任务流化床反应器设计.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,任务,13,流化床反应器设计,工作任务,根据化工产品的生产条件和工艺要求进行流化床反应器的工艺设计,1,3,固体流态化现象,将固体颗粒悬浮于运动的流体中，从而使颗粒具有类似流体的某些宏观特性，这种流固接触状态称为固体流态化。,13.1,流态化基本概念,简单来说，固体流态化就是固体物质流体化。流体以一定的流速通过固体颗粒组成的床层时，可将大量固体颗粒悬浮于流动的流体中，颗粒在流体作用下上下翻滚，犹如液体。这种状态即为流态化。,13.1,流态化基本概念,一种流体自下而上流过颗粒组成的床层时，因流速不同会出现不同的情况：,1,、固定床阶段,当流体通过床层的空截面流速较低时，床层空隙中流体的实际流速,u,小于颗粒的沉降速度,u,t,，则颗粒静止不动，为固定床，如图（,a,）。,2,、流化床阶段,（,1,）临界流化床 当,u,增大到一定程度时，颗粒开始松动，床层开始膨胀，,u,继续升高，床层开始继续膨胀，直到刚好全部颗粒都悬浮在向上流动的流体中。此时，颗粒所受浮重力与流体和颗粒之间的摩擦力相平衡，称初始或临界流化床，如图（,b,）。,（,2,）流化床 当流速继续增加，床层,L,亦不断升高，此即为流化床。液固系统床层平稳渐增，如图（,c,）；气固系统则出现鼓泡和气体沟流现象，搅动剧烈，固体颗粒运动活跃，象沸腾的液体，因此亦称沸腾床。（如图,d,）,3,、颗粒输送阶段 当流体在床层中的实际流速超过颗粒的沉降速度,u,t,时，流化床上界面消失，颗粒将随流体被带出容器外，此为输送床，如图（,e,）。,流态化操作类型,流态化操作可有多种分类方法：,以流化介质分：,1,）气,固流化床 以气体为流化介质。目前应用最为广泛，如各种气,固相反应、流化床燃烧、物料干燥等。,2,）液,固流化床 以液体为流化介质。这类床问世较早，但不如前者应用广泛。多见于流态化浸取和洗涤、湿法冶金等。,3,）三相流化床 以气、液体两种流体为流化介质。这种床型自七十年代有报道以来发展很快，在化工和生物化工领域中有较好的应用前景。,2,、以流态化状态分：,1,）散式流态化 固体颗粒均匀地分散在流化介质中，亦称均匀流化或理想流化。,此流化状态有以下特点：,a,：在流化过程中有一个明显的临界流态化点和临界流化速度；,b,：流化床层的压降为一常数；,c,：床层有一个平稳的上界面；,d,：流态化床层的空隙率在任何流速下都有一个代表性的均匀值。不因床层内的位置而变化。,通常，两相密度差小的系统趋向形成散式流化，故大多数的液,固流化为散式流化。,2,）聚式流态化,不具备散式流化特点的系统为聚式流化。,一般密度差较大的系统（如气,固系统）趋向于形成聚式流化。,聚式流化的特点是：当流速大于临界流化速度后，流体不是均匀地流过颗粒床层，一部分流体不与固体混合就短路流过床层。如气,固系统，气体以气泡形式流过床层，气泡在床层中上升和聚并，引起床层的波动。因气泡的存在，流化床被分成两相，一相为空隙率小而固体密度大的气,固均匀混合物构成的连续相，称为乳化相；另一相则是夹带少量固体颗粒而以气泡形式通过床层的不连续相，称为气泡相。,(3),两种流化态的判别,颗粒与流体之间的密度差是散式流化和聚式流化之间的主要区别。,一般认为：液固流化为散式流化,气固流化为聚式流化,但对于压力较高的气固系统或者用较轻的液体流化较重的颗粒，如水,-,铅流化系统，这种区别不明显。,定量判别的标准,弗劳德数,另一种是用下列四个无量纲数的乘积表征的流态化型态：,上面四个无量纲数都随床层稳定性的降低而增加。