流化床反应器课件

第七章

流化床反应器

流化床中的两相运动

流化床中的传热和传质

流化床反应器的模拟和放大

第七章 流化床反应器流化床中的两相运动17.1流化床中的两相运动

概述

颗粒的流化特性

特征流速

气泡及其行为

分布板与内部构件

乳相动态

颗粒的带出和扬析

7.1流化床中的两相运动概述2一、概述

床层颗粒运动形态

流体自下而上流过床层，改变流体流速，床层颗粒的运动形态的变化会有如下几种情形

固定床

起始流化

散式流化（膨胀床）

聚式流化（鼓泡床）

节涌床

湍流床

气流输送

一、概述床层颗粒运动形态3流化床反应器课件4床层的划分依据颗粒浓度，分为上下两部分上部：稀相床

下部：密相床/浓相床流化床反应器的优点

传热效能高，床内温度易控制用于氧化、裂解、焙烧、干燥等过程

大量固体颗粒可方便地往来运输用于催化裂化

粒子细，可消除内扩散阻力，充分发挥催化剂的效能

床层的划分5流化床反应器的缺点

气流状况不均，有大量气泡产生，气-固两相接触不够有效，达到高转化率较困难

粒子运动全混式，停留时间不均一，以粒子为加工对象时，产品质量不一

粒子磨损，带出造成粒子损失，需加旋风分离器等粒子回收系统

流化床反应器的缺点6二、颗粒的流化特性

Geldart颗粒分类法

以颗粒密度、粒径划分；

A、B：适用于流化，A类颗粒流化性能最好。

A：100~500μm，0.2~0.4g/cm3

B：200~2000μm，0.5~5g/cm3

C：颗粒过细，粒间有粘附性，易沟流，不适用于流化；

dp<50μm，ρp<2g/cm3

D：颗粒过大，适用于喷动床；

dp>1000μm，ρp>0.5g/cm3

二、颗粒的流化特性Geldart颗粒分类法7流化床反应器课件8三、特征流速

起始流化速度（最小流化速度）

指刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流速

采用测定床层压降变化的方法来确定三、特征流速起始流化速度（最小流化速度）9起始流化速度（最小流化速度）流化床的压降计算公式起始流化速度计算公式

对小粒子，左侧第一项可忽略对大粒子，左侧第二项可忽略

起始流化速度（最小流化速度）10起始流化速度（最小流化速度）起始流化速度计算公式床层空隙率εmf和颗粒形状系数φs查表或查图得到近似地取：由此，前面的三个方程式可写为对小粒子对大粒子上述各式中，计算结果需用来检验起始流化速度（最小流化速度）11流化床反应器课件12带出速度

当气速增大到某一定值时，流体对粒子的曳力与粒子的重力相等，则粒子就会被气流带走。这一速度称为带出速度（或称终端速度），与粒子的自由沉降速度

粒子的力平衡

CD称为曳力系数对球形粒子带出速度CD称为曳力系数13带出速度对球形粒子而对非球形粒子：上述各式中，计算结果需用来检验带出速度14操作气速一般而言，流化床的操作气速范围为：对细粒子

对大粒子可见，一般，取流化数

可取

操作气速15四、气泡及其行为

气泡结构

气泡气泡相（气泡+气泡云+尾涡）或（气泡+气泡晕）

气泡以外的密相床乳（浊）相

四、气泡及其行为气泡结构16流化床反应器课件17气泡速度和大小

单个

气泡群

床径、分布板对ub有影响气泡大小气泡速度和大小18气泡云与尾涡气泡云相对厚度二维床三维床式中，Rc、Rb分别为气泡云和气泡的半径。尾涡体积全部气泡占床层的体积分率气泡云与尾涡19流化床反应器课件20气泡中的粒子含量（粒子体积与气泡体积之比）气泡中

