体通过颗粒层的流动
4
在定流义速：较R低e时' ，Rdee’＜u12 , λ’=K’/Rue’ , K’=5.0 ,称为Kozeny常数
4 a 1
将λ‘ ，Re’代入单位床层压降的表达式 流体通过颗粒固定床时压降的计算式：
Pf
L

K' a2
1 3

固定床反应器和流化床反应器

固定床反应器和流化床反应器

固定床反应器1.概述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都称作固定床反应器，其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占最主要的地位。

如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。

此外还有不少非催化的气—固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2) 以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。

2.固定床反应器优点1)固定床中催化剂不易磨损；2)床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。

3)由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大生产中尤为重要。

3.固定床反应器缺点1)固定床中的传热较差；2)催化剂的更换必须停产进行。

4.类型固定床反应器形式多种多样，按床层与外界的传热方式分类，可有以下几类：●绝热式固定床反应器●多段绝热式固定床反应器●列管式固定床反应器，●自热式反应器。

（1）绝热式固定床反应器下图是绝热式固定床反应器的示意图。

它的结构简单，催化剂均匀堆置于床内，床内没有换热装置，预热到一定温度的反应物料流过床层进行反应就可以了。

典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。

反应需供热140kJ／mol，是靠加入高温(710℃)水蒸汽来供应的(乙苯:水蒸汽=1: 2.6(质量))，混合后在630℃入床，离床时降到565℃。

在此，水蒸汽的作用是：a) 可以带入大量的显热；b) 起稀释作用，使反应的平衡向有利于生成苯乙烯的方向移动，提高单程转化率；c) 使催化剂可能产生的结炭随时得到清除，从而保持反应器长期连续运转。

（2）多段绝热式固定床反应器热效应大，常把催化剂床层分成几段(层)，段间采用间接冷却或原料气（或惰性组分）冷激，以控制反应温度在一定的范围内 。

固定床反应器内的流体流动

固定床反应器内的流体流动
比表面当量直径流道的润湿周边流道的有效截面积流体在固定床中的流动的复杂性在床层径向流速分布不均匀滞流过渡流湍流同时存在径向轴向返混同时存在
固定床反应器内的流体流动
催化剂的物理性状
比表面积 指每克催化剂的表面积，记为，单位为m2/g。 空隙率 指催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比，用ε表示。 表观密度 又称假密度或颗粒密度，即包括催化剂颗粒中的孔隙容积时，该颗 粒的密度，记为，单位为g/cm3。 堆积密度 又称填充密度，是对催化反应床层而言。即当催化剂自由地填入反 应器中时，包括床层中的自由空间，每单位体积反应器中催化剂的质量。记 为，单位可用g/cm3、g/l或kg/m3表示。
AP VP
=
π d S2 π 3
6 dS
6VP dS = AP
形状系数：用体积相同的球形颗粒的外表面积比上非球形颗粒的外表面积。
AS ϕS ≡ ≤1 AP
三种直径的关系：
ϕ S dV= ϕ S 1.5 d a dS=
平均直径
算术平均直径：
d = ∑ xWi d i
i =1
n
n
调和平均直径：
1 = d
流体通过固定床的压力降
压降产生原因： 摩擦阻力ΔP1：由于流体颗粒表面之间的摩擦产生。 局部阻力ΔP2：流体在孔道内的收缩、扩大及再分布所引起的。
压降的计算 ∆P=∆P1+ ∆P2
2 µ f uOG L0 (1 − ε ) 2 ρ f uOG L0 (1 − ε ) = 150 ⋅ + 1.75 ⋅ 2 3 dS dS ε ε3
Pa
式中混合物的粘度 µ
f
∑ y i µ fi M = 1 ∑ y i M i2
1 2 i

