第五节--流态化基本原理要点.ppt

第五节流态化基本原理 固体流态化 颗粒物料与流动的流体接触 使颗粒物料呈类似于流体的状态 流态化技术的应用 流化催化裂化 吸附 干燥 冷凝等 流态化技术的优点 连续化操作 温度均匀 易调节和维持 气 固间传质 传热速率高等 一 流态化的形成和转化 1 固定床 流化床及稀相输送 当气速较小时 催化剂堆紧 为固定床阶段 当气速增达到一定程度以后 床层开始膨胀 为膨胀床 当u umf时 固体粒子被气流悬浮起来做不规则运动 为流化床阶段 继续增大气速至u ut 催化剂开始被气流带走 为稀相输送阶段 因此 固体颗粒的流化可根据气速划分成三个阶段 固定床阶段 uut 在固定床阶段 气体通过固定床颗粒之间的空隙时 因有摩擦阻力而产生压降 摩擦阻力与气体流速的平方成正比 故u 床层压降 当床层所受压力达到平衡时 床层被悬浮起来而颗粒自由运动 床层受三个力作用 重力 摩擦力和浮力 对催化剂来说 其摩擦力与床层压降有关 固体颗粒的重量为一定值 即V 1 为一定值 因此当气速增大时 V 但V 1 不变 因此 P F也不变随着气速上升 所受摩擦阻力增大 当u达到ut时 催化剂的浮力比重力大了 催化剂也就被气体带走了 2 气 固流态化域根据流化床中气体的表观气速不同 床层可以分为几种不同的流化状态 固定床 散式流化床 鼓泡流化床 湍动床 快速床和输送床 固定床 散式流化床 鼓泡流化床 湍动床 快速床 输送床 二 流化床的一些基本现象 1 散式流化没有聚集现象 床层界面平稳 随着气速的增大 床层的空隙率增大 床层膨胀可以用床高与起始流化时的床高之比LB Lmf来表示床层的膨胀程度 亦称膨胀比影响膨胀比的因素有固体颗粒的性质和粒径 气体的流速和性质 床径和床高等在催化裂化装置中 催化剂的密相输送就是处于散式流化状态 2 鼓泡床的一些基本现象鼓泡床的固体颗粒不是以单个而是以集团进行运动的鼓泡床的床层包括气泡相和颗粒相两部分 气泡的形状 气体返混和固体返混 气泡的形成 气节和沟流 图1 图2 图3 密相床和稀相在流化床床层的顶部有一个波动的界面 界面以下成为密相床 界面以上的空间称为稀相气速较低时 稀相和密相之间有明显的界面 随着气速的增大 密相床的密度变小而稀相的密度增大 两相之间的界面逐渐变得不明显 催化剂的夹带被固体带到稀相的固体颗粒可以分为两部分 细颗粒 终端速度低于表观速度较粗颗粒 终端速度比表观速度大 输送分离高度 分离空间高度 随着气体离开床面向上运动 沿整个容器截面的速度分布趋于均匀 当气体上升至某个高度时 气体分布达到均一 等于表观气速 此时的高度 以床面为基准 即称为 空间分离高度 或 输送分离高度 能够继续随气体上升至输送分离高度以上的颗粒只是那些终端速度低于表观气速的细粉 也就是说 在稀相段的颗粒浓度随高度增加而减小 到达输送分离高度以后 颗粒浓度不再降低 4 快速流化床随着气速的增大 当气速达到ufp时 即进入快速床阶段 此时 必须依靠提高固体颗粒的循环量才能维持床层密度形成快速流化床的基本前提条件是 流化固体是细颗粒 气速超过固体颗粒的终端速度 ufp 3 4ut 有一定的循环量 以保证床层有一定的密度 快速流化床的特点是 床层很均匀 采用气速高 处理量大 气固接触良好 5 流化床反应器的特点其优点有 由于返混和传热效率高 床层各部分温度较均匀 避免了局部高温现象 对强放热反应 再生 可采用较高的反应温度以提高反应速度 气 固运动很激烈 且固体颗粒的直径很小 因此气固之间的传质效率高 提高了传质步骤的速率 对于扩散控制的化学反应特别有利 固体处于流化态 具有流体一样的流动性 装卸 输送都很方便 催化剂在反应器和再生器之间大量循环 简化了设备 又传送了大量的热量 可以进行自动控制 流化床的不足之处主要表现在 气固接触不充分 因此一般鼓泡床很难达到很高的转化率 气固流化床由于返混造成催化剂在床层内停留时间不均一 催化剂在床层中剧烈搅动 造成催化剂颗粒和设备磨损 在生产负荷太低的情况下 流化床操作难以平稳 操作波动大 三 提升管中的气 固流动 垂直管中的稀相输送 气 固输送可以根据密度不同而分为稀相输送和密相输送 通常以100kg m3为划分界限在催化裂化装置中 催化剂大型加料线 大型卸料线 小型加料和卸料线 稀相提升管和提升管反应器均属于稀相输送 在提升管中 气 固混合物的密度大约十几到几十千克每立方米 因此属于稀相输送的范围 工业装置中 提升管入口线速一般采用4 5 7 5m s 在提升管出口处的气体线速增大到8 18m s催化剂的滑落催化剂颗粒在提升管中是被油气携带上去的 它的上升速度总是要比气体速度低些 这种现象称为催化剂的滑落气体线速度uf与催化剂线速度us之比则称为滑落系数 1 稀相输送的气体速度 