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文档简介
1、第三章 流化床反应器,知识目标,1,PPT学习交流,教学内容,流化床反应器的特点及结构 流化床反应器的生产原理 (1)流态化的形成 (2)流化床反应器的传热过程 (3)流化床反应器的计算 高速流态化技术 流化床反应器的操作指导,2,PPT学习交流,第一节 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。,3,PPT学习交流,流化床基本结构,结构分为: 浓相段、稀相段、扩大段、锥底。 内部构件: 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。,4,PPT学习交流,5,PPT学习交流,6,PPT学习交流,流化床反应器的特
2、点,1.床层温度均匀,避免局部过热。 2.颗粒处于运动状态,表面更新,强化传质。 3.颗粒小,催化剂有效系数高。 4.流化状态,便于操作。 5.传热系数大,换热面积小。 6.生产强度大。 7.返混严重,一次转化率低。 8.颗粒磨损,要求催化剂强度大。 9.对设备磨损严重。,7,PPT学习交流,观察并思考,1.固体颗粒在床层内怎样运动? 2.流速由小到大产生什么现象? 3.流态化现象可划分几个阶段? 4.研究:流速压力降的关系。 5.流体分别为气体和液体时,流化现象有何不同?,8,PPT学习交流,第二节 流化床内的生产原理,流态化 流化床反应器的传热过程 流化床反应器的计算 内部构件的选择及参数
3、的确定,9,PPT学习交流,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,10,PPT学习交流,流态化,固体颗粒象流体一样进行流动的现象。 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。 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。 流态化中的异常现象:沟流、大气泡和腾涌,11,PPT学习交流,沟流,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,大部分床层仍处于固定床阶段。,12,PPT学习交流,13,PPT学习交流,大
4、气泡和腾涌,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。,14,PPT学习交流,15,PPT学习交流,16,PPT学习交流,P U,流态化的形成,1.流速较小,流体从颗粒缝隙通过,床层静止。uP,固定床阶段。 2.流速增加,颗粒吹起, uP不变。 3.流速继续增加,颗粒被带出床层,空隙率增加, uP,输送床阶段。,17,PPT学习交流,临界流化速度U临,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,18,PPT学习交流,带出速度U带,操作速度大于带出速度时,催化剂颗粒将被带出流
5、化床反应器 确定方法 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。有些工业反应器操作速度大于带出速度时,颗粒夹带并不严重。,19,PPT学习交流,操作速度的确定,选择原则 实际生产中流化床操作数据 流化数,20,PPT学习交流,流化床的压力降,颗粒悬浮静止时受力 向下:重力 向上:浮力、流体阻力 平衡时 重力=浮力+流体阻力 公式推导:式(3-6) 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。,21,PPT学习交流,膨胀比和空隙率,膨胀比 空隙率 关系,22,PPT学习交流,二、流化床反应器的传热过程,(一)流化床传热过程分析 (二)床层与器壁
6、间的传热 (三)流化床内换热器的结构型式 (四)流化床换热器传热面积的计算,23,PPT学习交流,(一)流化床传热过程分析,(1)床层内固体颗粒之间的传热 (2)颗粒与流体间的传热 (3)床层与器壁或换热器表面的传热,24,PPT学习交流,(二)床层与器壁间的传热,25,PPT学习交流,床层对器壁给热系数分析,操作速度的影响 颗粒直径的影响 挡板挡网的影响 换热器位置对给热系数的影响 气、固物性对给热系数的影响,26,PPT学习交流,(四)流化床换热器传热面积的计算,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,27,PPT学习交流,(三)流化
7、床内换热器的结构型式,列管式换热器:单管式和套管式 管束式换热器:直列和横列 鼠笼式换热器 蛇管式换热器,28,PPT学习交流,列管式换热器:单管式,29,PPT学习交流,列管式换热器:套管式,30,PPT学习交流,立式管束式,31,PPT学习交流,横排管束式换热器,32,PPT学习交流,鼠笼式换热器,33,PPT学习交流,蛇管式换热器,34,PPT学习交流,三、流化床反应器的计算,(一)流化床直径的计算 (二)流化床高度的确定,35,PPT学习交流,流化床直径的计算,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。,36,PPT学习交流,流化床高
8、度的确定,1流化床层高度(浓相段高度)H0 2分离段高度H1 3扩大段高度H2 4锥底部分高度H3 过滤管出口或旋风分离器入口至床顶高度H4 流化床总高度 H=H0+H1+H2+H3+H4,37,PPT学习交流,四、内部构件的选择及参数的确定,(一)气体分布板的计算和预分布器的选择 (二) 挡板和挡网结构参数的确定 (三)气固分离装置结构参数的确定,38,PPT学习交流,流化床反应器的内部结构,气体预分布器 气体分布板 挡板和挡网 旋风分离器,39,PPT学习交流,弯管式预分布器,40,PPT学习交流,同心圆壳式分布器,41,PPT学习交流,帽式分布器,42,PPT学习交流,充填式分布器,43
9、,PPT学习交流,开口式分布器,44,PPT学习交流,气体分布板的作用,支撑:床层上的催化剂或载体 分流:使气体分布均匀,造成良好的起始 流化条件 导向:抑制气固恶性聚式流态化,45,PPT学习交流,凹型筛孔板,46,PPT学习交流,直孔筛板,47,PPT学习交流,直孔泡帽分布板,48,PPT学习交流,单个直孔泡帽,49,PPT学习交流,挡 板,作用:改善流化操作质量 (1)使气泡破碎,增强气固相间接触; (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),50,PPT学习交流,内旋挡板,51,PPT学习交流,外旋挡板,52,PPT学习交流,多旋挡板,53,PPT学习交流,54,
10、PPT学习交流,第三节 高速流态化技术提高速度后的流态化现象,气固并流上行快速流化床,55,PPT学习交流,56,PPT学习交流,高速流态化与传统流态化的比较,57,PPT学习交流,高速流态化的优缺点,1.气固为无气泡接触,改善了气固接触效果。 2.气固轴向返混减少。 3.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。 4.气固通量大,传热效果好。(强放热、吸热反应) 5.颗粒的外部循环,可解决催化剂快速失活问题。 6.颗粒团聚倾斜减小,可实现多段进料;设备放大容易。 7.反应器高度增加,投资增大。 8.颗粒的循环系统增加了设计和操作的复杂性。 9.颗粒性质的允许范围受到一定限制。,58,PP
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