第五節(jié)流態(tài)化基本原理

1、2021-6-23石油加工工程1 第五節(jié)第五節(jié) 流態(tài)化基本原理流態(tài)化基本原理 2021-6-23石油加工工程2 一：流態(tài)化的形成和轉(zhuǎn)化一：流態(tài)化的形成和轉(zhuǎn)化 1 1固定床、流化床及稀相輸送固定床、流化床及稀相輸送 當(dāng)當(dāng)氣速較小氣速較小時(shí)，時(shí)，催化劑堆緊，催化劑堆緊，為為固定床階段固定床階段； 當(dāng)氣速增達(dá)到一定程度以后，當(dāng)氣速增達(dá)到一定程度以后，床層開始膨脹，床層開始膨脹，為為膨脹膨脹 床床； 當(dāng)當(dāng)u=uu=umf mf時(shí) 時(shí)，固體粒子被氣流懸浮起來(lái)做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，固體粒子被氣流懸浮起來(lái)做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)， 為為流化床階段流化床階段； 繼續(xù)增大氣速至繼續(xù)增大氣速至u=uu=ut t，催化劑開始被氣流帶走

2、，催化劑開始被氣流帶走，為為稀稀 相輸送階段相輸送階段 2021-6-23石油加工工程3 因此，固體顆粒的流化可根據(jù)氣速劃分成三個(gè)階段：因此，固體顆粒的流化可根據(jù)氣速劃分成三個(gè)階段： 固定床階段，固定床階段，uuuumf mf； ； 流化床階段，流化床階段，u umf mfuu uuuut t 2021-6-23石油加工工程4 在固定床階段，氣體通過固定床顆粒之間的在固定床階段，氣體通過固定床顆粒之間的 空隙時(shí)，因有摩擦阻力而產(chǎn)生壓降，空隙時(shí)，因有摩擦阻力而產(chǎn)生壓降，摩擦阻力與摩擦阻力與 氣體流速的平方成正比氣體流速的平方成正比，故，故uu，床層壓降，床層壓降 2021-6-23石油加工工程5

3、 當(dāng)床層所受壓力達(dá)到平衡時(shí)，床層被懸浮起來(lái)而顆粒自當(dāng)床層所受壓力達(dá)到平衡時(shí)，床層被懸浮起來(lái)而顆粒自 由運(yùn)動(dòng)。床層受三個(gè)力作用：由運(yùn)動(dòng)。床層受三個(gè)力作用：重力、摩擦力和浮力重力、摩擦力和浮力。對(duì)催。對(duì)催 化劑來(lái)說，其摩擦力與床層壓降有關(guān)化劑來(lái)說，其摩擦力與床層壓降有關(guān): : 床層體積 占的體積床層顆粒之間的空隙所 固體顆粒的重量為一定值，即固體顆粒的重量為一定值，即V(1-)V(1-)為一定值為一定值，因此當(dāng)，因此當(dāng) 氣速增大時(shí)，氣速增大時(shí)，VV，但，但V(1-)V(1-)不變，因此，不變，因此，P.FP.F 也不變也不變 隨著氣速上升，所受摩擦阻力增大，當(dāng)隨著氣速上升，所受摩擦阻力增大，當(dāng)u

4、u達(dá)到達(dá)到u ut t時(shí)，催化時(shí)，催化 劑的浮力比重力大了，催化劑也就被氣體帶走了劑的浮力比重力大了，催化劑也就被氣體帶走了 )()1 ()1 ()1 ( 氣固氣固 VVVFP 2021-6-23石油加工工程6 2 2氣氣- -固流態(tài)化域固流態(tài)化域 根據(jù)流化床中氣體的根據(jù)流化床中氣體的表觀氣速表觀氣速不同，床層可以分為幾不同，床層可以分為幾 種不同的流化狀態(tài)種不同的流化狀態(tài): :固定床、散式流化床、鼓泡流化床、固定床、散式流化床、鼓泡流化床、 湍動(dòng)床、快速床和輸送床湍動(dòng)床、快速床和輸送床 固定床固定床 散式流化床散式流化床 鼓泡流化床鼓泡流化床 湍動(dòng)床湍動(dòng)床 快速床快速床 輸送床輸送床 202