微球催化剂的ut约为0 6m s 根据上式uf 滑落系数 uf 滑落系数 1 即us uf 此时返混很少 当气体的线速大于25m s时 滑落系数几乎不再变化 其数值接近1 0 这时提升管内是平推流 返混很小 这样大大减少了二次反应 对分子筛催化剂是有利的 2 稀相输送压力降 稀相输送压力降包括如下三部分 1 当固体质量GS 0AB段只有气体通提升管反应器 单位长度上的压降 p L随气速uf的增大而增大 这是 p L主要是流动压降 提升管中的气 固流动形态 2 当固体的质量流速为某一定值GS时 所测压降是混合物的密度产生的静压降与混合物的流动压降之和 3 当提高气速时 提升管的密度较小 流动压降占主导地位 4 当气速下降时 静压虽然由于密度增大而增大 但摩擦压降却因气速下降而减小 故总的 p L下降 5 气速从D点在继续下降 管内的固体密度急剧增大于是静压增大占主导地位 总 p L急剧增大 6 接近E点时 管内的密度太大 气流不足以支持固粒 因而出现腾涌 E点的气体线速即称为噎塞速度 对于较大的固体质量流速 此转折点出现在较高的气速处 如图GS2 为了保证提升管内的流动状态 管内气速必须大于噎塞速度 噎塞速度与催化剂的筛分组成颗粒密度等物性有关 微球的噎塞速度为1 5m S 四 催化剂的循环 流化催化裂化的反应器和再生器之间必须有大量的催化剂循环 因为催化剂不仅要周期性的反应和再生以维持一定的活性水平 而且还要起到取热和供热的热载体的作用能否实现稳定的催化剂循环 是催化裂化装置设计和生产中的关键性问题流化催化裂化装置的催化剂循环采用密相输送的方法 在提升管催化裂化装置中是采用斜管或立管输送的 固体颗粒的密相输送有两种形态 粘滑流动 固体之间互相压紧 阵发性的缓慢向下流动充气流动 固体颗粒和气体的相对速度较大 足以使固体流化起来 气 固混合物具有流体的性质 可以向任意方向流动 在提升管催化裂化装置中 常用斜管进行催化剂输送 1密相输送基本原理 盛有水的U型管 右侧有加热器 使该处的水受热而汽化 U型管的两端顶部均为大气压P0 取阀门两侧的同一高度1 2两点 阀门关闭时 两点的压强 1点 P1 h 水 P0 2点 P2 h1 汽 h2 水 P0比较两式 汽 水故P1 P2当阀门打开时 水就会场从管的左边流向管的右边 流动时的推动力为两端的静压力差p1 p2在实际流动中 同时存在流动阻力 只有推动力 阻力时 流动才可以实现 在流化床反应器中催化剂就是根据这样的原理进行输送的 斜管输送 催化剂在斜管的输送也是这样的原理 不论是哪种催化裂化仍要满足 推动力 阻力 设计时为了给单动滑阀一定的调节余量 使调节阀有0 3kPa的压降 通过调节阀的开度可以改变压力 改变催化剂的流量 催化剂的休止角 由小孔流出的固体颗粒在下面形成一个锥体 锥体斜面与水平面的夹角叫休止角 当固体颗粒在倾斜角小于休止角时 固体颗粒留在上面不会落下 休止角越小越易流化因此 催化剂斜管输送时必须大于休止角 工业装置斜管与水平线夹角一般为55 63 远大于休止角 内摩擦角 催化剂颗粒从储罐孔口向下流出时 在孔口周围有一个静止不动的死区 流动部分和静止有一个明显的圆锥分界区 圆锥周边和水平面形成的夹角成为内摩擦角 f 颗粒的内摩擦角越小越易流动微球裂化催化剂的 f约为79 密相输送与稀相输送的基本区别 密相输送 催化剂颗粒不被气体加速 而是在少量气体松动的流化状态下靠静压差产生的推动力 来克服流动时的阻力 2 充气流动的压降 气 固混合物在流化状态下由1点流至2点时的压降为 P1 P2 Ph Pa Pf t Pf v 1 Ph计算料柱产生的静压差 Ph h 简称静压 一般有两种计算方法 由气体和固体的流量计算 上式可简化为 Ws Vg 考虑滑落系数 时 Ws Vg 由实测压差计算生产中通常是直接测定两点的压差得到压降 即 P1 P2 P 在一般情况下 上式可简化为 称作 视密度 由 计算得到的 P 即 称作 蓄压 2 Pa 是由于速度变化 包括改变运动方向 引起的压降 3 Pf t 气 固混合物在管路中流动时产生的压降 4 Pf v 催化剂流经滑阀时产生的压降 催化剂输送管路 催化剂在各段循环管路中都属于充气流动状态进行密相输送 但随气固运动方向的不同 输送特点又有显著区别 1 气固同时向下流动 如斜管 立管等处 这时的固体线速要高些 一般为1 2 2 4m s 最小不低于0 6m s 否则气体会向上倒窜 2 固体向下而气体向上的流动 如溢流罐 脱气罐 料腿 汽提段等处 这些地方希望脱气好 因而要求催化剂下流速度很低 如汽提段 0 1m s 溢流罐 0 24m s 料腿 0 76m s 以利于气体向上流动和高密度的催化剂顺利向下流动 3 固体和气体同时向上流动 如预提升管 这