固定床流体力学

固定床流体力学

床层空隙率对压力降的影响十分显著，当 (1 ) 3 ReM>1000时，压力降正比于 ， 由0.4增至0.5时， 压力降可降至原来的1/2.3。床层空隙率的大小与颗粒的 形状、粒度分布、填充方法、颗粒直径与容器直径之比 值等因素有关。混合颗粒的粒度越不均匀，小颗粒填充 在大颗粒之间，所组成的床层空隙率越小。催化剂在使 用过程中逐渐破碎、粉化，当质量流率不变时，由于空 隙率减小，床层压力降相应地逐步增大。催化剂使用后 期床层压力降较前期压力降增加的程度随催化剂的机械 强度而定。即使不计入破损，操作一段时期后，由于床 层中颗粒填实，使床层下沉，空隙率降低而增高压力降。
d 2
上式应用于固定床时，u0e应为流体在床层空隙中的 真正平均流速ue，圆管的直径应以固定床的当量直径de 代替，而管长则应以流体在固定床中的流动途径来代替。 将 ue u0 和 de ( 2 / 3 )[ε[ε1 ε)]ds， 代入式(5-12)，又考虑 到流体在固定床中的流动途径远大于固定床的高度 L， 并等于L的若干倍，则固定床的压力降可表示为 2 (5-13) ρ f u0 1 ε
三. 径向流动反应器中流体的分布
径向流动反应器的优点： 流体流通截面积大、流速 小、流道短，床层压力降 小。 径向流动反应器的结构如 图5-9。
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 （effective dispersion coefficient）
当流体流经固定床时，不断发生分散与汇合， 形成了一定程度的径向及轴向混合，尤其当固定床 中进行化学反应而又与外界换热时，床层中不同径 向位置处流速、温度及反应速率都不相同，也就必 然存在着径向浓度分布，更加加剧床层中径向及轴 向的混合过程，而其中径向混合比轴向更加显著。

固定床反应器设计

固定床反应器设计

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。
d S S dV S 2 d a
3
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 n d P xi d i
i 1

调和平均直径法 ：
固定床反应器内的传热过程
（1）反应热由催化剂内部向外表面传递； （2）反应热由催化剂外表面向流体主体传递； （3）反应热少部分由反应后 的流体沿轴向带走，主 要部分由径向通过催化剂和流体构成的床层传递至 反应器器壁，由载热体带走。 注意：上述的每一步传热过程都包含着传导、对流 和辐射三种传热方式。 传热过程处理和计算方法
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 。
1 B S


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 d t / d P 达8时，可不计壁效应，故工业上通常要求d t 8d P 。

多相反应器的设计与分析

多相反应器的设计与分析

固定床内径向速度分 布不同于空管。 从床层中心开始，随 着径向位置的增大， 流速增加，在离器壁 的距离等于1~2倍颗粒 直径处，流速最大， 然后随径向位置增大
而降低至壁面处为0.
流体流过固定床时所产生的压力损失：
颗粒的粘滞曳力
孔隙变化 流体与颗粒的碰撞 流体的再分布
层流时 占主体
高流速及薄床 层中流动时占
Pe uLr Da
固定床反应器
对流传递速率 扩散传递速率
轴向质扩散的彼克列数 轴向热扩散的彼克列数
(Pea )m
ud p Da
( Pea
)h
ud pc p ea
气体 液体
Re d pu 10
(Pea )m 0.3 ~ 1
(Pea )m 2
（2）多釜串联模型
固定床内流体的轴向混合情况可用N个等体积的
3、可以使用粒度很小的固体物料或催化剂； 消除内扩散阻力，充分发挥催化剂效能，抑制串联 副反应。
4、压降不随气速变化。
缺点： 1、磨损和气体带走造成催化剂损失，需不断向反应 器中补充催化剂； 2、返混严重； 3、气体以气泡形式通过床层造成气固接触不良；
二、气固流态化特性 1、最小流化速度
Lmf 床层颗粒开始流化时的床层高度； mf 床层颗粒开始流化时的孔隙率；
合理简化
固定床的非均相数学模型：
活塞流模型（一维）； 有轴向返混的一维模型； 有径向浓度分布和温度分布的二维模型。
衡算方程：
物料衡算：
GwA0
MA
dX A dZ
0b
RA
热量衡算：
GC pt
dT dZ
0b RA Hr
4U dt
T
TC
动量衡算： 边界条件：

