化学反应工程 第七章 流化床反应器.ppt

第七章 流化床反应器 流化床中的两相运动 流化床中的传热和传质 流化床反应器的模拟和放大 7.1 流化床中的两相运动 概述 颗粒的流化特性 特征流速 气泡及其行为 分布板与内部构件 乳相动态 颗粒的带出和扬析 一、概述 床层颗粒运动形态 流体自下而上流过床层，改变流体流速，床层颗粒的运动形态的变化会有如下几种情形 固定床 起始流化 散式流化（膨胀床） 聚式流化（鼓泡床） 节涌床 湍流床 气流输送 床层的划分 依据颗粒浓度，分为上下两部分 上部：稀相床 下部：密相床 /浓相床 流化床反应器的优点 传热效能高，床内温度易控制 用于氧化、裂解、焙烧、干燥等过程 大量固体颗粒可方便地往来运输 用于催化裂化 粒子细，可消除内扩散阻力，充分发挥催化剂的效能 流化床反应器的缺点 气流状况不均，有大量气泡产生，气-固两相接触不够有效，达到高转化率较困难 粒子运动全混式，停留时间不均一，以粒子为加工对象时，产品质量不一 粒子磨损，带出造成粒子损失，需加旋风分离器等粒子回收系统 二、颗粒的流化特性 Geldart颗粒分类法 以颗粒密度、粒径划分； A、B：适用于流化，A类颗粒流化性能最好。 A：100~500μm，0.2~0.4g/cm3 B：200~2000μm，0.5~5g/cm3 C：颗粒过细，粒间有粘附性，易沟流，不适用于流化； dp 50μm，ρp2 g/cm3 D：颗粒过大，适用于喷动床； dp 1000μm，ρp 0.5 g/cm3 三、特征流速 起始流化速度（最小流化速度） 指刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流速 采用测定床层压降变化的方法来确定 起始流化速度（最小流化速度） 流化床的压降计算公式 起始流化速度计算公式 对小粒子，左侧第一项可忽略 对大粒子，左侧第二项可忽略 起始流化速度（最小流化速度） 起始流化速度计算公式 床层空隙率εmf和颗粒形状系数φs 查表或查图得到 近似地取： 由此，前面的三个方程式可写为 对小粒子 对大粒子 上述各式中，计算结果需用 来检验 带出速度 当气速增大到某一定值时，流体对粒子的曳力与粒子的重力相等，则粒子就会被气流带走。这一速度称为带出速度（或称终端速度），与粒子的自由沉降速度 粒子的力平衡 带出速度 对球形粒子 而对非球形粒子： 上述各式中，计算结果需用 来检验 操作气速 一般而言，流化床的操作气速范围为： 对细粒子 对大粒子 可见， 一般，取流化数 可取 四、气泡及其行为 气泡结构 气泡 气泡相 （气泡+气泡云+尾涡）或（气泡+气泡晕） 气泡以外的密相床 乳（浊）相 气泡速度和大小 单个 气泡群 床径、分布板对ub有影响 气泡大小 气泡云与尾涡 气泡云相对厚度 二维床 三维床 式中，Rc、Rb分别为气泡云和气泡的半径。 尾涡体积 全部气泡占床层的体积分率 气泡中的粒子含量 （粒子体积与气泡体积之比） 气泡中 可忽略不计 气泡晕中 乳相中： 粒子体积与气泡体积之比re满足： 五、分布板与内部构件 分布板 分布板设计的好坏对于流化床的操作有很大的影响 型式 单层的筛板、凹形筛板、多层筛板、夹层填料、管式分布器、泡帽、侧缝锥帽 分布板影响区 气体从分布板上的气孔中流出来时，由于气速很高，可能形成一股喷射流，使得在近分布板区，气-固接触剧烈，传热、传质速率高，因此，反应转化快 一般认为，其影响范围大致在250mm的高度左右 分布板 分布板的设计 为了保证流化均匀而稳定，分布板需有足够高的压降，一般取 通常分布板开孔率取：~1%； 设计过程 内部构件 垂直管、水平管、多孔板、水平挡网、斜片百叶窗挡板等 六、乳相动态 颗粒 全混式 气流 气泡区、泡晕区、上流区、回流区 七、颗粒的带出和扬析 扬析 气流连续通过床层时，床层内那些带出速度小于操作气速的颗粒将不断被带出去的现象 扬析速度 扬析常数 扬析常数 实验关联式 沉降分离高度（T.D.H.） 流化床内，扬析的粒子浓度随床层高度的位置变化而变化，当达到某一高度后，能够被重力分离下来的颗粒都已沉析下来，只有带出速度小于操作气速的颗粒才会一直被带走，因此，以上区域颗粒的含量接近于恒定，这一高度称为(沉降)分离高度(T.D.H.) 这一高度就是旋风分离器的第一级入口位置 扩大段 在流化床顶部安装一个扩大段，使气速降低，让更多的粒子沉析下来，从而减轻了旋风分离器的负荷 旋风分离器 7.2 流化床中的传热和传质 床层与外壁间的给