71流化床反应器.pptx

流化床反应器流化床反应器:利用气体或液体利用气体或液体自下而上自下而上通通过固体颗粒床层而使固体颗粒处于过固体颗粒床层而使固体颗粒处于悬浮悬浮运动状运动状态态,并进行气固相反应或液固相反应的反应器并进行气固相反应或液固相反应的反应器7.流化床反应器（流化床反应器（Fluidized Bed）流态化：固体粒子像流体一样流态化：固体粒子像流体一样 进行流动的现象。进行流动的现象。7.1流化床中的两相运动流化床中的两相运动 固体具有液体性质：固体具有液体性质：液面、静压、连通器、粘度液面、静压、连通器、粘度图图 7-1-1 流态化的各种状态流态化的各种状态固定床固定床Fixed bed鼓泡流化床鼓泡流化床Bubble Fludized 湍流床湍流床Turbulent Fluidized 快床快床气流输送气流输送Pneumatic conveying床层膨胀床层膨胀散式流化床散式流化床按按相态相态来分：乳相，泡相来分：乳相，泡相散式散式液固居多、或小颗粒气固液固居多、或小颗粒气固Umf附近附近聚式聚式气固居多、鼓泡床或沸腾床气固居多、鼓泡床或沸腾床 流化床的分类：流化床的分类：组成组成快快床床颗颗粒粒的的径径向向分分布布颗粒含率颗粒含率实际分布实际分布模型分布模型分布0.20.4 0.6高高度度快床快床气流输送气流输送湍流床湍流床 鼓泡流化床鼓泡流化床密度密度图图 7-1-2 各种状态各种状态 流化床沿床高密度变化流化床沿床高密度变化理想流化状态具有以下几个特征：理想流化状态具有以下几个特征：有一个明显的确临界流化速率：当表观速率达有一个明显的确临界流化速率：当表观速率达到临界流化速率时，整个颗粒床层开始流化；到临界流化速率时，整个颗粒床层开始流化；流化床层的压降为一个常数；流化床层的压降为一个常数；流化床层具有稳定的床层界面；流化床层具有稳定的床层界面；流态化床层的空隙率均匀，不因床层的位置而流态化床层的空隙率均匀，不因床层的位置而变化变化 流态化现象的利用流态化现象的利用1.固体粒子输送：比自来水、煤气管困难固体粒子输送：比自来水、煤气管困难1940年石油催化裂化制汽油；年石油催化裂化制汽油；沸腾床焙烧沸腾床焙烧FeS矿；矿；沸腾床烧煤粉（出灰方便）沸腾床烧煤粉（出灰方便）2.细颗粒催化剂的利用细颗粒催化剂的利用消除内扩散；固定床因有消除内扩散；固定床因有P限制不能用限制不能用3.强放热反应强放热反应氧化反应：萘氧化剂制苯酐需熔盐冷却；氧化反应：萘氧化剂制苯酐需熔盐冷却；丙烯氨氧化法制丙烯腈丙烯氨氧化法制丙烯腈 流化床反应器的优点：（流化床反应器的优点：（流态化技术）流态化技术）传热效能高，且床内温度易于维持均匀；传热效能高，且床内温度易于维持均匀；大量固体粒子可方便地往来输送；大量固体粒子可方便地往来输送；由于粒子细，可消除内扩散阻力，充分发挥催由于粒子细，可消除内扩散阻力，充分发挥催化剂的效能。化剂的效能。缺点：缺点：1.CSTR：转化率甚至小于：转化率甚至小于CSTR（气泡短路）（气泡短路）2.颗粒磨损：催化剂要贱，设备要被磨颗粒磨损：催化剂要贱，设备要被磨3.气流出口分离粉尘，回收系统麻烦气流出口分离粉尘，回收系统麻烦4.副反应：副反应：RTD太宽太宽流化床的型式流化床的型式1.自由床自由床2.构件床：构件床：横板：苯氧化制苯酐横板：苯氧化制苯酐垂直：塔型垂直：塔型,指状冷却官指状冷却官3.多段床：煅烧石灰多段床：煅烧石灰4.催化裂化：提升管催化裂化：提升管5.喷动床喷动床(Spout Bed)：粮食加工、干燥：粮食加工、干燥烧烧焦焦罐罐提提升升管管蒸蒸汽汽洗洗脱脱空气空气油气油气空气空气尾气尾气燃料燃料石灰石石灰石予热区予热区分解区分解区热回热回收区收区7.1.2 流化床中的气流化床中的气-固运动固运动7.1.2.1颗粒的流态化性能颗粒的流态化性能图图7-1-3 颗粒分类图颗粒分类图(Geldart)20 50 100 200 500 1000 200010543210.50.2ABCD粒径粒径dp(m)易粘易粘细细粗粗不能稳不能稳定流化定流化正常流化：正常流化：PPmf且有脉动；且有脉动；流化质量：流化均匀性、流化质量：流化均匀性、小幅度、高频率的小幅度、高频率的P波动较好波动较好不正常流化：不正常流化：节涌：小直径床，大颗粒节涌：小直径床，大颗粒 沟流：细颗粒沟流：细颗粒 稀相输送稀相输送（1）临界）临界(起始起始)流化速度流化速度(umf):图图7-1-4 均匀砂粒的压降与气速的关系均匀砂粒的压降与气速的关系指刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流速。指刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流速。Pmax空床流速空床流速U0,m/sUmfUt1 2 3 5 10 20 30 50 100P,mmH2O50030020010050 0 mf流化床流化床固定床固定床夹带开始夹带开始ABC求求Umf：测定床层压降变化的方法；用公式算。