化工原理之流体通过颗粒层的流动概述

化工原理之流体通过颗粒层的流动概述

4.4.2.1板框过滤机
如果将非洗涤板编号为1、框为2、洗涤板为3，则板框的组合方 式服从1—2—3—2——1—2—3之规律。组装之后的过滤和 洗涤原理如图所示。
4.4.2.1 板框过滤机
滤液的排出方式有明流和暗流之分，若滤液经由每块板底 部旋塞直接排出，则称为明流（显然，以上讨论以明流为 例）；若滤液不宜暴露于空气中，则需要将各板流出的滤液 汇集于总管后送走，称为暗流。 说明：
4.2.2.5 回转真空过滤机
在水平安装的中空转鼓表面上覆以滤布，转鼓下部浸入盛有悬浮
液的滤槽0中.1 ~并3r以/ min
的转速转动。转鼓内分12个扇形格，
每格与转鼓端面上的带孔圆盘相通。此转动盘与装于支架上的固定
盘藉弹簧压力压紧叠合，这两个互相叠合而又相对转动的圆盘组成
一付分配头。转鼓表面的每一格按顺时针方向旋转一周时，相继进
数 ，就其物理意义而言称为固定床的流动摩擦系数。
4.3.1颗粒床层的简化模型
（3）模型的检验和模型参数的估值
当床 层 雷 诺 数Re deu1 u 2 时 实 验 数 据 符 合 下 式
4 a(1 )值为5.K0。 的可能误差不超过10%。
4.4.2.3转筒过滤机
③当这些小孔凹槽4相对时，这几个小孔对应的连通 管及相应的转筒表面与压缩空气吹气相连，压缩空 气经连通管从内向外吹向滤饼，此为吹松。
④随着转筒的转动，这些小孔对应表面上的滤饼又与 刮刀相遇，被刮下。此为卸渣。继续旋转，这些小 孔对应的又重新浸入滤浆中，这些小孔又与固定盘 上的凹槽2相对，又重新开始一个操作循环。
A0
流动截面积 床层截面积
床层截面积A-颗粒所占的平均截面积A P 床层截面积A
1
AP A

固定床流体以较小的流速通过颗粒床层

固定床流体以较小的流速通过颗粒床层
▲ 湍流
Rep /(1 ) 1000时,
f F 1.75
200 100
fF
20
10
3 2 1 2 3 10 20 100 200 1000
ReP/(1-ε)
fF与ReP/(1-ε)的关系
虚拟细管的当量直径：
L 流通截面积 d e 4rH 4 润湿周边长度 L
孔道(空隙)体积 4 孔道内表面积
u (a) L
u (b)
以1m3床层为基准
实际床层
简化模型
rH

aB
d a a(1 ) 6(1 )

(aB a(1 ))
6 (d a ) a
(2) 湍流 根据 范宁公式：
l u 2 p f de 2
代入：u u / ,
l CL,
4 d a de 6 1
p f 6 (1 ) u 得： C 2 L 4 3 da
实验数据证明，
6 c 3.5 4
p f (1 ) u Burk e Plummer方程： 1.75 2 L 3 da
4d a 当量直径：d e 6(1 )
孔道长度：l CL
3.5.2 流体流过固定床的阻力 32CLu (1) 层流
p f d e2
其中，u：流体在孔道中流速
32lu (p f 2 ) d
qV us u( s sP )
代入：u u /
l CL

u u /
de 4 d a 6 1
Pf 2 36Cu (1 ) 2 得： 2 L da 3
Pf (1 ) 2 u Blak e Kozeny方程： 150 2 L 3 da

