《流化床反應(yīng)器》PPT課件.ppt

第七章 流化床反應(yīng)器,7.1 概述 7.2 流化床中的氣、固運(yùn)動(dòng) 7.3 流化床中的傳熱和傳質(zhì) 7.4 流化床的數(shù)學(xué)模型,7.1 概述 (1) 流化床反應(yīng)器的定義：應(yīng)用流態(tài)化技術(shù)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的裝置稱之為流化床反應(yīng)器。 (2) 流態(tài)化：就是固體粒子與氣體或液體接觸時(shí)，固體小顆粒能像流體一樣流動(dòng)，并具有流體的特性，這種現(xiàn)象稱之為固體的流態(tài)化，簡(jiǎn)稱流化。,(3) 流化床反應(yīng)器的特點(diǎn) 傳熱效能高，而且床內(nèi)溫度易于維持均勻一； 大量固體粒子可方便地往來輸送； 可以使用細(xì)粒子催化劑，易消除內(nèi)擴(kuò)散阻力，能充分發(fā)揮催化 劑的效能； 氣流狀況不均，氣-固兩相接觸不夠有效； 粒子運(yùn)動(dòng)基本上是全混式，影響產(chǎn)品質(zhì)量的均一性，且轉(zhuǎn)化率 不高；粒子的全混造成氣體的部分返混， 影響反應(yīng)速度和造 成副反應(yīng)的增加； 粒子的磨損和帶出造成催化劑的損失。,(4) 流態(tài)化的幾個(gè)階段,固定床階段：氣流速率較小，從粒子空隙間通過，床層不動(dòng)。 起始流化床：隨著流速漸增，粒子間空隙率將開始增加，床層體積逐漸增大，當(dāng)流速達(dá)到某一限值，床層剛剛能被流體托起時(shí)，床內(nèi)粒子就開始流化起來了，此時(shí)的流化床稱為起始流化床。 散式流化床：流速進(jìn)一步提高時(shí)，如果床層膨脹均勻且波動(dòng)很小， 粒子在床內(nèi)的分布也比較均勻， 故稱作散式流化床，也稱液體流化床。 聚式流化床：對(duì)氣-固系統(tǒng)，氣速達(dá)到起始鼓泡速度umf后，通常將出現(xiàn)氣泡，氣速愈高，氣泡的聚并及造成的擾動(dòng)亦愈劇烈，使床層波動(dòng)頻繁，此形態(tài)的流化床稱聚式流化床，也稱鼓泡床。 氣流輸送階段：氣流速率大到使固體隨之帶出。,聚式流化床 聚式流化床是通常流化床正常操作的狀態(tài)。 在聚式流化床中，固體顆粒是連續(xù)的，稱之為連續(xù)相或乳化相；氣體以氣泡形式通過床層，所以稱之為分散相或氣泡相。床面以下的部分稱密相床，床面以上的部分因也有一些粒子被拋擲和夾帶上去，故稱稀相床。密相床中形如水沸，故又稱沸騰床。 流化床中兩種不正常的流動(dòng)狀態(tài)： 溝流 產(chǎn)生原因：顆粒粒度小、氣流速度小、分布板設(shè)計(jì)不合理、固體物料潮濕或有粘性等。 騰涌(通常僅發(fā)生在小床） 產(chǎn)生原因：顆粒大、密度大、氣速大、床高與床徑比大等。,（5） 各種類型流化床簡(jiǎn)介,自由床,多段床,限制床,雙體床,提升管 反應(yīng)器,（6）顆粒的流態(tài)化性能,顆粒的形狀，尺寸和密度對(duì)其流態(tài)化的性能影響極大。 A、B類顆粒適于流化，(細(xì))顆粒因充氣性好，床層中生成的氣泡小，而特別適合于催化過程。 C類顆粒過細(xì)，粒間有粘附性，氣體易呈溝流通過，故并不適用， D類則又過大，只在噴動(dòng)床中才能較好地流化。 為了流化質(zhì)量好，顆粒尺寸還應(yīng)有適當(dāng)?shù)姆植?。在催化過程中需注意保證細(xì)篩分(如 44m)占有一定的比例，必要時(shí)設(shè)法補(bǔ)加。,7.2 流化床中的氣、固運(yùn)動(dòng),（1）流化床壓降及特征流速, 流化床壓降,流速較低時(shí)為固定床狀態(tài)，在雙對(duì)數(shù)紙上P與u0約成正比。由于床層中原來擠緊著的粒子先要被松動(dòng)開來，所以需要比靜床壓力(WAt) 稍大一點(diǎn)的P，一旦粒子已經(jīng)松動(dòng)，壓降又恢復(fù)到(WAt)之值。流速進(jìn)一步增加，則壓降基本不變，故流化床的壓降可如下計(jì)算： 對(duì)已經(jīng)流化起來了的床層，如將氣速減小，則P將循著圖中的實(shí) 線返回，不再出現(xiàn)極值，而且固定床的壓降也比原先的要小，這是因?yàn)榱Ｗ又饾u靜止下來時(shí)，大體保持著流化時(shí)的空隙率所致。