：测定床层压降变化的方法；用公式算。处于流化状态时，作用于床层的各力达到平衡，即处于流化状态时，作用于床层的各力达到平衡，即床层压降床层压降 床层截面积床层截面积=床中的固体重床中的固体重-固体所受浮力固体所受浮力固体颗粒、流体的密度，固体颗粒、流体的密度，kg/m3床层空隙率床层空隙率床层高度床层高度真密度真密度 在临界流化状态时，从图可见，固定床的压在临界流化状态时，从图可见，固定床的压降等于流化床的压降，即：降等于流化床的压降，即：此时：此时：Ergun公式：公式：计算计算Umf有几十种公式，但有几十种公式，但 ，不准，不准，dp不均不均一，与床壁有摩擦力，很难计算。一，与床壁有摩擦力，很难计算。简易经验式简易经验式小粒子：小粒子：大粒子：大粒子：P219 mfdp0.70.4（2）带出速度）带出速度ut流体对粒子的流体对粒子的曳力曳力=粒子的重力粒子的重力，粒子就会被，粒子就会被气流带走，此时的气体气流带走，此时的气体空床速度空床速度即带出速度。即带出速度。问题：为什么问题：为什么,临界流化时颗粒也是浮起来临界流化时颗粒也是浮起来颗粒的重力摩擦力颗粒的重力摩擦力UmfUt 属流化区属流化区,此此区内固体有流体的区内固体有流体的表现可为化工操作表现可为化工操作利用。利用。对小颗粒对小颗粒 可达可达90；对大颗粒对大颗粒 可达可达10更大颗粒，流化区很窄，很难操作。更大颗粒，流化区很窄，很难操作。土豆流化土豆流化pout Bed喷床喷床空塔速空塔速U0=Umf 时，膨胀比时，膨胀比R=1，床层高，床层高LmfL0Umf U0Ut 之间，之间，R约为约为1.152之间之间R与与U0，dp，p 有关有关10.11/R10-2 10-1 0.7膨胀后床层空隙率膨胀后床层空隙率例例7-1某催化裂化装置的再生烟气的密度某催化裂化装置的再生烟气的密度 为为:0.733 10-4gcm-1 s-1,催化剂的颗粒密度催化剂的颗粒密度 s为为1.3 gcm-3，其筛分数据如下：，其筛分数据如下：粒径粒径/m 020 2040 4080 80110 110150质量分率质量分率/%0.48 10.52 85 3.86 0.14试计算催化剂的临界流化速度和终端速度。试计算催化剂的临界流化速度和终端速度。解解：（1）催化剂的平均粒径催化剂的平均粒径（2）按）按 计算计算 校核校核Re：（3）计算）计算ut：如果全床空隙率均匀，处于压力最低处的床顶如果全床空隙率均匀，处于压力最低处的床顶粒子将首先被带出，故取最小粒子粒子将首先被带出，故取最小粒子dp=10 m计计算。设算。设ReUb 穿流穿流UfUb 泡内外气体只靠扩散交换泡内外气体只靠扩散交换Uf Umf 时，多余气体的上升要求时，多余气体的上升要求UbU0（空塔气速）（空塔气速）如果没有浮力，只要如果没有浮力，只要U0Umf气泡群仍要上升气泡群仍要上升(后浪推前浪后浪推前浪)(浮力浮力)Ub由二部分推力组成：由二部分推力组成：气泡群的上升速度：气泡群的上升速度：气泡直径：气泡直径：气泡聚并（气泡聚并（Coalescene）分散相聚结）分散相聚结大气泡吞食小气泡（通过大气泡吞食小气泡（通过wake的引力）的引力）床层气泡分率：床层气泡分率：床高度床高度与分布板孔径有关与分布板孔径有关 最大稳定气泡直径：最大稳定气泡直径：如果床层直径足够大（无节涌），则如果床层直径足够大（无节涌），则 因为当因为当U0=Ut 时，尾涡中颗粒上升，气泡时，尾涡中颗粒上升，气泡破裂。破裂。3.气泡云与尾涡气泡云与尾涡当当UbrUf 时，时，式中式中气泡越大，则云越薄气泡越大，则云越薄穿流量：穿流量：气泡云直径气泡云直径Rc：4.气泡中的粒子含量气泡中的粒子含量Rb之值约在之值约在0.0010.01左右，通常忽略不计。左右，通常忽略不计。全部气泡的总体积全部气泡的总体积全体气泡中粒子的体积全体气泡中粒子的体积rb=颗粒的运动：颗粒的运动：所谓气泡运动，实际是颗粒运动的结果所谓气泡运动，实际是颗粒运动的结果 全混：几米直径、几分钟就混合，气泡是床层全混：几米直径、几分钟就混合，气泡是床层的振动源。的振动源。尾涡夹带颗尾涡夹带颗粒上升床面粒上升床面上气泡破裂，上气泡破裂，颗粒下降。颗粒下降。大循环：大循环：小循环：小循环：乳相内、颗粒乳相内、颗粒速度是万向的速度是万向的 气流的循环气流的循环乳相上流气量乳相上流气量Umf，U0Umf 时多余气为气泡流时多余气为气泡流量量Ub，气泡基本上是平推流，但大、小泡上升速度，气泡基本上是平推流，但大、小泡上升速度不一样，泡间有聚结和破裂（有返混）。当床面上不一样，泡间有聚结和破裂（有返混）。当床面上气泡破裂量大时（气泡破裂量大时（U0/Umf6），大量尾涡颗粒向下），大量尾涡颗粒向下降落时所夹带的气流量降落时所夹带的气流量 Umf。气泡区上升气泡区上升乳相区上升乳相区上升回流区颗粒下降回流区颗粒下降泡云区气流循环（反应区在泡云区）泡云区气流循环（反应区在泡云区）