流化床反应器

1、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n流化床反应器的特点及结构流化床反应器的特点及结构 n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 n高速流态化技术高速流态化技术n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n结构分为：n浓相段、稀相段、扩大段、锥底。n内部

2、构件：n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n1.床层温度均匀，避免局部过热。n2.颗粒处于运动状态，表面更新，强化传质。n3.颗粒小，催化剂有效系数高。n4.流化状态，便于操作。n5.传热系数大，换热面积小。n6.生产强度大。n7.返混严重，一次转化率低。n8.颗粒磨损，要求催化剂强度大。n9.对设备磨损严重。观察并思考n1.固体颗粒在床层内怎样运动？n2.流速由小到大产生什么现象？n3.流态化现象可划分几个阶段？n4.研究：流速压力降的关系。n5.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n流态化

3、流态化n流化床反应器的传热过程流化床反应器的传热过程n流化床反应器的计算流化床反应器的计算n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、流态化一、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n固体颗粒象流体一样进行流动的现象。n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。n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。n流态化中的异常现象：沟流、大气泡和腾涌沟流n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

4、处于固定床阶段。大气泡和腾涌n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n1.流速较小，流体从颗粒缝隙通过，床层静止。uP,固定床阶段。n2.流速增加，颗粒吹起， uP不变。n3.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n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n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n确定方法n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

5、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n选择原则n实际生产中流化床操作数据n流化数临操uuk 流化床的压力降n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n平衡时平衡时 重力=浮力+流体阻力n公式推导：式（公式推导：式（3-6）n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n膨胀比n空隙率n关系mfffLLVVR0VoVsVoVsVof1fmfR11二、流化床反应器的传热过程二、流化床反应器的传热过程n（一）流化床传热过程分析n（二）床层与器壁间的传热n（三）流化床内换热器的结构型式n（四）流化

6、床换热器传热面积的计算（一）流化床传热过程分析（一）流化床传热过程分析n（1）床层内固体颗粒之间的传热 n（2）颗粒与流体间的传热 n（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 n操作速度的影响n颗粒直径的影响n挡板挡网的影响 n换热器位置对给热系数的影响n气、固物性对给热系数的影响（四）流化床换热器传热面积的计算（四）流化床换热器传热面积的计算n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 mtKQAmtKQA （三）流化床内换热器的结构型式（三）流化床内换热器的结构型式n列管式换

7、热器：单管式和套管式 n管束式换热器：直列和横列n鼠笼式换热器 n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、流化床反应器的计算三、流化床反应器的计算n（一）流化床直径的计算 n（二）流化床高度的确定流化床直径的计算n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。0vuq4D流化床高度的确定n1流化床层高度(浓相段高度)H0n2分离段高度H1n3扩大段高度H2n4锥底部分高度H3n过滤管出口或旋风分离器入口至床顶高度H4 n流化床总高度 H=H0+H1+H2+H3+H4四、内部构

8、件的选择及参数的确定四、内部构件的选择及参数的确定n（一）气体分布板的计算和预分布器的选择n（二） 挡板和挡网结构参数的确定n（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n气体预分布器气体预分布器n气体分布板气体分布板n挡板和挡网挡板和挡网n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n支撑：床层上的催化剂或载体n分流：使气体分布均匀，造成良好的起始 流化条件 n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n作用：改善流化操作质量 （1）使气泡破碎，增强气固相间接触； （

9、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n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n1.气固为无气泡接触，改善了气固接触效果。n2.气固轴向返混减少。n3.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。n4.气固通量大，传热效果好。（强放热、吸热反应）n5.颗粒的外部循环，可解决催化剂快速失活问题。n6.颗粒团聚倾斜减小，可实现多段进料；设备放大容易。n7.反应器高度增加，投资增大。n8.颗粒的循环系统增加了设计和操作的复杂性。n9.颗粒性质的允许范围受到一定限制。高速流态化的应用n1.提升管催化裂化装置n2.粉煤的高效清洁燃烧n3.磷石膏热分解技术n4.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