精细化工合成过程及设备精细化工合成过程及设备3.2.2流化床反应器的传热过程.doc

3.2.2流化床反应器的传热过程 流化床反应器温度分布均匀，传热速率快，这对产生大量反应热的化学反应特别有利，可以使换热器的传热面积减小，结构更为紧凑。研究流化床反应器的传热，确定维持流化床温度所必需的传热面积是流化床设计和操作中的一个重要问题。 （一）流化床传热过程分析 流化床反应器之所以温度分布均匀、传热速率快，是因为流化床中流体与颗粒的快速循环，使气－固之间及床层和换热面的气膜受到扰动并使膜的厚度变薄，因而具有较大的给热系数，颗粒混合的均匀，使床层温度很快达到均匀一致；气－固相接触面积大，传热速率快；床层中颗粒质量热容远比气体质量热容高，因此当气体温度稍有波动时，对床层温度的影响不大。 流化床内的传热包括以下几种。 1. 床层内固体颗粒之间的传热 因为颗粒剧烈搅动，湍流混合，导热能力很高，所以传热阻力可忽略。一般在设计中不考虑。 2. 颗粒与流体间的传热 颗粒与流体间的传热主要以对流方式进行，热阻存在于颗粒外的气膜中。实验证明，距分布板25mm区域内，气－固两相存在温差；高于25mm，由于两相高速传热，床层温度分布均匀，可视无温差。 3. 床层与器壁或换热器表面的传热 其传热速率较前两种慢得多，为整个传热过程的控制步骤，是流化床传热要研究的主要课题。 （二）床层与器壁间的传热 流化床反应器内进行的反应，一般热效应较大，大多数情况下必须采用内换热器。所以重要的是床层与内换热器壁表面间的传热。 床层与器壁的给热过程 床层对内换热器壁给热过程见下图3-12，流化床反应器内换热器的外管壁周围存在着一层气膜，其厚度为δg,在气膜外围是固体颗粒边界层，其厚度为δ 图3-12 床层对内换热器壁给热过程示意图 在流化床中进行放热反应的情况下，内换热器作为冷却器用，其温度分布如图中t1→t2→t3→t4线所示。流化床层中温度t1最高，但是较均匀；在固体颗粒边界层中，温度有所下降（t2→t3）；在气膜中，温度下降很大（t3→t4）。可见，对给热起决定作用的是气膜阻力。 床层与器壁给热系数分析 流化床对换热表面的传热是一个非常复杂的过程，给热系数（α0）与流体和颗粒的性质、流动条件、床层与换热面的几何形状等因素有关。 (1) 操作速度的影响 如下图3-13所示，在低气速时，颗粒处于固定床状态，给热系数低，随着气速的增加给热系数略有增加，当气速达到临界流化速度以上时，给热系数随气速的增加而急剧增大，到一个极大值后，由于床层空隙率增大，给热系数反而下降。 图3-13 气速对给热系数的影响 (2) 颗粒直径的影响 在气速相近的情况下，床层与器壁的给热系数随着颗粒直径的减小而增大。这是因为颗粒小，床层搅拌剧烈，换热面上增加了固体颗粒接触点的密度，从而降低了附着与壁面上的气膜厚度所致。 (3) 挡板、档网的影响 设挡板、档网后，会使粒子运动受阻而降低给热系数，其最大值比不加档网时低。床层中加挡板或档网后，不易形成大气泡，改善了流化质量，相应的气速则较高，也使给热系数沿床高更加均匀，而有利于传质过程。因给热系数随气速的变化较小，故可在较宽气速下操作，见图3-14。分布板的结构直接影响气泡的大小和数量，因此对传热的影响也较显著。 图3-14 挡网对给热系数的影响 (4) 换热器位置对给热系数的影响 竖管在床层中离开中心线的位置对给热系数影响很大。在中心线处，由于气泡较密，且容易附在壁面上，因而给热系数较低；离开中心线后直到距半径0.3-0.4倍处，给热系数明显上升并达到最大值，此后又下降。由于上下排列着的水平管对粒子与中间管的接触起了一定的阻碍作用，因此水平管的给热系数比垂直管的约低5%-15%。所以流化床一般用竖管而少用水平管或斜管，除传热方面的原因外，主要还在于后者影响离子的流动和气-固的接触。此外管束排的过密，会使粒子运动受阻而降低给热系数。 （5）气、固物性对给热系数的影响 气体的物性如黏度、密度、比热容、导热系数和固体的物性如密度、比热容等对给热系数都有影响。其中影响最大的是气体的导热系数，因为围绕颗粒周围和覆盖器壁的都是气膜，通过气膜的传热是以热传导方式进行的，所以气体的导热系数较高时，对传热是有利的。 3.床层与器壁给热系数的计算 流化床对换热面给热系数关联式的局限性很大，准确性较低，具体内容可参阅相关专著。 (三) 流化床内换热器的结构型式 常见的流化床内换热器如图3-15所示，其中列管式换热器是将换热管垂直放置在床层内密相或创面上稀相的区域中，常见的有单管式和套管式两种，根据传热面积的大小，排成一圈或者几圈。载热体由总环管导入，经连接管分配至若干根直立的换热主管中，换热后再汇集到总管导出。若主管较长，则连接管部分应考虑高温下热补偿，做成弯管，以防管道破裂。灌输式换热器分立式和横排两种，横排的管束式换热器对流化质量