固定床反應器催化劑處于靜止狀態滴流床反應器催化劑處于運動狀態流化床反應器移動床反應器漿態床反應器6.1固定床內的傳遞現象

6.2固定床反應器的數學模型

6.3絕熱式固定床反應器

6.4換熱式固定床反應器

6.5流化床反應器

6.1

固定床內的傳遞現象

除催化劑顆粒內的傳質和傳熱過程外，床層整體還存在：床層內的軸向、徑向的質量擴散和熱量擴散等。1、固定床內的流體流動固定床中同一橫截面上的孔隙率不均勻，導致流動不均勻。孔隙率影響因素：顆粒形狀、粒度分布、顆粒直徑與床層直徑之比、顆粒的裝填方法等。

鮑爾環球與器壁距離為1~2倍顆粒直徑處，孔隙率最大——壁效應固定床孔隙率的徑向分布

固定床流體流速的徑向分布

固定床內徑向速度分布不同于空管。從床層中心開始，隨著徑向位置的增大，流速增加，在離器壁的距離等于1~2倍顆粒直徑處，流速最大，然后隨徑向位置增大而降低至壁面處為0.

流體流過固定床時所產生的壓力損失：

顆粒的粘滯曳力孔隙變化流體與顆粒的碰撞流體的再分布

層流時占主體高流速及薄床層中流動時占主體空管內流體壓降范寧公式修正后得固定床壓降其中床層高度按空床計算的平均流速

床層孔隙率等外比表面積的球體直徑摩擦系數摩擦系數當Re<10時，流體在床層中呈層流，f=150/Re

當Re>1000時，流體在床層中呈湍流，f=1.75

減小床層壓降：（1）采用粒度較大的顆粒；（2）降低流速注意：計算壓降一般是對新催化劑的預期壓降，而使用過程中催化劑破損和粉化導致的阻力增加，故動能消耗估算和壓縮機選型時應留有足夠的余量。導致傳質面積下降導致傳遞效果變差2、質量和熱量的軸向擴散（1）軸向擴散模型軸向混合效應引起軸向返混。均相流軸向擴散對流傳遞速率擴散傳遞速率固定床反應器軸向質擴散的彼克列數軸向熱擴散的彼克列數氣體液體固定床內流體的軸向混合情況可用N個等體積的全混釜串聯描述N越大，越接近于活塞流

N>50，傳質活塞流

N>150，傳熱活塞流（2）多釜串聯模型氣固反應器：固定床高度顆粒直徑（實驗室則難以滿足該條件）3、徑向傳質和傳熱床層徑向溫度分布圖固定床內進行鄰二甲苯氧化反應固定床徑向傳熱熱阻床層本身顆粒接觸面處的傳導相鄰顆粒周圍的邊界層的傳導顆粒間的輻射顆粒內的傳導流動對傳熱的貢獻徑向有效導熱系數

床層外沿與床層容器內壁間的傳熱壁膜傳熱系數

徑向傳熱徑向傳質徑向擴散系數存在的原因：向上或向下運動的流體撞擊到固體顆粒時產生再分散和為了躲開固體顆粒而改變流向所致

若用N個全混釜串聯模擬固定床反應器徑向混合時

固定床的直徑N大于1，故徑向濃度不可能達到均勻;N減小可接近全混流，濃度趨于均一，但容易發生流體的短路。避免徑向濃度分布不均很難做到。6.1固定床內的傳遞現象

6.2固定床反應器的數學模型

6.3絕熱式固定床反應器

6.4換熱式固定床反應器

6.5流化床反應器

6.2固定床反應器的數學模型固定床內的傳遞現象：相內的傳質與傳熱；催化劑顆粒內的傳質與傳熱；固定床內軸向的傳遞現象；固定床內徑向的傳遞現象非線性偏微分方程

合理簡化

固定床的非均相數學模型：活塞流模型（一維）；有軸向返混的一維模型；有徑向濃度分布和溫度分布的二維模型。衡算方程：物料衡算：熱量衡算：邊界條件的形式一定程度上決定了求解的難易程度。動量衡算：邊界條件：需具備的基礎數據：反應動力學數據（實驗測定）；熱力學數據（手冊或文獻可獲得）：如反應熱、比熱容、化學平衡常數等

傳遞速率數據：流體的傳遞性質：粘度、擴散系數、導熱系數等催化劑的宏觀結構數據：如孔分布、顆粒密度、堆密度、比表面積等6.1固定床內的傳遞現象

6.2固定床反應器的數學模型

6.3絕熱式固定床反應器

6.4換熱式固定床反應器

6.5流化床反應器

6.3絕熱式固定床反應器反應過程中催化劑床與外界沒有熱量交換的固定床反應器，叫做絕熱式固定床反應器。單段多段反應物料在絕熱情況下只反應一次。優點：反應器結構簡單，造價低；缺點：不適用于熱效應大的反應。多次在絕熱條件下進行反應，反應一次后經過換熱以滿足所需的溫度條件，再進行下一次絕熱反應。原料產品催化劑床層換熱器間接換熱式多段固定床絕熱反應器IIIIII原料催化劑床層原料氣冷激式（直接換熱式）多段固定床絕熱反應器IIIIIIIV原料非原料氣冷激式多段固定床絕熱反應器IIIIIIIV產品冷激劑相比較而言：（1）間接換熱式多了換熱器，流程相對復雜，設備投資大；但有利于熱量回收；限制條件少；催化劑用量少。（2）冷激式流程簡單，但催化劑用量多；非原料氣冷激受限于是否有合適的冷激劑；原料冷激式受限于原料溫度及反應溫度范圍。6.1固定床內的傳遞現象

