第五节流态化基本原理

1、第五节第五节 流态化基本原理流态化基本原理v固体流态化：颗粒物料与流动的流体接触，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。使颗粒物料呈类似于流体的状态。v流态化技术的应用：流化催化裂化、吸附、流态化技术的应用：流化催化裂化、吸附、干燥、冷凝等。干燥、冷凝等。v流态化技术的优点：连续化操作；温度均匀，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、传热速率高易调节和维持；气、固间传质、传热速率高等。等。一：流态化的形成和转化一：流态化的形成和转化1 1固定床、流化床及稀相输送固定床、流化床及稀相输送 当当气速较小气速较小时，时，催化剂堆紧，催化剂堆

2、紧，为为固定床阶段固定床阶段； 当气速增达到一定程度以后，当气速增达到一定程度以后，床层开始膨胀，床层开始膨胀，为为膨胀膨胀床床； 当当u=uu=umfmf时时，固体粒子被气流悬浮起来做不规则运动，固体粒子被气流悬浮起来做不规则运动，为为流化床阶段流化床阶段； 继续增大气速至继续增大气速至u=uu=ut t，催化剂开始被气流带走，催化剂开始被气流带走，为为稀稀相输送阶段相输送阶段 因此，固体颗粒的流化可根据气速划分成三个阶段：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，固定床阶段，uuuumfmf； 流化床阶段，流化床阶段，u umfmfuuuuuut t 在固定床阶段，气体通

3、过固定床颗粒之间的在固定床阶段，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，空隙时，因有摩擦阻力而产生压降，摩擦阻力与摩擦阻力与气体流速的平方成正比气体流速的平方成正比，故，故uu，床层压降，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：由运动。床层受三个力作用：重力、摩擦力和浮力重力、摩擦力和浮力。对催。对催化剂来说，其摩擦力与床层压降有关化剂来说，其摩擦力与床层压降有关: : 床层体积占的体积床层颗粒之间的空隙所固体颗粒的重量为一定值，即固体颗粒的重量为一定值，即V(1-)V(1-)为一定值为

4、一定值，因此当，因此当气速增大时，气速增大时，VV，但，但V(1-)V(1-)不变，因此，不变，因此，P.FP.F也不变也不变 随着气速上升，所受摩擦阻力增大，当随着气速上升，所受摩擦阻力增大，当u u达到达到u ut t时，催化时，催化剂的浮力比重力大了，催化剂也就被气体带走了剂的浮力比重力大了，催化剂也就被气体带走了)()1 ()1 ()1 (气固气固VVVFP2 2气气- -固流态化域固流态化域 根据流化床中气体的根据流化床中气体的表观气速表观气速不同，床层可以分为几不同，床层可以分为几种不同的流化状态种不同的流化状态: :固定床、散式流化床、鼓泡流化床、固定床、散式流化床、鼓泡流化床、

5、湍动床、快速床和输送床湍动床、快速床和输送床 固定床固定床 散式流化床散式流化床 鼓泡流化床鼓泡流化床 湍动床湍动床 快速床快速床 输送床输送床 二：流化床的一些基本现象二：流化床的一些基本现象1 1散式流化散式流化没有聚集现象，床层界面平稳没有聚集现象，床层界面平稳，随着气速的增大，床层，随着气速的增大，床层的空隙率增大，床层膨胀的空隙率增大，床层膨胀 可以用床高与起始流化时的床高之比可以用床高与起始流化时的床高之比L LB B/L/Lmfmf来表示床层来表示床层的膨胀程度，亦称的膨胀程度，亦称膨胀比膨胀比影响膨胀比的因素有影响膨胀比的因素有固体颗粒的性质和粒径、气体的流固体颗粒的性质和粒径

6、、气体的流速和性质、床径和床高速和性质、床径和床高等等 在催化裂化装置中，催化剂的密相输送就是处于散式流在催化裂化装置中，催化剂的密相输送就是处于散式流化状态化状态2 2鼓泡床的一些基本现象鼓泡床的一些基本现象鼓泡床的固体鼓泡床的固体颗粒不是以单个而是以集团颗粒不是以单个而是以集团进行运动的进行运动的 鼓泡床的床层包括鼓泡床的床层包括气泡相和颗粒相气泡相和颗粒相两部分两部分 气泡的形状气泡的形状 气体返混和固体返混气体返混和固体返混 气泡的形成气泡的形成 气节和沟流气节和沟流图图1图图2 2图图3 3密相床和稀相密相床和稀相在流化床床层的顶部有一个在流化床床层的顶部有一个波动的界面波动的界面，

