反应过程与技术 流化床反应器.pdf

第三章第三章流化床反应器流化床反应器 知识目标知识目标 能力目标能力目标 教学内教学内容 ?流化床反应器的特点及结构流化床反应器的特点及结构 ?流化床反应器的生产原理流化床反应器的生产原理 (1)流态化的形成流态化的形成 (2)流化床反应器的传热过程流化床反应器的传热过程 (3)流化床反应器的计算流化床反应器的计算 ?高速流态化技术高速流态化技术 ?流化床反应器的操作指导流化床反应器的操作指导 第一节第一节 流化床反应器的特点及结构流化床反应器的特点及结构 定义：原料气以一定的流动速度 使催化剂呈悬浮湍动，并在催 化剂作用下进行化学反应的设 备。 流化床基本结构 ?结构分为： ?浓相段、稀相段、扩大 段、锥底。 ?内部构件： ?气体分布板、换热装置、 气固分离装置、挡板档 网、气体预分布器等。 流化床反应器的特点 ?1.床层温度均匀，避免局部过热。 ?2.颗粒处于运动状态，表面更新，强化传质。 ?3.颗粒小，催化剂有效系数高。 ?4.流化状态，便于操作。 ?5.传热系数大，换热面积小。 ?6.生产强度大。 ?7.返混严重，一次转化率低。 ?8.颗粒磨损，要求催化剂强度大。 ?9.对设备磨损严重。 观察并思考 ?1.固体颗粒在床层内怎样运动？ ?2.流速由小到大产生什么现象？ ?3.流态化现象可划分几个阶段？ ?4.研究：流速压力降的关系。 ?5.流体分别为气体和液体时，流化现象有何 不同？ 第二节第二节 流化床内的生产原理流化床内的生产原理 ?流态化流态化 ?流化床反应器的传热过程流化床反应器的传热过程 ?流化床反应器的计算流化床反应器的计算 ?内部构件的选择及参数的内部构件的选择及参数的 确定确定 一一、流态化流态化 （一）流态化的形成 （二）散式流态化和聚式流态化 （三）流化床中常见的异常现象 （四）流化速度 （五）膨胀比和空隙率 （六）流化床的压力降 流态化 ?固体颗粒象流体一样进行流动的现象。 ?散式流态化： 液固系统，两者密度相差不大，流速 增大时波动小，粒子分布均匀。 ?聚式流态化： 气固系统，两者密度相差较大，流速 增大时，出现很大不稳定。 ?流态化中的异常现象：沟流、大气泡和腾涌 沟流 ?操作速度大于临界 流化速度时，床层 内只形成一条或几 条狭窄的通道，大 部分床层仍处于固 定床阶段。 大气泡和腾涌 ?聚式流化床中生成的 气泡在上升中不断碰 撞合并而增大，至接 近容器直径，床内物 料呈活塞状向上运动， 床层被分成一段或几 段。 p u 流态化的形成 ?1.流速较小，流体从颗粒 缝隙通过，床层静止。 up,固定床阶段。 ?2.流速增加，颗粒吹起， up不变。 ?3.流速继续增加，颗粒被 带出床层，空隙率增加， up,输送床阶段。 临界流化速度u临 ?特征： 因为u操u临流化床阶段 所以u临时，p固= p流 确定方法 ：半经验公式 带出速度u带 ?操作速度大于带出速度时，催化剂颗粒将 被带出流化床反应器 ?确定方法 ?注意注意 原则上：临界流化速度操作速度带出速度 实际上：往往偏离这个范围。有些工业反应 器操作速度大于带出速度时，颗粒夹带并 不严重。 操作速度的确定 ?选择原则 ?实际生产中流化床操作数据 ?流化数 临 操 u u k = 流化床的压力降 ?颗粒悬浮静止时受力颗粒悬浮静止时受力 向下：重力 向上：浮力、流体阻力 ?平衡时平衡时 重力=浮力+流体阻力 ?公式推导公式推导：式式（3-6） ?说明说明：床层压力降与流速无关 超过带出速度时，空隙率增大、压力降减 小。 膨胀比和空隙率 ?膨胀比 ?空隙率 ?关系 mf ff l l v v r= 0 vo vs vo vsvo f = =1 f mf r = 1 1 二二、流化床反应器的传热过程流化床反应器的传热过程 ?（一）流化床传热过程分析 ?