,（7-1）, 起始(或稱最小)流化速率umf,起始流化速度(umf)：剛剛能夠使粒子流化起來的氣體空床流速。從圖中實(shí)線的拐彎點(diǎn)就可定出起始(或稱最小)流化速率umf 。 如將固定床壓降公式（6-13）與流化床壓降公式聯(lián)立求解，可得：,對(duì)于小粒子，可忽略左第一項(xiàng)：,對(duì)于大粒子，可忽略左第二項(xiàng)：,（7-4）,（7-3）,（7-2）,值可查有關(guān)圖表獲得，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）,同樣把,代入（7-3）和（7-4）可得：,對(duì)于小粒子：,對(duì)于大粒子：,（7-8）,（7-7）,但用上兩式計(jì)算時(shí)，應(yīng)將所得umf值代入ReP=dPumf/，檢驗(yàn)是否符合規(guī)定的范圍。,實(shí)際上起始流化速度的計(jì)算公式很多，如李代公式：,粒子平均直徑m,粒子密度kg/m3,流體密度kg/m3,流體粘度（厘泊）,（7-9）,（3）帶出速度ut (終端速度) 當(dāng)氣速增大到某一定值時(shí)，流體對(duì)粒子的曳力與粒子的重力相等，則粒子就會(huì)被氣流所帶走。這一速度稱帶出速度。 對(duì)于球形粒子，作力的平衡有： 式中CD稱曳力系數(shù)，可用經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算（7-13）或查表求得。 球形粒子帶出速度：（非球形粒子7-17、7-18式）,（7-9）,（7-16）,（7-15）,（7-14）,帶出速度也可采用經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算.如:式(7-19)等.,（4）操作氣速u0的確定 操作氣速的取值范圍顯然在ut與umf 之間，但該范圍較寬： 操作氣速 u0的選定要根據(jù)具體情況。一般取流化數(shù)F0（操作氣速與起始流化速度之比F0=u0umf )在1.510。但也有高到幾十甚至幾百的。通常所用的氣速常在0.150.5m/s左右。 對(duì)于熱效應(yīng)不大，反應(yīng)速度慢，催化劑粒度細(xì)，篩分寬，床內(nèi)無內(nèi)部構(gòu)件和要求催化劑帶出量少的情況，宜選用較低氣速，反之，則宜用較高的氣速。,對(duì)小粒子：,對(duì)大粒子：,（5）流化床直徑確定 流化床直徑主要根據(jù)生產(chǎn) 能力和操作氣速來確定：,（圓整）,擴(kuò)大段氣速通常取：,則擴(kuò)大段直徑為：,（6）流化床高度確定,流化床總高度H主要由三部分所組成：即濃相段高度h1、稀相段高度h2和錐底高度h3。 濃相段高度h1 濃相段高度是床層流化后的料面高度，影響因素比較復(fù)雜，目前尚難精確計(jì)算，通常利用膨脹比R進(jìn)行近似計(jì)算： 為操作氣速， 為氣體停留時(shí)間，由動(dòng)力學(xué)計(jì)算確定。,對(duì)自由床：,對(duì)限制床：,（7-22）,（7-23）,膨脹比R也可利用有關(guān)圖表進(jìn)行近似計(jì)算：如圖(7-6)和式(7-21/25/26)., 稀相段高度h2 稀相段高度包括分離空間高度 和擴(kuò)大段高度 兩部分： 分離空間高度 目前只能近似計(jì)算，研究人員根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，作出了分離空間高度與床徑、氣速的關(guān)系曲線，可查圖確定。 擴(kuò)大段高度 擴(kuò)大段高度一般可取： 錐底高度h3,通常錐頂角=60度或90度, 流化床總高度：,7.2.2 氣泡及其行為,一般認(rèn)為在流化床反應(yīng)器中，除部分氣體以起始流化速度流經(jīng)粒 子間的空隙外，多余的氣體都以氣泡 狀態(tài)通過床層，因此通常把密相床部 分分為兩相：氣泡相和乳化相（氣泡 以外的密相床部分）。 (1) 氣泡的結(jié)構(gòu) 據(jù)研究，不受干擾的單個(gè)上升氣泡 呈球帽形，尾部略為內(nèi)凹，在尾部區(qū) 域，由于壓力比近傍稍低，顆粒被卷 了進(jìn)來，形成局部渦流，這一區(qū)域稱 為尾渦。,在氣泡上升的途中，尾渦中部分顆粒不斷離開，而另一部分顆粒又不斷地補(bǔ)充進(jìn)來，這樣就把床層下部的顆粒夾帶上去而促進(jìn)了全床顆粒的循環(huán)與混合。 