固定床反应器操作与控制—固定床反应器的工作原理

固定床反应器操作与控制—固定床反应器的工作原理
《化学反应器操作与控制》
固定床反应器内的流体流动
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
固体颗粒的直径是个重要的参数，在流体力学、传质、 传热研究中常常用到。催化剂颗粒可为各种形状状，如 球形、圆柱形、片状、环状、无规则 等。 催化剂的粒径大小，对于球形颗粒可以方便地用直径表 示；对于非球形颗粒，习惯上常用与球形颗粒作对比的 相当直径表示(通常有下述三种相当直径)，用形状系数 φs表示其与圆球形的差异程度。
固定床反应器内的流体流动
(1)体积相当直径dV
体积相当直径是以颗粒（非球型颗粒）体积相等的球体 的直径表示的颗粒直径。
固定床反应器内的流体流动
(2)外表面积相当直径
外表面积相当直径是以与颗粒的外表面积相等的球体的 直径表示的颗粒直径，在固定床传热及传质研究中常用 这种直径。
固定床反应器内的流体流动
(3)比表面积相当于直径ds
比表面积相当于直径是以与颗粒的比表面积相等的球体 的直径表示的颗粒直径，计算固定床压力降时常用这种 直径。这里的比表面积是指单位体积颗粒所具有的外表 面积，以S 表示。
固定床反应器内的流体流动
（4）形状系数
催化剂颗粒的形状系数定义为：球形颗粒的外表面积与 体积相同的非球形颗粒的外表面积之比。
对于球形颗粒φ =1，非球形颗粒 φ＜1， 值越大说 明颗粒的球形度越高
固定床反应器内的流体流动
2. 床层空隙率
空隙率是催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比， 可用下式进行计算。 ε=1-ρB/ρS
式中ε——床层空隙率； ρB——催化剂床层堆积密度，即单位体积催化剂床 层具有的质量，kg／m3。； ρS——催化剂的表观密度，即单位体积催化剂颗粒 具有的质量，kg／m3。
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n
n
调和平均直径：
1 d
xWi i 1 d i
几何平均直径：
di
di di
固定床当量直径de
de=4RH=4
流道的有效截面积 流道的润湿周边
2 de dS 3 1
式中：dS:比表面当量直径
固定床反应器中流体流动特性
流体在固定床中的流动的复杂性 在床层径向，流速分布不均匀，滞流、过渡流、湍流同时存在 径向、轴向返混同时存在。 固定床流体流动模型
d a2 AS
非球粒：AP AS=AP
A da P
1 2

直径。 比表面积Sg: m2/m3:单位体积的催化剂所具有的表面积。 m2/g:单位质量 的催化剂所具有的表面积。 球粒：
2 d S 3
比表面相当直径dS：用比面积相同的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的
流体流动由两部分合成：一部分为流体以平均流速沿轴向作理想 置换式流动；另一部分为流体的径向和轴向的混和扩散。
使气体分布均匀的办法
a.使催化剂各部位阻力相等。
b.采用气体分布器。如分布锥、分配头、设栅板等。 c.附加导流装置。
流体通过固定床的压力降
压降产生原因： 摩擦阻力ΔP1：由于流体颗粒表面之间的摩擦产生。 局部阻力ΔP2：流体在孔道内的收缩、扩大及再分布所引起的。
6
dS
非球形颗粒：
AP VP
=
2 d S 3
6
dS
6VP dS AP
形状系数
：用体积相同的球形颗粒的外表面积比上非球形颗粒的外表面积。
AS S 1 AP
三种直径的关系：
1.5 dS= S dV= S d a
平均直径
算术平均直径：
d xWi d i
i 1
压降的计算
ΔP=ΔP1+ ΔP2
2 2 u u L ( 1 ) L0 (1 ) f OG f OG 0 = 150 1 . 75 dS d 粘度 f
1 2 y i fi M i 1 2 y M i i
固定床反应器内的流体流动
固定床特性
1.体积相当直径dV：用体积相同的球形颗粒的直径表示非
球形颗粒的直径。
球粒：
3 d V VS 6
非球粒： VP VP =VS
6VP dV
1 3

面积当量直径da：用面积相同的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的直径。
球粒：

kg/m.s
简化式：当 ReM
d s f uOG
f

1 10 时：ΔP=ΔP1 1
当ReM>103时：ΔP=ΔP2 设计要求：ΔP≤15%P操
工业上降低压力降的办法：↑ε、↓L0、↓uOG、↑dS等。