《化学反应过程与设备》课件-项目六 流化床反应器操作与控制

化学反应过程与设备项目六流化床反应器操作与控制任务1认识流化床反应器项目六1、釜式反应器的基本结构固体流态化1乙烯和丙烯是石油化工的基础原料，用于生产塑料、合成橡胶、纤维等产品，传统上依赖石油裂解制备。中国“富煤、贫油、少气”的能源结构决定了这种方法的局限性。刘中民院士团队开发的DMTO技术通过煤制甲醇再制烯烃，为中国提供了一条“煤代油”的化工路径，减少原油进口依赖。这项技术就是通过流化床反应器实现煤基甲醇到烯烃的高效转化，使我国煤化工技术全球领先。认识流化床反应器以一定的流动速度使固体催化洲颗粒呈悬浮湍动，并在催化剂作用下进行化学反应的设备称为气-固相流化床催化反应器(常简称为流化床)，它是气固相催化反应常用的一种反应器。认识流化床反应器流化床反应器将固体颗粒悬浮于运动的流体中，使颗粒具有类似于流体的某些宏观特性，这种流固接触状态称为固体流态化。利用这种流体与固体间的接触方式实现生产过程的操作，称为流态化技术。认识流化床反应器固体流态化设有一圆筒形容器，下部装有一块流体分布板，分布板上堆积固体颗粒，当流体自下而上通过固体颗粒床层时，随着流体的表观流速变化，床层会出现不同的现象。认识流化床反应器以气、液两种流体流化介质。这种床型自二十世纪七十年代有报道以来发展很快，在化工和生物化工领域中有较好的应用前景。以气体为流化介质。目前应用最为广泛，如各种气固相反应、物料干燥等。以液体为流化介质。这类床问世较早，但不如气固流化床应用广泛。多见于流态化浸取和洗涤、湿法治金等。液固流化床三相流化床气固流化床1.按照流化介质分类认识流化床反应器当流体以足够大的流速流经固体颗粒时，固体颗粒在流体中均匀地、平稳相地膨胀，形成一种稳定的、波动小的、均匀的床相层。这种流化态称为散式流态化。散式流态化2.按照流态化状态分类：散式流态化、聚式流态化特点：①在流化过程中有一个明显的临界流态化点和临界流化速度；②流化床层的压降是一个常数；③床层有一个平稳的上界面；④流体流速增大时，也看不到明显的鼓泡或不均匀现象。认识流化床反应器当流体为气体时，以超过临界流化速度经过固体颗粒床层时，有一部分气体以气泡形式通过床层，气泡在上升的过程中不断聚集，引起整个床层的波动。上升的气泡把部分颗粒带至床面，气泡随之破裂。整个流化床由于不断有气泡产生和破裂，床层并不稳定，颗粒也不均匀。这种流态化称为聚式流态化。聚式流态化2.按照流态化状态分类：散式流态化、聚式流态化特点：当流速大于临界流化速度后，流体不是均匀地流过颗粒床层，一部分流体不与固体混合就短路流过床层。如气固系统，气体以气泡形式流过床层，气泡在床层中上升和聚并，引起床层的波动。聚式流化床大多是气固流化床。认识流化床反应器化学反应过程与设备项目二

釜式反应器操作与控制

任务1认识流化床反应器项目六1、釜式反应器的基本结构流化床反应器的结构1流化床反应器的主体部分，一般由耐磨性强的不锈钢做成。为了抵抗固体小颗粒的磨蚀，有些反应器里面内衬高耐磨性材料。壳体的下部开有气体入口，上部开有气体出口，侧面开有固相入口和出口。另外，为了除尽残留的固体颗粒，有些反应器在顶部开有空气吹净入口。

按床层中的介质密度分布分为浓相段(有效体积)和稀相段，底部设有锥底，有些流化床的上部还设有扩大段，用以增强固体颗粒的沉降。认识流化床反应器1.壳体流化床的气体分布板是保证流化床具有良好而稳定流态化的重要构件，它应该满足下列基本要求。①具有均匀分布气流的作用，同时其压降要小。这可以通过正确选取分布板的开孔率以及选取适当的预分布手段来达到。②能使流化床有一个良好的起始流态化状态，避免形成“死角”。气体流出分布板的一瞬间的流型和湍动程度，从结构和操作参数上予以保证。③操作过程中不易被堵塞和磨蚀。认识流化床反应器2.