5、1-6-23石油加工工程7 二：流化床的一些基本現(xiàn)象二：流化床的一些基本現(xiàn)象 1 1散式流化散式流化 沒有聚集現(xiàn)象，床層界面平穩(wěn)沒有聚集現(xiàn)象，床層界面平穩(wěn)，隨著氣速的增大，床層，隨著氣速的增大，床層 的空隙率增大，床層膨脹的空隙率增大，床層膨脹 可以用床高與起始流化時(shí)的床高之比可以用床高與起始流化時(shí)的床高之比L LB B/L/Lmf mf來(lái)表示床層 來(lái)表示床層 的膨脹程度，亦稱的膨脹程度，亦稱膨脹比膨脹比 影響膨脹比的因素有影響膨脹比的因素有固體顆粒的性質(zhì)和粒徑、氣體的流固體顆粒的性質(zhì)和粒徑、氣體的流 速和性質(zhì)、床徑和床高等速和性質(zhì)、床徑和床高等 在催化裂化裝置中，催化劑的密相輸送就是處于散式

6、流在催化裂化裝置中，催化劑的密相輸送就是處于散式流 化狀態(tài)化狀態(tài) 2021-6-23石油加工工程8 2 2鼓泡床的一些基本現(xiàn)象鼓泡床的一些基本現(xiàn)象 鼓泡床的固體鼓泡床的固體顆粒不是以單個(gè)而是以集團(tuán)顆粒不是以單個(gè)而是以集團(tuán)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的 鼓泡床的床層包括鼓泡床的床層包括氣泡相和顆粒相氣泡相和顆粒相兩部分兩部分 氣泡的形狀氣泡的形狀 氣體返混和固體返混氣體返混和固體返混 氣泡的形成氣泡的形成 氣節(jié)和溝流氣節(jié)和溝流 圖圖1 圖圖2 2 圖圖3 3 2021-6-23石油加工工程9 密相床和稀相密相床和稀相 在流化床床層的頂部有一個(gè)在流化床床層的頂部有一個(gè)波動(dòng)的界面波動(dòng)的界面，界面以下成為界面以

7、下成為 密相床，界面以上的空間稱為稀相密相床，界面以上的空間稱為稀相 氣速較低時(shí)，稀相和密相之間有明顯的界面；隨著氣速氣速較低時(shí)，稀相和密相之間有明顯的界面；隨著氣速 的增大，密相床的密度變小而稀相的密度增大，兩相之間的增大，密相床的密度變小而稀相的密度增大，兩相之間 的界面逐漸變得不明顯的界面逐漸變得不明顯 催化劑的夾帶催化劑的夾帶 被固體帶到稀相的固體顆粒可以分為被固體帶到稀相的固體顆?？梢苑譃閮刹糠謨刹糠郑?細(xì)顆粒細(xì)顆粒：終端速度低于表觀速度：終端速度低于表觀速度 較粗顆粒較粗顆粒：終端速度比表觀速度大：終端速度比表觀速度大 2021-6-23石油加工工程10 輸送分離高度輸送分離高度(

8、 (分離空間高度分離空間高度) ) 隨著氣體離開床面向上運(yùn)動(dòng)，沿整個(gè)容器截面的速度分隨著氣體離開床面向上運(yùn)動(dòng)，沿整個(gè)容器截面的速度分 布趨于均勻，當(dāng)氣體上升至某個(gè)高度時(shí)，氣體分布達(dá)到均布趨于均勻，當(dāng)氣體上升至某個(gè)高度時(shí)，氣體分布達(dá)到均 一，等于表觀氣速，此時(shí)的高度一，等于表觀氣速，此時(shí)的高度( (以床面為基準(zhǔn)以床面為基準(zhǔn)) )即稱為即稱為 “空間分離高度空間分離高度”或或“輸送分離高度輸送分離高度” ” 能夠繼續(xù)隨氣體上升至輸送分離高度以上的顆粒只是那能夠繼續(xù)隨氣體上升至輸送分離高度以上的顆粒只是那 些終端速度低于表觀氣速的細(xì)粉，也就是說，些終端速度低于表觀氣速的細(xì)粉，也就是說，在稀相段的在稀