,流化床压降-流速关系,床层初始流化状态下，床层的受力情况,L,mf,A(1-,mf,),s,g,L,mf,A(1-,mf,),f,g,AP,开始流化时，向上和向下的力平衡,L,mf,A(1-,mf,),s,g=,L,mf,A(1-,mf,),f,g+,Ap,p=L,mf,(1-,mf,)(,s,-,f,)g,从临界点后继续增大流速，空隙率也随之增大，床层高度,L,增加，但,L(1-,),不变，所以,p,保持不变。,在气固系统中，密度相差较大，可以简化为单位面积床层的重量,p=L(,1-,),s,g=W/A,对已经流化的床层，如将气速减小，则,p,如何变化？,“驼峰”形成的原因：在固定床阶段，颗粒之间由于相互接触，部分颗粒可能有架桥、嵌接等情况，造成开始流化时需要大于理论值的推动力才能使床层松动，即形成较大的压力降。,判断流化质量：观察流化床的压力降变化,正常操作：压力降的波动范围小、波动幅度随流速的增加而有所增加,腾涌,：压降突然增加，而后又突然下降,沟流,：压降比正常操作时低,沟流：在流固系统或气液系统中，由于不均匀的,流动,，,流体,打开了一条,阻力,很小的通道，形成所谓,沟,，以极短的,停留时间,通过床层。这种现象称为,沟流,。它较多发生在流固系统中。如沟贯穿于整个床层称为贯穿沟流，如仅发生于局部则称为局部沟流。形成沟流会降低,传质,效率。,在大型鼓泡床中，,气泡,聚合后沿几条捷径上升，而严重的,鼓泡,集中可使气泡沿着捷径上升而形成,短路,，此现象称为沟流。,临界流化速度：起始流化速度，最低流化速度,颗粒层由固定床转为流化床时流体的表观速度，用,u,mf,表示（最好用实验测定，也可用公式计算）,临界点时，床层的压力降,p,既符合固定床的规律，同时又符合流动的规律，即此点的固定床压降等于流化床的压降。,埃冈（,Ergun,）方程,:,U,t,:,颗粒带出速度，或称终端速度，是流化床中流体速度的上限，也就是气速增大到此值时流体对粒子的曳力与粒子的重力相等，粒子将被气流带走。,例,13-1,、,13-2,计算球形颗粒的沉降速度时，需要根据雷诺数的大小来选用计算公式，由于,u,t,未知，需用试差法计算。,实际生产中：,u/u,mf,u/u,t,通常采用的气速,对热效应不大，反应速率慢、催化剂粒小、筛分宽、床内无内部构件和要求催化剂带出量少的情况，宜选用较低气速。,床层中气泡行为,当气体通过床层时一部分气体与颗粒之间组成,乳化相,，其余气体以气泡形式通过乳化相。由于气体上升速度与乳化相速度不同，存在明显的速度差异，气泡在上升过程中必然会挟带气泡周围一定量的乳化相物质。气泡在上升时其尾部形成负压，将吸入部分乳化相物质随其上升，这部分称尾涡。,气泡上升时气泡外侧一定厚度的乳化相将随气泡一起上升，这部分被称为气泡云。尾涡与气泡云统称为气泡晕。,（,乳化相（英文名称,emulsion phase,）这是一专用名词，用于建立化工过程的流化床反应器数学模型时，需要划分不同的相。例如两相模型把反应器中的物料划分为两相，即把不参加反应的气泡叫做泡相，把余下的固体颗粒包括催化剂及其他物料，以及除泡相以外的气体，看为是一个拟均相，称为乳化相。）,气泡的作用：,是床层运动的动力，加剧气固两相的相对运动,参与传质，使反应物从气泡相到乳化相，产物从乳化相到气泡相,单个气泡：,顶部球形，尾部内凹。在尾部由于压力比近旁稍低，使一部分粒子被卷了进去，形成尾部涡流,-,尾涡。,尾涡夹带颗粒上升床面上气泡破裂，颗粒下降。形成颗粒的,大循环,。,产生气泡云，形成循环气流,气泡上升速度：气泡的重要参数之一,单个气泡的平均上升速率,气泡群上升速度,通常，两相密度差小的系统趋向形成散式流化，故大多数的液固流化为散式流化。