可忽略不计

气泡晕中

乳相中：粒子体积与气泡体积之比re满足：

气泡中的粒子含量21五、分布板与内部构件

分布板

分布板设计的好坏对于流化床的操作有很大的影响

型式

单层的筛板、凹形筛板、多层筛板、夹层填料、管式分布器、泡帽、侧缝锥帽

分布板影响区

气体从分布板上的气孔中流出来时，由于气速很高，可能形成一股喷射流，使得在近分布板区，气-固接触剧烈，传热、传质速率高，因此，反应转化快一般认为，其影响范围大致在250mm的高度左右五、分布板与内部构件分布板22流化床反应器课件23分布板分布板的设计为了保证流化均匀而稳定，分布板需有足够高的压降，一般取通常分布板开孔率取：~1%；设计过程分布板24流化床反应器课件25内部构件垂直管、水平管、多孔板、水平挡网、斜片百叶窗挡板等

内部构件26六、乳相动态

颗粒全混式

气流气泡区、泡晕区、上流区、回流区

六、乳相动态颗粒27流化床反应器课件28流化床反应器课件29流化床反应器课件30七、颗粒的带出和扬析

扬析

气流连续通过床层时，床层内那些带出速度小于操作气速的颗粒将不断被带出去的现象扬析速度扬析常数

七、颗粒的带出和扬析扬析31流化床反应器课件32扬析常数实验关联式沉降分离高度（T.D.H.）

流化床内，扬析的粒子浓度随床层高度的位置变化而变化，当达到某一高度后，能够被重力分离下来的颗粒都已沉析下来，只有带出速度小于操作气速的颗粒才会一直被带走，因此，以上区域颗粒的含量接近于恒定，这一高度称为(沉降)分离高度(T.D.H.)这一高度就是旋风分离器的第一级入口位置

