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第十章 流化床反应器 10.1流化床反应器的特点及结构 10.2流化床反应器内的流体流动 10.3流化床的传热 10.4流化床反应器的构件 10.5流化床主体尺寸的确定 10.1流化床反应器的特点及结构 流体自下而上通过固体颗粒床层，到流体速度增加到一定程度时，颗粒被流体托起作悬浮运动，这种现象叫固体流态化。 利用流态化技术进行化学反应的装置叫流化床反应器。 10.1.1流化床反应器的工业应用及特点 流化床反应器在工业中的应用可分为催化过程和非催化过程两大类。 1.催化过程 催化过程的主要特点是固体颗粒为催化剂。催化剂的活性随反应而下降，需取出再生或补充新的催化剂以维持器内催化剂的平均活性。 2.非催化过程：如矿物加工 与固定床反应器相比流化床具有以下优点： (1)从对催化剂的要求看，流化床可采用小颗粒且粒度范围较宽的催化剂，从而增大了气固相间的接触面积。 (2)从传热上看，催化剂颗粒之间、床层与器壁及换热器壁之间的给热系数大，传热速率加快，所需传热面积较小，床层温度均匀。 (3)从传质上看，由于催化剂颗粒和流体处于剧烈搅动状态，气固相界面不断更新，使传质系数增大；加之催化剂粒度小，单位体积催化剂具有很大的表面积，使传质速率加快。 (4)从操作上看，从床层中取出颗粒和加入新的颗粒都很方便，对于催化剂易于失活的反应，可使反应过程和催化剂再生过程连续化，且易于实现自动控制。 (5)从生产规模上看，流化床传热良好，设备结构简单，投资省，适合于大规模生产。 流化床反应器的缺点 (1)由于颗粒的剧烈湍动，造成固体颗粒与流体的严重返混，导致反应物浓度下降，转化率下降。 (2)对气固流化床，常发生气体短路与沟流，严重降低了气固相接触效率，使反应转化率下降。 (3)催化剂颗粒之间的剧烈碰撞，造成催化剂破碎率增大，增加了催化剂的损耗，需增设回收装置。 (4)由于催化剂颗粒与器壁的剧烈碰撞，易于造成设备及管道的磨蚀，增大了设备损耗。 流化床反应器的应用 流化床反应器适用于热效应大的反应 要求有均一的催化反应温度并需要精确控制温度的反应 催化剂使用寿命短及有爆炸危险的场合 不适用于要求转化率高的场合和要求催化剂床层有温度分布场合 10.1.2流化床反应器的类型及结构* 流化床反应器的类型* 1.按固体颗粒是否在系统内循环分类 分为单器流化床和双器流化床 2.按床层外形分类 分为圆筒形和圆锥形流化床 3.按反应器层数分类 分为单层流化床和多层流化床 4.按床层中是否设置内部构件分类 分为自由床和限制床 气体分布装置包括气体预分布器和气体分布板两部分。其作用是使气体均匀分布，以形成良好的起始流化条件，同时支承固体颗粒。 内部构件有水平构件和垂直构件之分，主要用来破碎气泡，改善气固接触，减少返混，从而提高反应速度和反应转化率。 流化床的换热装置可以装在床层内，也可以采用夹套式换热。作用是用来及时取出或供给热量。 气体离开床层时总要夹带部分细小的催化剂颗粒，气固分离装置的作用是回收这部分细粒使其返回床层。 常用的气固分离装置有内过滤器和旋风分离器两种。 10.2.1固体流态化的形成 10.2.2流态化的类型及特征 1.理想流态化* （1）有一个明显的临界流化点及临界流化速度umf ，当流速达到umf时，整个床层开始流态化； （2）流态化床层的压降为一常数； （3）流态化床层具有一个平稳的床层界面； （4)流态化床层的空隙率均匀，不因床层的位置变化。 2.散式流态化和聚式流态化 颗粒分布均匀的流态化称为散式流态化，一般液固流化床接近于散式流态化。散式流态化的特性接近于理想流态化。 聚式流态化是一个特殊的两相物系，处于流化态的颗粒群是连续的，称连续相，气泡是分散的，叫分散相。 (1)空床气速大于umf后床层进入流化状态，此时流化床没有一个固定的上界面，它以每秒数次的频率上下波动； (2)床层压降△Ｐ也随之上下波动，在DE1和DE2曲线之间波动，其平均值用DE线表示，如图10-7所示； (3)床层分为两相 3.不正常流化 10.2.3流化床的压降 对于一达到临界流速的流化床层，忽略其他摩擦。 重力=浮力＋气固摩擦力 LmfAt(1-εmf) ρp g=LmfAt(1-εmf) ρf g＋AtΔpmf 当空床气速超过临界流化速度时 床层总压降可按床层静压降考虑 对于气固流化床， ρf ＜＜ ρp ，可忽略不计。 10.2.4流化速度 1.临界流化速度 2.带出速度 当气速略大于颗粒的自由沉降速度时，颗粒沉降不下来而被流体带出。开始把颗粒带出的速度称为带出速度。 ３．流化床的操作速度 选择操作气速应考虑以下因素* : a颗粒的磨损及带出损失、能