,对已经流化的床层，如将气速减小，则p如何变化？,床层直径的影响难于判定；,临界压降是指分布板能起到均匀布气并具有良好稳定性的最小压降，它与分布板下面的气体引入及分布板上床层有关。,床层初始流化状态下，床层的受力情况,对于催化反应所用的流化反应器，首先要通过实验确定主要反应的本征速率，然后选择反应器，结合传递效率建立数学模型。,开孔率小于1%径向流速趋于均匀。,气泡上升时气泡外侧一定厚度的乳化相将随气泡一起上升，这部分被称为气泡云。,LmfA(1-mf)fg+,c：床层有一个平稳的上界面；,b：流化床层的压降为一常数；,但对于压力较高的气固系统或者用较轻的液体流化较重的颗粒，如水-铅流化系统，这种区别不明显。,不具备散式流化特点的系统为聚式流化。,当气体通过床层时一部分气体与颗粒之间组成乳化相，其余气体以气泡形式通过乳化相。,它较多发生在流固系统中。,流化床反应器传质,颗粒与气体间的传质速率直接影响整个反应速率或总传质速率,气泡-气泡晕-乳化相,串联过程,流化床反应器传热,流化床的热量传递过程大体可分为：固体颗粒之间的热量传递；气体与固体之间的热量传递；床层与床壁（包括换热器）之间的热量传递。,由于流化床中颗粒处于高度运动状态，而固体的导热系数较大，因此传热速率很快。床层中温度基本上可以认为是一致的。,流化床层与器壁的给热系数直到目前为止仍只能通过将实验数据归纳成准数方程而获得。,流化床层与竖放的换热器器壁之间给热系数计算式为,注意：是有单位的，其单位为,-2,床层与横放的换热器器壁之间传热时，给热系数计算式为,水平管的给热系数比垂直管低,5,15,，因此倾向于使用垂直管。,颗粒的导热系数和床高对给热系数影响不大；,给热系数随颗粒比热的增大而增大，随粒径的增大而降低；,流体的导热系数,对给热系数,h,w,起最主要的影响，,h,w,与,n,成正比，,n,=1/2-2/3,。,床层直径的影响难于判定；,床内管径小时给热系数大；,传 热 设 备,单管式,套管式,鼠笼式,直列管束式,横列管束式,U,型管式,蛇管式,分布板的压力降分为布气临界压降和稳定性临界压降。,对已经流化的床层，如将气速减小，则p如何变化？,（1）各参数为常数，不随床高变化，也与气泡状况无关；,床层中温度基本上可以认为是一致的。,在尾部由于压力比近旁稍低，使一部分粒子被卷了进去，形成尾部涡流-尾涡。,颗粒层由固定床转为流化床时流体的表观速度，用umf表示（最好用实验测定，也可用公式计算）,在尾部由于压力比近旁稍低，使一部分粒子被卷了进去，形成尾部涡流-尾涡。,凹型筛孔板 单个直孔泡帽,气泡上升速度：气泡的重要参数之一,床层与床壁（包括换热器）之间的热量传递。,颗粒与流体之间的密度差是散式流化和聚式流化之间的主要区别。,沟流：压降比正常操作时低,此流化状态有以下特点：,气泡在上升时其尾部形成负压，将吸入部分乳化相物质随其上升，这部分称尾涡。,气泡上升时气泡外侧一定厚度的乳化相将随气泡一起上升，这部分被称为气泡云。,以下为常见气体分布板形式：,颗粒的导热系数和床高对给热系数影响不大；,先根据物料的物性参数与操作条件计算出此颗粒的自由沉降速度，然后计算扩大段直径。,工艺设计：造型、确定床高和床径、内部构件并计算压力降,流化床反应器：圆筒形(结构简单、制造方便、设备利用率高等),选型：化学反应的特点、颗粒或催化剂的性能、对产品的要求以及生产规模,流化床反应器直径与高度的确定,流化床反应器的两个主要结构尺寸：,床径和床高,对于催化反应所用的流化反应器，首先要通过实验确定主要反应的本征速率，然后选择反应器，结合传递效率建立数学模型。