7、界面以下成为界面以下成为密相床密相床，界面以上的空间称为稀相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的界面逐渐变得不明显 催化剂的夹带催化剂的夹带被固体带到稀相的固体颗粒可以分为被固体带到稀相的固体颗粒可以分为两部分两部分： 细颗粒细颗粒：终端速度低于表观速度：终端速度低于表观速度 较粗颗粒较粗颗粒：终端速度比表观速度大：终端速度比表观速度大 输送分离高度输送分离高度( (分离空间高度分离空间高度

8、) )随着气体离开床面向上运动，沿整个容器截面的速度分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，此时的高度一，等于表观气速，此时的高度( (以床面为基准以床面为基准) )即称为即称为“空间分离高度空间分离高度”或或“输送分离高度输送分离高度” ” 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，些终端速度低于表观气速的细粉，也就是说，在稀相段的在稀相段的颗粒浓度随高度增加而减小颗粒浓度

9、随高度增加而减小，到达输送分离高度以后，颗到达输送分离高度以后，颗粒浓度不再降低粒浓度不再降低 )7 . 0exp()7 . 07 . 2(/23. 036. 0TfTTDuDDTDH4 4快速流化床快速流化床随着气速的增大，当气速达到随着气速的增大，当气速达到u ufpfp时，即进入快速床阶段，时，即进入快速床阶段，此时，此时，必须依靠提高固体颗粒的循环量才能维持床层密度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形成快速流化床的基本前提条件基本前提条件是：是：流化固体是细颗粒；流化固体是细颗粒；气速超过固体颗粒的终端速度，气速超过固体颗粒的终端速度，u ufpfp=3=34

10、 4utut；有一定的循环量，以保证床层有一定的密度。有一定的循环量，以保证床层有一定的密度。快速流化床的快速流化床的特点特点是：是：床层很均匀；床层很均匀；采用气速高、处理量大；采用气速高、处理量大； 气固接触良好气固接触良好 5 5流化床反应器的特点流化床反应器的特点其其优点优点有：有： 由于返混和传热效率高，床层各部分温度较均匀，由于返混和传热效率高，床层各部分温度较均匀，避避免了局部高温免了局部高温现象，对强放热反应现象，对强放热反应( (再生再生) )，可采用较高的反，可采用较高的反应温度以提高反应速度；应温度以提高反应速度； 气气- -固运动很激烈，且固体颗粒的直径很小，因此气固运

11、动很激烈，且固体颗粒的直径很小，因此气固之间的固之间的传质效率高传质效率高，提高了传质步骤的速率，对于扩散控，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；制的化学反应特别有利； 固体处于流化态，具有流体一样的固体处于流化态，具有流体一样的流动性流动性，装卸、输，装卸、输送都很方便；送都很方便； 催化剂在反应器和再生器之间大量循环，催化剂在反应器和再生器之间大量循环，简化了设备，简化了设备，又传送了大量的热量又传送了大量的热量，可以进行自动控制，可以进行自动控制 流化床的流化床的不足之处不足之处主要表现在：主要表现在： 气固接触不充分，因此一般鼓泡床气固接触不充分，因此一般鼓泡床很难达

12、到很高的很难达到很高的转化率转化率； 气固流化床由于返混造成催化剂在床层内气固流化床由于返混造成催化剂在床层内停留时间停留时间不均一不均一； 催化剂在床层中剧烈搅动，造成催化剂在床层中剧烈搅动，造成催化剂颗粒和设备催化剂颗粒和设备磨损磨损； 在生产在生产负荷太低负荷太低的情况下，的情况下，流化床操作难以平稳，流化床操作难以平稳，操作波动大操作波动大 三：提升管中的气三：提升管中的气- -固流动固流动( (垂直管中的稀相输送垂直管中的稀相输送) )气气- -固输送可以根据密度不同而分为稀相输送和密相输送，固输送可以根据密度不同而分为稀相输送和密相输送，通常以通常以100kg/m100kg/m3

13、3为划分界限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。送。在在提升管中提升管中，气，气- -固混合物的密度大约十几到几十千克每立固混合物的密度大约十几到几十千克每立方米，因此属于方米，因此属于稀相输送稀相输送的范围的范围工业装置中，提升管工业装置中，提升管入口线速入口线速一般采用一般采用4.54.57.5m/s7.5m/s, ,在在提升管提升管出口处出口处的气体线速增大到的气体线速增大到8 818m/s18m/s 催化剂