研究表明，氣泡上升通過乳相時(shí)，部分氣體穿過氣泡形成環(huán)流，在泡外形成一層所謂的氣泡云。云層及尾渦都在氣泡之外，且都伴隨著氣泡上升，其中所含粒子濃度也與乳相中幾乎都是相同的，二者渾然一體，故可總稱之謂氣泡暈。 氣泡在上升途中，因聚并和膨脹而增大，同時(shí)不斷與乳相間進(jìn)行著質(zhì)量交換，即將反應(yīng)組分傳遞到乳相，在催化劑上反應(yīng)后，又將反應(yīng)產(chǎn)物傳到氣泡而帶出。因此氣泡不僅是造成床層運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，又是物質(zhì)傳遞的中轉(zhuǎn)站，所以，氣泡的行為自然是影響反應(yīng)結(jié)果的一個(gè)決定性因素。,（2）氣泡的速度和大小,根據(jù)實(shí)測(cè)，流化床中單個(gè)氣泡的平均上升速度ubr可取： 在實(shí)際床層中，氣泡成群上升，氣泡群的上升速度ub一般用下式 計(jì)算： 另一算式反映床徑對(duì)氣泡上升速度ub的影響：,（7-28）,（7-29）,（7-30）,氣泡直徑隨氣泡的上升而增大，主要與距分布板的高度L有關(guān)，其直徑可根據(jù)有關(guān)公式計(jì)算： 式中At為床層截面積，n0為分布板孔數(shù)。 從上式可以看出；操作氣速與臨界流化速率的差值越大，離分布板的距離越大，氣泡也就越大。但氣泡的長(zhǎng)大并不是無限的，如床徑足夠地大，不致形成節(jié)涌，則當(dāng)氣泡長(zhǎng)大到一定程度后就將失去其穩(wěn)定性而破裂。,一般認(rèn)為；當(dāng)氣泡的上升速率ub小于粒子的沉降速率uT時(shí)，即ubuT時(shí)，此時(shí)，粒子被氣泡從尾渦吸入氣泡內(nèi)，從而使得氣泡破裂。 所以，氣泡在床內(nèi)不斷進(jìn)行著生成、長(zhǎng)大、破裂循環(huán)往復(fù)過程，帶動(dòng)著整個(gè)床層粒子的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)著傳質(zhì)、傳熱過程的實(shí)現(xiàn)。,（3）氣泡云與尾渦 氣泡云的厚度 通常按氣泡云與氣泡的相對(duì)大小來估算。見（7-39及7-40)。 尾渦體積Vw 尾渦體積通常按氣泡體積的三分之一來估算： 床中全部氣泡體積占床層 的體積分率可按下式估算： 氣泡中的粒子含量（氣泡中的粒子體積與氣泡體積之比rb）： rb值大約為0.001-0.01左右。 泡暈中的粒子含量（泡暈中的粒子體積與氣泡體積之比rC）：,（7-47）,（7-50）,7.2.3 乳相的動(dòng)態(tài), 乳化相中的顆粒動(dòng)態(tài) 顆粒在乳化相中呈懸浮狀態(tài)，隨氣泡的夾帶作用，部分粒子產(chǎn)生 向上運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，隨著氣泡的聚并、破裂和尾渦中粒子的交換，又不 斷地返回乳相，在重力沉降作用下向下運(yùn)動(dòng)。所以，在床內(nèi)粒子存在 著上下的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。小床一般中間上升，沿壁下降，大床較為復(fù)雜。 乳化相中的氣流動(dòng)態(tài) 乳化相中的氣流也存在著向下向上兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。向上運(yùn)動(dòng)的 速率幾乎始終等于初始流化速率。加大氣速，只使氣泡相速率增大。 但在粒子脫離氣泡向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，粒子又夾帶著氣體向下運(yùn)動(dòng)。使得氣 流存在著一向下運(yùn)動(dòng)。所以，在乳相中氣流也存在著一個(gè)環(huán)循運(yùn)動(dòng)。 所以通常認(rèn)為在乳相中存在一個(gè)上流相（氣+固），一個(gè)下流相。,分布板與內(nèi)構(gòu)件,7.2.4 分布板與內(nèi)部構(gòu)件 （1）分布板 工業(yè)使用的某些分布板型式,（2）內(nèi)部構(gòu)件 為了傳熱或控制氣-固間的接觸，常在床內(nèi)設(shè)置內(nèi)部構(gòu)件。如垂直管、平管，多孔板、水平擋網(wǎng)和斜片百葉窗擋板等。其中以垂直管最為常用。