6.2固定床反應器的數學模型

6.3絕熱式固定床反應器

6.4換熱式固定床反應器

6.5流化床反應器

6.4換熱式固定床反應器特點：催化劑床層進行化學反應的同時，床層還通過器壁與外界進行熱交換。原料產品冷卻劑（1）合理選擇載熱體是關鍵；原料產品冷卻劑（2）反應管直徑較小，多為20~30mm；（3）床層軸向溫度分布較均勻；適用于強放熱反應；便于放大；（4）催化劑磨損小，但裝卸不方便。說明：溫度影響溫度對化學反應速率影響極為敏感，反應溫度的控制是反應器操作中最重要的一環。可逆吸熱反應和不可逆的吸熱和放熱反應，高溫操作有利。（1）熱點床層內存在溫度最高點，稱為熱點溫度。冷點：進行吸熱反應時存在的最低溫度點。熱點的位置及其溫度的高低是反應器操作的一個極為重要的依據，只要熱點溫度不超過允許溫度，床層其他部位也絕不會超溫。（2）飛溫現象反應器內操作參數有小擾動，反應器的局部或整個反應器內溫度便會大幅度上升的現象。進料溫度對床層軸向溫度分布的影響進料溫度提高1K，床層操作會出現飛溫失控現象。因此參數敏感性問題包括操作變量、反應混合物的性質以及反應器的傳熱能力對熱點溫度的影響程度。6.1固定床內的傳遞現象

6.2固定床反應器的數學模型

6.3絕熱式固定床反應器

6.4換熱式固定床反應器

6.5流化床反應器

6.5流化床反應器流體流過顆粒物料層時流速與壓力降的關系

固定床流化床臨界流化點最小流化速度一、流化床反應器的優缺點（相比固定床）：優點：1、流體和顆粒的運動使床層具有良好的傳熱性能；傳熱系數可達400-1600W/m2.K，徑向、軸向溫度分布都十分均勻，可實現等溫操作。

2、比較容易實現固體物料的連續輸入和輸出；物料具有流動性流化床中固體顆粒具有像流體一樣的流動性質，故稱為流態化，或擬流體。缺點：1、磨損和氣體帶走造成催化劑損失，需不斷向反應器中補充催化劑；2、返混嚴重；3、氣體以氣泡形式通過床層造成氣固接觸不良；3、可以使用粒度很小的固體物料或催化劑；消除內擴散阻力，充分發揮催化劑效能，抑制串聯副反應。4、壓降不隨氣速變化。1、最小流化速度層流時

二、氣固流態化特性床層顆粒開始流化時的床層高度；

床層顆粒開始流化時的孔隙率；

固體的密度流體的密度；

已知氣體和固體的物理性質即可求出最小流化速度2、流化床的壓力降湍流時，忽略慣性力

弗魯特數<1，均勻流化>1，不均勻流化或聚式流化3、固體顆粒分散的均勻程度理想流化床（1）有明顯的臨界流化態點和臨界流化態速度；三、理想流化床與實際流化床（3）有平穩的流態化界面；（4）流化態床層的空隙率在任何流速下都有一個具代表性的平均值，且不隨床層位置而變化。（2）流化床層的壓降恒定；實際流化床：氣速超過臨界流化速度，床層中就會出現氣泡，在床層中形成兩個空隙率不同的相，含顆粒較少的氣泡相和含顆粒較多的乳化相。

四、流化床中的氣泡1、氣泡特點：氣泡相和乳化相之間沒有連續的分界面，與氣液系統中的氣泡不同。2、氣泡的作用：（1）是床層運動的動力，加劇氣-固兩相的相對運動；（2）造成床層內顆粒的劇烈攪拌，使流化床具有較高的傳熱速率，床層內溫度較均一；（3）參與傳質，使反應物從氣泡相進入乳化相，產物從乳化相進入氣泡相；（4）降低流化床氣固接觸效率；（5）上升到床層表面破碎時，將大量固體顆粒拋向床層上方，造成顆粒損失。3、溝流和騰涌（1）溝流：顆粒床層中出現通道，大量氣體短路通過床層，使得床層其余部分仍處于固定床狀態（死床）。原因：分布板設計不當、顆粒細而密度大且形狀不規則；顆粒有黏附性；顆粒濕度大。（2）氣泡直徑增大至接近床層直徑時，氣泡將其上部的固體顆粒托舉上升，當氣泡破裂時，顆粒突然下落，造成床體劇烈振動，影響氣固接觸，增大顆粒和設備的磨損。原因：