（二）床层与器壁间的传热 ?（三）流化床内换热器的结构型式 ?（四）流化床换热器传热面积的计算 （一一）流化床传热过程分析流化床传热过程分析 ?（1）床层内固体颗粒之间的传热 ?（2）颗粒与流体间的传热 ?（3）床层与器壁或换热器表面的传热 （二）床层与器壁间的传热 床层对器壁给热系数分析床层对器壁给热系数分析 ?操作速度的影响 ?颗粒直径的影响 ?挡板挡网的影响 ?换热器位置对给热系数的影响 ?气、固物性对给热系数的影响 （四四）流化床换热器传热面积的计算流化床换热器传热面积的计算 ?式中 a传热面积，m2； q传热速率，w； k总传热系数，w/m2k； tm平均传热温度差，k m tk q a = m tk q a = （三三）流化床内换热器的结构型式流化床内换热器的结构型式 ?列管式换热器：单管式和套管式 ?管束式换热器：直列和横列 ?鼠笼式换热器 ?蛇管式换热器 列管式换热器：单管式 列管式换热器：套管式 立式管束式 横排管束式换热器 鼠笼式换热器 蛇管式换热器 三三、流化床反应器的计算流化床反应器的计算 ?（一）流化床直径的计算 ?（二）流化床高度的确定 流化床直径的计算 ?式中式中 d反应器直径，m； qv操作条件下的气体体积流量，m3/s； u0操作空床气速，m/s。 0 v u q4 d = 流化床高度的确定 ?1流化床层高度(浓相段高度)h0 ?2分离段高度h1 ?3扩大段高度h2 ?4锥底部分高度h3 ?过滤管出口或旋风分离器入口至床 顶高度h4 ?流化床总高度 h=h0+h1+h2+h3+h4 四四、内部构件的选择及参数的确定内部构件的选择及参数的确定 ?（一）气体分布板的计算和预分布器的选择 ?（二） 挡板和挡网结构参数的确定 ?（三）气固分离装置结构参数的确定 流化床反应器的内部结构流化床反应器的内部结构 ?气体预分布器气体预分布器 ?气体分布板气体分布板 ?挡板和挡网挡板和挡网 ?旋风分离器旋风分离器 弯管式预分布器 同心圆壳式分布器 帽式分布器 充填式分布器 开口式分布器 气体分布板的作用 ?支撑：床层上的催化剂或载体 ?分流：使气体分布均匀，造成良好的起 始 流化条件 ?导向：抑制气固恶性聚式流态化 凹型筛孔板 直孔筛板 直孔泡帽分布板 单个直孔泡帽 挡板 ?作用：改善流化操作质量 （1）使气泡破碎，增强气固相间接触； （2）减少气体返混 （3）提高流化床反应器的转化率（或生产 能力） 内旋挡板 外旋挡板 多旋挡板 第三节第三节高速流态化技术高速流态化技术 提高速度后的流态化现象 ?气固并流上行快速流化床 高速流态化与传统流态化的比较 比较传统流化床高速流化床 气速m/s0.11.51.516 颗粒直径mm0.0530.050.5 空隙率0.60.80.850.98 气体返混部分返混返混大大减少 高速流态化的优缺点 ?1.气固为无气泡接触，改善了气固接触效果。 ?2.气固轴向返混减少。 ?3.操作速度提高，停留时间可缩短至毫秒级，特殊适合于以 裂解为代表的快速反应过程。 ?4.气固通量大，传热效果好。（强放热、吸热反应） ?5.颗粒的外部循环，可解决催化剂快速失活问题。 ?6.颗粒团聚倾斜减小，可实现多段进料；设备放大容易。 ?7.反应器高度增加，投资增大。 ?8.颗粒的循环系统增加了设计和操作的复杂性。 ?9.颗粒性质的允许范围受到一定限制。 高速流态化的应用 ?1.提升管催化裂化装置 ?2.粉煤的高效清洁燃烧 ?3.磷石膏热分解技术 ?4.烃类选择性氧化反应 快速循环流化床锅炉 小 结 流 化 床 反 应 技 术 流态化聚式流态化 生产原理 形成过程 散式流态化 分布板开孔率 高速流态化 反应器结构 反应器计算 反应器的传质 反应器的传热 计算umf、ut 膨胀比、空隙率 床层压降 床层结构尺寸 型式、直径、高度 异常现象：大气泡、腾涌 换热