14、的滑落催化剂的滑落 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上升速度总是要比气体速度低些，这种现象称为催化剂，这种现象称为催化剂的滑落的滑落气体线速度气体线速度u uf f与催化剂线速度与催化剂线速度u us s之比则称为滑落系数之比则称为滑落系数 tffsfuuuuu滑落系数1、稀相输送的气体速度、稀相输送的气体速度微球催化剂的微球催化剂的ut约为约为0.6m/s。根据上式。根据上式uf，滑落系数，滑落系数，uf ，滑落系数，滑落系数1，即即us=uf。此时返混。此时返混很少很少 当气体的线速大于当气体的线速大于25

15、m/s时，滑落系数几乎不再变化，其数时，滑落系数几乎不再变化，其数值接近值接近1.0，这时提升管内是平推流，这时提升管内是平推流，返混返混很小，这样大大很小，这样大大减少了二次反应。对分子筛催化剂是有利的。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、稀相输送压力降稀相输送压力降包括如下三部分：稀相输送压力降包括如下三部分：（1）当固体质量）当固体质量GS=0 AB段段只有气体通提升管反应器，单位长度上的压降只有气体通提升管反应器，单位长度上的压降p/L随气速随气速uf的增大而的增大而增大，这是增大，这是p/L主要是流动压降主要是流动压降。 提升管中的气固流动形态提升管中的气固流

16、动形态（2）当固体的质量流速为某一定值）当固体的质量流速为某一定值GS时。时。 所测压降是混合物的密度产生的所测压降是混合物的密度产生的静压降静压降与混合物的与混合物的流动压降之和流动压降之和。 （3）当提高气速时，提升管的密度较小，流动压降占主导地位。）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）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，故总的气速下降而减小，故总的p/L下降。下降。 （5）气速从）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点在继续下降，管内的固体密度急剧增大

17、于是静压增大占主导地位，总占主导地位，总p/L急剧增大。急剧增大。 （6）接近）接近E点时，管内的密度太大，气流不足以支持固粒，因而出现点时，管内的密度太大，气流不足以支持固粒，因而出现腾涌。腾涌。E点的气体线速即称为噎塞速度。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。为了保证提升管内的流动状态，管内气速必须大于噎塞速噎塞速度度。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

18、为噎塞速度为1.5m/S。四：催化剂的循环四：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循环，因为催化剂不仅要周期性的反应和再生以维持一定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中的关键性问题关键性问题 流化催化裂化装置的催化剂循环采用流化催化裂化装置的催化剂循环采用密相输送密相输送的方法，在的方法，在提升管催化裂化装

19、置中是采用提升管催化裂化装置中是采用斜管或立管斜管或立管输送的输送的固体颗粒的密相输送有两种形态：固体颗粒的密相输送有两种形态：粘滑流动粘滑流动: :固体之间互相压紧、阵发性的缓慢向下流动固体之间互相压紧、阵发性的缓慢向下流动 充气流动充气流动: :固体颗粒和气体的相对速度较大，足以使固体固体颗粒和气体的相对速度较大，足以使固体流化起来，气流化起来，气- -固混合物具有流体的性质，可以向任意方向固混合物具有流体的性质，可以向任意方向流动流动 在提升管催化裂化装置中，常在提升管催化裂化装置中，常用斜管进行催化剂输送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

20、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 P1P2 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

21、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5563 ，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

22、化状态下靠静压差产生的推动力，来克服流动时的阻力。2.2.充气流动的压降充气流动的压降气气- -固混合物在流化状态下由固混合物在流化状态下由1 1点流至点流至2 2点时的压降为：点时的压降为： P1 P2 Ph Pa Pf,t Pf,v （1）Ph计算料柱产生的料柱产生的静压差静压差P Ph h=.=.h h( (简称静压简称静压) )，一般有两种计算，一般有两种计算方法：方法：由气体和固体的流量计算由气体和固体的流量计算sgsgVVWWmkg)/(3上式可简化为：上式可简化为：=Ws/Vg 考虑滑落系数考虑滑落系数时：时：=Ws/Vg 由实测压差计算由实测压差计算生产中通常是直接测定两点的生

23、产中通常是直接测定两点的压差压差得到压降，即：得到压降，即：P P1 1-P-P2 2= =P P )(fahppphphpppfa/)(在一般情况下：在一般情况下：pppfa)(上式可简化为：上式可简化为：hp / 称作称作“视密度视密度”；由；由 计算得到的计算得到的P(P(即即) )称作称作“蓄压蓄压” ” )( fapphhp蓄压（2） Pa 是由于速度变化（包括改变运动方向）引起的压降是由于速度变化（包括改变运动方向）引起的压降（3） Pf,t （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：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：如斜管、立管等处。这时的固体线速要高些，一般为为1.22.4 m/s，最小不低于，最小不低于0.6 m/s，否则气体会向上倒窜。，否则气体会向上倒窜。（2）固体向下而气体向上的流动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。：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，如汽提段这