气体分布装置分布板对整个流化床的直接作用范围仅0.2~0.3m，然而它对整个床层的流态化状态却具有决定性的影响。在生产过程中，常常会由于分布板设计不合理，气体分布不均匀，造成沟流和死区等异常现象。气体分布装置位于反应器底部，有气体预分布器和气体分布板两部分。它的作用是使气体均匀分布，形成良好的初始流化条件，同时支撑固体催化剂颗粒。气体预分布器通常是一个倒锥形的气室，气体自侧向进人气体预分布器，在气室内进行粗略的重整。常用的气体预分布器的结构有三种：充填式预分布器、开口式预分布器、弯管式预分布器。认识流化床反应器2.气体分布装置气体分布板位于预分布器的上部，气体在预分布器里粗略地重整后进入气体分布板。气体分布板进一步把气体分布均匀，使气体形成一个良好的起始流化状态，创造一个良好的气固相接触条件。工业生产用的气体分布板的形式很多，主要有密孔板，直流式、侧流式和填充式分布板，旋流式喷嘴和短管式分布板、多管式气流分布器等，每种形式又有各种不同结构。认识流化床反应器2.气体分布装置内部构件一般设置在浓相段，主要用来破碎气体在床层中产生的大气泡，增大气固相间的接触机会；减少返混，从而增加反应速率和提高转化率。内部构件包括挡网、挡板和填充物等。认识流化床反应器3.内部构件利用流化床反应器进行工业生产的特点之一是物料在反应器内传热速率大、温度相对均匀，所以对于同样的反应，流化床反应器所需要的换热装置要比固定床反应器中的换热装置小得多。但为了更好地为反应移出或供给热量，进一步维持反应器中的温度均匀，流化床反应器多采用换热装置。常用的换热装置有两种：夹套式换热器和内管式換热器。认识流化床反应器4.换热装置夹套式换热器：在流化床反应器主体部分焊接或安装一夹套层，这样便在夹套与器壁之间形成一层密闭的空间，冷热流体通过此空间加热或冷却反应器。夹套式换热器传热的特点是传热速率稳定，传热面积大，能大幅度移出或供给反应器内壁的热量。对于一些反应热不是太大的反应可采用夹套式换热装置。流化床反应器的外壳部分不像釜式反应器的外壳规则，安装夹套不太方便，夹套式换热装置在流化床反应器中应用并不广泛。内管式换热器是流化床反应器中应用较多的一种换热装置。内管式换热器的形式比较多，常见的有列管式、蛇管式、U形管式等。认识流化床反应器4.换热装置列管式换热器的结构比较简单、紧凑，造价便宜，但管外不能机械清洗。蛇管式换热器是将金属弯管绕成各种与反应器内壁相适应的形状，具有结构简单和不存在热补偿问题的优点，缺点是换热效果差，对床层的流态化质量有一定的影响。U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。它的缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，对催化剂损害小。认识流化床反应器4.换热装置流化床反应器中一般发生的是气固相反应。在流化床反应器的上部（即稀相段），细小的颗粒会被气体带出反应器。如果固体颗粒是催化剂，会造成催化剂损失，必须把催化剂返送到反应器中以保证反应的正常进行。另外，颗粒被上升气流带出还会影响产品的纯度。所以在反应器的顶部通常设置气固分离器，以分离掺杂在上升气流中的细小颗粒。常用的气固分离装置有旋风分离器和内置过滤器。认识流化床反应器5.气固分离装置旋风分离器是利用离心力的作用从气流中分离出尘粒的设备。含有细小颗粒的气体由进气管沿切线方向进入旋风分离器内，在旋风分离器内做螺旋运动而产生向心力，这些颗粒在离心力的作用下被抛向器壁。旋风分离器的应用己有近百年的历史，因其结构简单，造价低廉，没有活动部件，可用多种材料制造，操作条件范围宽广，分离效率较高，所以至今仍是化工、采矿、治金、机械、轻工等工业部门里最常用的一种除尘、分离设备。认识流化床反应器5.