《流化床反应器》PPT课件.ppt
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1、第七章 流化床反应器,7.1 概述7.2 流化床中的气、固运动7.3 流化床中的传热和传质7.4 流化床的数学模型,7.1 概述(1)流化床反应器的定义:应用流态化技术进行化学反应的装置称之为流化床反应器。(2)流态化:就是固体粒子与气体或液体接触时,固体小颗粒能像流体一样流动,并具有流体的特性,这种现象称之为固体的流态化,简称流化。,(3)流化床反应器的特点 传热效能高,而且床内温度易于维持均匀一;大量固体粒子可方便地往来输送;可以使用细粒子催化剂,易消除内扩散阻力,能充分发挥催化 剂的效能;气流状况不均,气-固两相接触不够有效;粒子运动基本上是全混式,影响产品质量的均一性,且转化率 不高;
2、粒子的全混造成气体的部分返混,影响反应速度和造 成副反应的增加;粒子的磨损和带出造成催化剂的损失。,(4)流态化的几个阶段,固定床阶段:气流速率较小,从粒子空隙间通过,床层不动。起始流化床:随着流速渐增,粒子间空隙率将开始增加,床层体积逐渐增大,当流速达到某一限值,床层刚刚能被流体托起时,床内粒子就开始流化起来了,此时的流化床称为起始流化床。散式流化床:流速进一步提高时,如果床层膨胀均匀且波动很小,粒子在床内的分布也比较均匀,故称作散式流化床,也称液体流化床。聚式流化床:对气-固系统,气速达到起始鼓泡速度umf后,通常将出现气泡,气速愈高,气泡的聚并及造成的扰动亦愈剧烈,使床层波动频繁,此形态
3、的流化床称聚式流化床,也称鼓泡床。气流输送阶段:气流速率大到使固体随之带出。,聚式流化床聚式流化床是通常流化床正常操作的状态。在聚式流化床中,固体颗粒是连续的,称之为连续相或乳化相;气体以气泡形式通过床层,所以称之为分散相或气泡相。床面以下的部分称密相床,床面以上的部分因也有一些粒子被抛掷和夹带上去,故称稀相床。密相床中形如水沸,故又称沸腾床。流化床中两种不正常的流动状态:沟流 产生原因:颗粒粒度小、气流速度小、分布板设计不合理、固体物料潮湿或有粘性等。腾涌(通常仅发生在小床)产生原因:颗粒大、密度大、气速大、床高与床径比大等。,(5)各种类型流化床简介,自由床,多段床,限制床,双体床,提升管
4、反应器,(6)颗粒的流态化性能,颗粒的形状,尺寸和密度对其流态化的性能影响极大。A、B类颗粒适于流化,(细)颗粒因充气性好,床层中生成的气泡小,而特别适合于催化过程。C类颗粒过细,粒间有粘附性,气体易呈沟流通过,故并不适用,D类则又过大,只在喷动床中才能较好地流化。为了流化质量好,颗粒尺寸还应有适当的分布。在催化过程中需注意保证细筛分(如 44m)占有一定的比例,必要时设法补加。,7.2 流化床中的气、固运动,(1)流化床压降及特征流速,流化床压降,流速较低时为固定床状态,在双对数纸上P与u0约成正比。由于床层中原来挤紧着的粒子先要被松动开来,所以需要比静床压力(WAt)稍大一点的P,一旦粒子
5、已经松动,压降又恢复到(WAt)之值。流速进一步增加,则压降基本不变,故流化床的压降可如下计算:对已经流化起来了的床层,如将气速减小,则P将循着图中的实 线返回,不再出现极值,而且固定床的压降也比原先的要小,这是因为粒子逐渐静止下来时,大体保持着流化时的空隙率所致。,(7-1),起始(或称最小)流化速率umf,起始流化速度(umf):刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流速。从图中实线的拐弯点就可定出起始(或称最小)流化速率umf。如将固定床压降公式(6-13)与流化床压降公式联立求解,可得:,对于小粒子,可忽略左第一项:,对于大粒子,可忽略左第二项:,(7-4),(7-3),(7-2),值可查有
6、关图表获得,如 及 均不知,可近似取:,(7-5),代入(7-2)可得:,利用求根公式取正值得:,(7-6),同样把,代入(7-3)和(7-4)可得:,对于小粒子:,对于大粒子:,(7-8),(7-7),但用上两式计算时,应将所得umf值代入ReP=dPumf/,检验是否符合规定的范围。,实际上起始流化速度的计算公式很多,如李代公式:,粒子平均直径m,粒子密度kg/m3,流体密度kg/m3,流体粘度(厘泊),(7-9),(3)带出速度ut(终端速度)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,则粒子就会被气流所带走。这一速度称带出速度。对于球形粒子,作力的平衡有:式中CD称曳力系
7、数,可用经验式计算(7-13)或查表求得。球形粒子带出速度:(非球形粒子7-17、7-18式),(7-9),(7-16),(7-15),(7-14),带出速度也可采用经验式计算.如:式(7-19)等.,(4)操作气速u0的确定操作气速的取值范围显然在ut与umf 之间,但该范围较宽:操作气速 u0的选定要根据具体情况。一般取流化数F0(操作气速与起始流化速度之比F0=u0umf)在1.510。但也有高到几十甚至几百的。通常所用的气速常在0.150.5m/s左右。对于热效应不大,反应速度慢,催化剂粒度细,筛分宽,床内无内部构件和要求催化剂带出量少的情况,宜选用较低气速,反之,则宜用较高的气速。,
8、对小粒子:,对大粒子:,(5)流化床直径确定 流化床直径主要根据生产能力和操作气速来确定:,(圆整),扩大段气速通常取:,则扩大段直径为:,(6)流化床高度确定,流化床总高度H主要由三部分所组成:即浓相段高度h1、稀相段高度h2和锥底高度h3。浓相段高度h1 浓相段高度是床层流化后的料面高度,影响因素比较复杂,目前尚难精确计算,通常利用膨胀比R进行近似计算:为操作气速,为气体停留时间,由动力学计算确定。,对自由床:,对限制床:,(7-22),(7-23),膨胀比R也可利用有关图表进行近似计算:如图(7-6)和式(7-21/25/26).,稀相段高度h2 稀相段高度包括分离空间高度 和扩大段高度
9、 两部分:分离空间高度 目前只能近似计算,研究人员根据实际生产数据,作出了分离空间高度与床径、气速的关系曲线,可查图确定。扩大段高度 扩大段高度一般可取:锥底高度h3,通常锥顶角=60度或90度,流化床总高度:,7.2.2 气泡及其行为,一般认为在流化床反应器中,除部分气体以起始流化速度流经粒子间的空隙外,多余的气体都以气泡状态通过床层,因此通常把密相床部分分为两相:气泡相和乳化相(气泡以外的密相床部分)。(1)气泡的结构 据研究,不受干扰的单个上升气泡呈球帽形,尾部略为内凹,在尾部区域,由于压力比近傍稍低,颗粒被卷了进来,形成局部涡流,这一区域称为尾涡。,在气泡上升的途中,尾涡中部分颗粒不断
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