,气体的体积流量,反映器直径,反应器的绝对温度,(K),和绝对压力,(Pa),以,T,、,p,计的表观气流,（,1,）流化床的直径,（非催化气固流化床反应器）,为了尽量减少气体中带出的颗粒，一般流化床反应器上部设置扩大段，扩大段直径由不允许吹出粒子的最小颗粒直径来确定。,先根据物料的物性参数与操作条件计算出此颗粒的自由沉降速度，然后计算扩大段直径。,（,2,）流化床的床高,（临界流化床高,+,流化床高,+,稳定段高度,+,扩大段高度,+,分离段高度）,（,1,）临界流化床高,(2),流化床高,（根据床层膨胀比,R,可求出）,床层膨胀比的定义,:,和 为临界状态和实际操作条件下床层的平均密度。,(3),稳定段高度 主要取决于床层的稳定性和操作中浓相床层的高度变化范围,（,4,）分离高度：在床层上面空间的一段高度，这段高度中气流内夹带的颗粒浓度随高度而变,流化床反应器压力降计算,流化床反应器压力降,气体分布板压力降,流化床压力降,分离设备压力降,气体分布板的类型与作用,作用：,具有均匀分布气流的作用，同时其压降要小。,能使流化床有一个良好的起始流态化状态。,操作过程中不易被堵塞和磨蚀。,包括气体预分布器和气体分布板。其作用是使气体均匀分布，以形成良好的初始流化条件，同时支承固体颗粒。以下为常见气体分布板形式：,凹型筛孔板 单个直孔泡帽,气体分布装置：,泡帽侧缝分布板,气体分布装置,：,锥型侧缝分布板,条形侧缝分布板,直孔泡帽分布板,直孔筛板,锥型侧孔分布板,2026/10/3,58,原则：气体分布方式很多，以分布均匀，防止积料，结构简单和材料节省为宜。,为保证流化均匀，稳定，分布板要有足够压降，一般选分布板压降,为床层压降 的,10%,20%,，开孔率约,1%,。,气体预分布器,同心圆锥壳式分布器,帽式分布器,充填式分布器,开口式分布器,弯管式分布器,气体预分布器,包括档网、档板和填充物等。,作用：破碎气体在床层中产生的大气泡，增大,g-s,相间的接触机会，减少返混，从而增加反应速度和提高转化率。,外旋挡板,内部构件：,分布板的压力降计算,流体通过分布板的压降可用床内表观速度的速度头倍数来表示：,分布板压降，,Pa,；,开孔率；,阻率系数，其值在,分布板的临界压力降,临界压降是指分布板能起到均匀布气并具有良好稳定性的最小压降，它与分布板下面的气体引入及分布板上床层有关。,分布板的压力降分为,布气临界压降,和,稳定性临界压降。,开孔率小于,1%,径向流速趋于均匀。,13.4.3,流化床的数学模型,建立数学模型的目的是要定量地分析影响流化床性能的各个参数之间的数学关系，解决反应器放大和控制以及相关的最优化问题。,1,3,.4.,3,.1,模型的类别,（,1,）简单均相模型,全混流模型,活塞流模型,（,2,）两相模型,气泡相（活塞流）,乳化相（活塞流）,气泡相（活塞流）,乳化相（全混流）,（,3,）三相模型,气泡相,气泡云,乳化相,气泡相,上流相（气,+,固）,下流相（气,+,固）,以上各种模型，大多数以气泡直径作为模型参数，根据气泡直径是否可变分为以下几种情况：,（,1,）各参数为常数，不随床高变化，也与气泡状况无关；,（,2,）各参数为常数，不随床高变化，用一恒定不变的当量气泡直径作为模型的可调参数。,（,3,）各参数与气泡大小有关，气泡大小随床高变化。,迄今为止，已提出很多流化床数学模型，也有一些应用的实例与实际情况比较符合，但尚无一个被公认为可普遍使用的数学模型。通常以两种比较典型的两相模型和鼓泡床模型为例建立数学模型。,13.4.3.2鼓泡床模型（适用于剧烈鼓泡、充分流化的流化床）,