气固分离装置内置过滤器位于反应器顶部，由一束竖直的管子构成，在管子的外面包扎数层玻璃纤维布。含有细小颗粒的气体通过玻璃纤维布时，由于玻璃纤维布的微孔只能允许气体分子通过而将绝大部分的固体阻拦下来，从而达到气固分离的目的。相比于旋风分离器，内置过滤器的优点是可以分离更细更小的固体颗粒。认识流化床反应器5.气固分离装置化学反应过程与设备项目六流化床反应器操作与控制任务1认识流化床反应器项目六1、釜式反应器的基本结构流化床反应器中的流体传质1认识流化床反应器当固体颗粒像流体一样运动，传质与传热的效率将发生质的飞跃——这就是流化床反应器的核心优势。一、流化床反应器中的流体传质气体进入床层后，部分通过乳化相流动，其余则以气泡形式通过床层。乳化相中的气体与颗粒接触良好，而气泡中的气体与颗粒接触较差，原因是气泡中几乎不含颗粒，气体与颗粒接触的主要区域集中在气泡与气泡晕的相界面和尾涡处。无论流化床用作反应器还是传质设备，颗粒与气体间的传质速率都将直接影响整个反应速率或总传质速率。当流化床用作反应器或传质设备时，颗粒与流体间的传质系数是一个重要的参数。可以通过传质速率来判断整个过程的控制步骤。关于传质系数，文献报道很多，都是经验公式，只在一定的范围内适用。颗粒与流体间的传质一、流化床反应器中的流体传质流化床反应器中的反应实际上是在乳化相中进行的，气泡与乳化相间的气体交换作用非常重要。相间传质速率与表面反应速率的快慢，与选择合理的床型和操作参数都直接有关。从气泡经气泡晕到乳化相的传递是一个串联过程。串联过程包括气泡与气泡晕之间的交换、气泡晕与乳化相之间的交换以及气泡与乳化相之间的总的交换。气泡与乳化相间的传质1、釜式反应器的基本结构2流化床反应器中的传热二、流化床反应器中的传热流化床中流体与颗粒的快速循环，流化床具有传热效率高、床层温度均匀的优点。气体进入流化床后很快达到流化床温度。气固相接触面积大，颗粒循环速度高，颗粒混合得很均匀以及床层中颗粒比热容远比气体比热容高。二、流化床反应器中的传热颗粒与颗粒之间的传热床层与内壁间的和床层与浸没于床层中的换热器表面间的传热相间即气体与固体颗粒之间的传热传热在一般情况下，自由流化床是等温的，粒子与流体之间的温差，除特殊情况外，可以忽略不计。重要的是床层与内壁间和床层与浸没于床层中的换热器表面间的传热。二、流化床反应器中的传热流化床与换热表面间的传热是一个复杂过程，传热系数的关联式与流体和颗粒的性质、流动条件、床层与换热面的几何形状等因素有关。上下排列的水平换热管对颗粒与中部管子的接触起了一定的阻碍作用，所以水平管的传热系数比垂直管低，这就是流化床中尽可能少用水平管和斜管的主要原因。除了影响传热外，它们还影响颗粒的流动和气固的接触。此外管束排得过密或有横向挡板的存在，都会使颗粒的运动受阻而降低传热系数。分布板的结构也直接关系到气泡的大小和数量，因此对传热的影响也是显著的。化学反应过程与设备项目六流化床反应器操作与控制任务1认识流化床反应器项目六1、釜式反应器的基本结构流化床反应器的异常现象1认识流化床反应器大气泡现象沟流现象腾涌现象010203常见的异常现象一、流化床反应器的异常现象沟流现象的特征是气体通过床层时形成短路。沟流有两种情况：贯穿沟流和局部沟流。沟流现象发生时，大部分气体没有与固体颗粒很好地接触就通过了床层，过程严重恶化。由于部分颗粒没有流化或流化不好，造成床层温度不均匀，从而引起催化剂的烧结，降低催化剂的寿命和效率。沟流时部分床层为死床，不悬浮在气流中，床层压降较正常时较低。1.沟流现象一、流化床反应器的异常现象沟流现象产生的原因：颗粒的粒度很细，密度大，流体气速很低时，潮湿的物料和易于黏结的物料；气体分布板设计不好布气不均。消除沟流现象:

对物料预先进行干燥并适当加大气速，另外，分布板的合理设计也是十分重要的。还应注意风帽的制造、加工和安装，以免通过风帽的流体阻力相差过大而造成布气不均。1.沟流现象一、流化床反应器的异常现象流化床中生成的气泡在上升过程中不断合并和长大，直到床面破裂是正常现象。但是如果床层中大气泡很多，由于气泡不断搅动和破裂，床层波动大，操作不稳定，气固间接触不好，就会使气固反应效率降低，这种现象也是一种不正常现象，应力求避免。通常床层较高、气速较大时容易产生大气泡现象，床层压降波动厉害。在床层内加设内部构件可以避免产生大气泡，促使平稳流化。2.大气泡现象一、流化床反应器的异常现象大气泡状态下继续增大气速，气泡直径变大，直到与床径相等时，此时，床层分为几段，变成一段气泡和一段颗粒的相互间隔状态。此时颗粒层被气泡像活塞样向上推动，达到一定高度后气泡破裂，引起部分颗粒的分散下落。腾涌现象发生时，床层的均匀性被破坏，使气固间接触不良，严重影响产品的产量和质量，并且器壁磨损加剧，引起设备的振动在床层内加设内部构件可以避免产生大气泡，促使平稳流化。2.腾涌现象一、流化床反应器的异常现象出现腾涌现象时，由于颗粒层与器壁的摩擦造成压降大于正常值，而气泡破裂时又低于正常值，即压降在理论值上下大幅度波动。一般来说，床层越高、容器直径越小、颗粒越大、气速越高，越容易发生腾浦现象。在床层过高时，可以增设挡板以破坏气泡的长大，避免腾涌现象的发生。2.腾涌现象流化床反应器在运行过程中可能出现的异常现象包括床层塌陷、物料结块、颗粒磨损、温度分布不均和气体短路等。常见异常现象类型01常见的异常现象产生的原因包括操作条件不当（如温度、压力、流速控制不准确）、物料特性变化、反应器设计缺陷以及设备老化等。异常现象产生的原因02这些异常现象可能导致反应效率下降、产品质量不稳定、能耗增加，严重时甚至会造成设备损坏和安全事故。异常对反应器的影响03采取有效的预防措施对于避免这些异常现象至关重要，可以减少设备故障，延长反应器使用寿命，确保生产安全和产品质量。预防措施的重要性04在设计阶段，应充分考虑操作条件的灵活性、反应器的结构优化、物料特性的适应性以及安全措施的完善，以预防潜在的异常现象。设计阶段的预防策略05通过深入分析异常现象，设计阶段采取的策略可以显著提高流化床反应器系统的可靠性和安全性，减少意外停机时间，保障连续稳定生产。提高系统可靠性和安全性06流化床反应器异常现象及其预防化学反应过程与设备项目六流化床反应器操作与控制任务1认识流化床反应器项目六1、釜式反应器的基本结构流化床反应器的优缺点1认识流化床反应器流化床内的固体粒子像流体一样运动一、流化床反应器的优缺点床层温度分布均匀。由于床层内流体和颗粒剧烈搅动混合，使床内温度均匀。由于传热效率高，床内温度均匀，特别适合于一些热效应较高的反应及热敏性材料。流化床内的传热及传质速率很高。由于颗粒的剧烈运动，使两相间表面不断更新，因此床内的传热及传质速率高，这对于传热和传质速率控制的化学反应和物理过程是非常有用的，可大幅度地提高设备的生产强度，进行大规模生产。床层和金属器壁之间的传热系数大。由于固体颗粒的运动，使金属器壁与床层之间的传热系数大增加，要比没有固体颗粒存在的情况下大数十倍乃至上百倍。因此便于向床内输人或取出热量，所需的传热面积却较小。1.优点一、流化床反应器的优缺点流态化的颗粒流动平稳，类似液体，其操作可以实现连续、自动控制，并且容易处理。床与床之间颗粒可连续循环，这样使得大型反应器中生产的或需要的大量热量有传递的可能性。为小颗粒或粉末状物料的加工开辟了途径。1.优点一、流化床反应器的优缺点颗粒的返混现象使得在床内颗粒停留时间分布不均，因而影响产品质量。另一方面，由于颗粒的返混造成反应速度降低和副反应增加。由于气泡的存在，床内气流不少以气泡状态流经床层，和固体接触不均匀，若气相是加工对象，也影响产品的均匀性和降低反应的转化率。颗粒流化时，相互碰撞，脆性固体材料易成粉末而