扬析常数33流化床反应器课件34扩大段在流化床顶部安装一个扩大段，使气速降低，让更多的粒子沉析下来，从而减轻了旋风分离器的负荷

旋风分离器

扩大段35流化床反应器课件367.2流化床中的传热和传质

床层与外壁间的给热

床层与浸没于床内的换热面之间的给热

垂直管

水平管

颗粒与流体间的传质

气泡与乳相间的传质

7.2流化床中的传热和传质床层与外壁间的给热37流化床反应器课件38流化床反应器课件397.3流化床反应器的模拟和放大

数学模型

常见模型两相模型：气相-乳相；上流相（气+固）-下流相（气+固）；

气泡相-乳相；

三相模型：气泡相-上流相（气+固）-下流相（气+固）；气泡相-气泡云-乳相；

四区模型：气泡区-泡晕区-乳相上流区-乳相下流区

流动模式气相：平推流

乳相：平推流、全混流、部分返混流、环流、或对其流动模式不加考虑等

7.3流化床反应器的模拟和放大数学模型40流化床反应器课件41流化床反应器的开发与放大

催化剂性能

操作条件

床层结构

流化床反应器的开发与放大42第七章

流化床反应器

流化床中的两相运动

流化床中的传热和传质

流化床反应器的模拟和放大

第七章 流化床反应器流化床中的两相运动437.1流化床中的两相运动

概述

颗粒的流化特性

特征流速

气泡及其行为

分布板与内部构件

乳相动态

颗粒的带出和扬析

7.1流化床中的两相运动概述44一、概述

床层颗粒运动形态

流体自下而上流过床层，改变流体流速，床层颗粒的运动形态的变化会有如下几种情形

固定床

起始流化

散式流化（膨胀床）

聚式流化（鼓泡床）

节涌床

湍流床

气流输送

一、概述床层颗粒运动形态45流化床反应器课件46床层的划分依据颗粒浓度，分为上下两部分上部：稀相床

下部：密相床/浓相床流化床反应器的优点

传热效能高，床内温度易控制用于氧化、裂解、焙烧、干燥等过程

大量固体颗粒可方便地往来运输用于催化裂化

粒子细，可消除内扩散阻力，充分发挥催化剂的效能

床层的划分47流化床反应器的缺点

气流状况不均，有大量气泡产生，气-固两相接触不够有效，达到高转化率较困难

粒子运动全混式，停留时间不均一，以粒子为加工对象时，产品质量不一

粒子磨损，带出造成粒子损失，需加旋风分离器等粒子回收系统

流化床反应器的缺点48二、颗粒的流化特性

Geldart颗粒分类法

以颗粒密度、粒径划分；

A、B：适用于流化，A类颗粒流化性能最好。

A：100~500μm，0.2~0.4g/cm3

B：200~2000μm，0.5~5g/cm3

C：颗粒过细，粒间有粘附性，易沟流，不适用于流化；

dp<50μm，ρp<2g/cm3

D：颗粒过大，适用于喷动床；

dp>1000μm，ρp>0.5g/cm3

二、颗粒的流化特性Geldart颗粒分类法49流化床反应器课件50三、特征流速

起始流化速度（最小流化速度）

指刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流速

采用测定床层压降变化的方法来确定三、特征流速起始流化速度（最小流化速度）51起始流化速度（最小流化速度）流化床的压降计算公式起始流化速度计算公式

对小粒子，左侧第一项可忽略对大粒子，左侧第二项可忽略

起始流化速度（最小流化速度）52起始流化速度（最小流化速度）起始流化速度计算公式床层空隙率εmf和颗粒形状系数φs查表或查图得到近似地取：由此，前面的三个方程式可写为对小粒子对大粒子上述各式中，计算结果需用来检验起始流化速度（最小流化速度）53流化床反应器课件54带出速度

当气速增大到某一定值时，流体对粒子的曳力与粒子的重力相等，则粒子就会被气流带走。这一速度称为带出速度（或称终端速度），与粒子的自由沉降速度

粒子的力平衡

CD称为曳力系数对球形粒子带出速度CD称为曳力系数55带出速度对球形粒子而对非球形粒子：上述各式中，计算结果需用来检验带出速度56操作气速一般而言，流化床的操作气速范围为：对细粒子

对大粒子可见，一般，取流化数

可取

操作气速57四、气泡及其行为

气泡结构

气泡气泡相（气泡+气泡云+尾涡）或（气泡+气泡晕）

气泡以外的密相床乳（浊）相

四、气泡及其行为气泡结构58流化床反应器课件59气泡速度和大小

单个

气泡群

床径、分布板对ub有影响气泡大小气泡速度和大小60气泡云与尾涡气泡云相对厚度二维床三维床式中，Rc、Rb分别为气泡云和气泡的半径。尾涡体积全部气泡占床层的体积分率气泡云与尾涡61流化床反应器课件62气泡中的粒子含量（粒子体积与气泡体积之比）气泡中

可忽略不计

气泡晕中

乳相中：粒子体积与气泡体积之比re满足：

气泡中的粒子含量63五、分布板与内部构件

分布板

分布板设计的好坏对于流化床的操作有很大的影响

型式

单层的筛板、凹形筛板、多层筛板、夹层填料、管式分布器、泡帽、侧缝锥帽

分布板影响区

气体从分布板上的气孔中流出来时，由于气速很高，可能形成一股喷射流，使得在近分布板区，气-固接触剧烈，传热、传质速率高，因此，反应转化快一般认为，其影响范围大致在250mm的高度左右五、分布板与内部构件分布板64流化床反应器课件65分布板分布板的设计为了保证流化均匀而稳定，分布板需有足够高的压降，一般取通常分布板开孔率取：~1%；设计过程分布板66流化床反应器课件67内部构件垂直管、水平管、多孔板、水平挡网、斜片百叶窗挡板等

内部构件68六、乳相动态

颗粒全混式

气流气泡区、泡晕区、上流区、回流区

六、乳相动态颗粒69流化床反应器课件70流化床反应器课件71流化床反应器课件72七、颗粒的带出和扬析

扬析

气流连续通过床层时，床层内那些带出速度小于操作气速的颗粒将不断被带出去的现象扬析速度扬析常数

七、颗粒的带出和扬析扬析73流化床反应器课件74扬析常数实验关联式沉降分离高度（T.D.H.）

流化床内，扬析的粒子浓度随床层高度的位置变化而变化，当达到某一高度后，能够被重力分离下来的颗粒都已沉析下来，只有带出速度小于操作气速的颗粒才会一直被带走，因此，以上区域颗粒的