它往往同時(shí)具有傳熱，控制氣泡聚并甚至減少顆粒帶出的作用。水平構(gòu)件對(duì)顆粒和氣體的上下流動(dòng)起一定的阻滯作用，從而導(dǎo)致床內(nèi)產(chǎn)生明顯的溫度梯度和濃度梯度。復(fù)雜形式的內(nèi)部構(gòu)件造成的影響也復(fù)雜，在放大時(shí)會(huì)造成困難，工業(yè)上以易于放大為宜。,7.3 流化床中的傳熱和傳質(zhì),7.3.1 床層與外壁間的傳熱 流化床的優(yōu)點(diǎn)之一是傳熱效率高、床層溫度均一。在一般情況 下，自由流化床是等溫的。粒子與流體之間的溫差，除特殊情況 外，可以忽略不計(jì)，所以重要的是床層與外壁間的傳熱以及床層 與浸沒于床中的換熱器表面間的傳熱。 確定hw所用的給熱系數(shù)的定義式為： Aw是傳熱面 hw通常均采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)求取:式(7-61及7-62)。,（7-59）,7.3.2 床層與浸沒于床內(nèi)的換熱面之間的給熱 垂直管 計(jì)算公式(7-63)。 水平管 計(jì)算公式(7-64)、 (7-65)。 影響床層傳熱效率的因素 操作氣速：氣速增大，傳熱效率也增強(qiáng)；但當(dāng)增到某一極值時(shí)，再增大氣速，傳熱效率反而降低，原因是床層空隙率增大； 顆粒的比熱：比熱增大，傳熱效率也增強(qiáng)； 顆粒粒徑：粒徑增大，傳熱效率降低。 流體的導(dǎo)熱系數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)，傳熱效率也增強(qiáng)（強(qiáng)影響）； 內(nèi)部構(gòu)件：如擋板等。,7.3.3 流化床中的傳質(zhì),在流化床反應(yīng)器中，無論是顆粒與流體間的傳質(zhì)還是氣泡與乳相間的傳質(zhì)，對(duì)反應(yīng)過程均具有重要影響。為確定其傳質(zhì)速率，也推出了不少關(guān)聯(lián)式。 但應(yīng)當(dāng)指出，文獻(xiàn)上各不同的相間交換系數(shù)及其關(guān)聯(lián)式，都是根據(jù)不同的物理模型和不同的數(shù)據(jù)處理方法而得出的。目前在這方面還沒有一個(gè)統(tǒng)一的處理，因此在引用時(shí)需加注意。,7.4 流化床的數(shù)學(xué)模型,7.4.1 數(shù)學(xué)模型的類別 （1）按流化床內(nèi)的氣固動(dòng)態(tài)分 兩相模型： 氣相乳相 上流相(氣+固)下流相(氣+固) 氣泡相乳相 三相模型： 氣泡相上流相(氣+固)下流相(氣+固) 氣泡相氣泡云乳相 四區(qū)模型： 氣泡區(qū)泡暈區(qū)乳相上流區(qū)乳相下流區(qū),（2）按數(shù)學(xué)模型考慮的深度分,第級(jí)模型： 各參數(shù)均作為恒值，不隨床高而變，也與氣泡狀況無關(guān)。 第級(jí)模型： 各參數(shù)均作為恒值，不隨床高而變，但與氣泡大小有關(guān)。 氣泡大小用一當(dāng)量直徑來表征（亦為恒值,不隨床高而變）,當(dāng)量直徑作為模型的可調(diào)參數(shù)。 第級(jí)模型： 各參數(shù)均與氣泡大小有關(guān); 氣泡大小隨床高而變; 一般都是等溫的鼓泡床模型，對(duì)于更復(fù)雜的情況目前能處理的還不多。,7.4.2 鼓泡床模型,鼓泡床模型是當(dāng)前真正工業(yè)流化床設(shè)計(jì)中應(yīng)用較好的一個(gè)模型，它是由國(guó)井-列文斯比首先提出來的，屬于按數(shù)學(xué)模型考慮的深度分類的第級(jí)模型。 由于氣速較大，因此本模型假定床頂出氣組成完全可用氣泡中的組成代表，而不必計(jì)及乳相中的情況，這樣只需計(jì)算氣泡中的氣體組成便可算出反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。,鼓泡床模型的基本假定 床內(nèi)存在三相：氣泡相、泡暈相和乳化相。三相間的傳質(zhì)和反應(yīng)過程為串聯(lián)： 氣泡相 泡暈相 乳化相 床內(nèi)所有氣泡大小相等，均勻分散于整個(gè)床層，氣泡直徑可用一當(dāng)量直徑來表示，它是決定床層內(nèi)操作狀態(tài)的唯一參數(shù)。 乳化相處于臨介流化狀態(tài)，乳化相氣速為umf；超過臨介流化氣速的所有氣體均以氣泡