化学反应工程.ppt

1、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,7.1 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,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,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

2、化 粒子细，可消除内扩散阻力，充分发挥催化剂的效能,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,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：100500m，0.20.4g/cm3 B：2002000m，0.55g/cm3 C：颗粒过细，粒间有粘附性，易沟流，不适用于流化； dp 1000m，p 0.5 g/cm3,三、特征流速,起始流化速度（最小流化

3、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,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） 起始流化速度计算公式 床层空隙率mf和颗粒形状系数s 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,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

4、,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,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,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,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：,五

5、、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,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,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,六、乳相动态,颗粒 全混式 气流 气泡区、泡晕区、上流区、回流区,七、颗粒

6、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,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,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,7.2 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,7.3 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