9、相段的 顆粒濃度隨高度增加而減小顆粒濃度隨高度增加而減小，到達(dá)輸送分離高度以后，顆，到達(dá)輸送分離高度以后，顆 粒濃度不再降低粒濃度不再降低 )7 . 0exp()7 . 07 . 2(/ 23. 036. 0 TfTT DuDDTDH 2021-6-23石油加工工程11 4 4快速流化床快速流化床 隨著氣速的增大，當(dāng)氣速達(dá)到隨著氣速的增大，當(dāng)氣速達(dá)到u ufp fp時(shí)，即進(jìn)入快速床階段， 時(shí)，即進(jìn)入快速床階段， 此時(shí)，此時(shí)，必須依靠提高固體顆粒的循環(huán)量才能維持床層密度必須依靠提高固體顆粒的循環(huán)量才能維持床層密度 形成快速流化床的形成快速流化床的基本前提條件基本前提條件是：是： 流化固體是細(xì)顆粒

10、；流化固體是細(xì)顆粒； 氣速超過固體顆粒的終端速度，氣速超過固體顆粒的終端速度，u ufp fp=3 =34 4ut ut； ； 有一定的循環(huán)量，以保證床層有一定的密度。有一定的循環(huán)量，以保證床層有一定的密度。 快速流化床的快速流化床的特點(diǎn)特點(diǎn)是：是： 床層很均勻；床層很均勻； 采用氣速高、處理量大；采用氣速高、處理量大； 氣固接觸良好氣固接觸良好 2021-6-23石油加工工程12 5 5流化床反應(yīng)器的特點(diǎn)流化床反應(yīng)器的特點(diǎn) 其其優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)有：有： 由于返混和傳熱效率高，床層各部分溫度較均勻，避由于返混和傳熱效率高，床層各部分溫度較均勻，避 免了局部高溫現(xiàn)象，對(duì)強(qiáng)放熱反應(yīng)免了局部高溫現(xiàn)象，對(duì)強(qiáng)放

11、熱反應(yīng)( (再生再生) )，可采用較高的反，可采用較高的反 應(yīng)溫度以提高反應(yīng)速度；應(yīng)溫度以提高反應(yīng)速度； 氣氣- -固運(yùn)動(dòng)很激烈，且固體顆粒的直徑很小，因此氣固運(yùn)動(dòng)很激烈，且固體顆粒的直徑很小，因此氣 固之間的傳質(zhì)效率高，提高了傳質(zhì)步驟的速率，對(duì)于擴(kuò)散控固之間的傳質(zhì)效率高，提高了傳質(zhì)步驟的速率，對(duì)于擴(kuò)散控 制的化學(xué)反應(yīng)特別有利；制的化學(xué)反應(yīng)特別有利； 固體處于流化態(tài)，具有流體一樣的流動(dòng)性，裝卸、輸固體處于流化態(tài)，具有流體一樣的流動(dòng)性，裝卸、輸 送都很方便；送都很方便； 催化劑在反應(yīng)器和再生器之間大量循環(huán)，簡(jiǎn)化了設(shè)備，催化劑在反應(yīng)器和再生器之間大量循環(huán)，簡(jiǎn)化了設(shè)備， 又傳送了大量的熱量，可以進(jìn)行

12、自動(dòng)控制又傳送了大量的熱量，可以進(jìn)行自動(dòng)控制 2021-6-23石油加工工程13 流化床的流化床的不足之處不足之處主要表現(xiàn)在：主要表現(xiàn)在： 氣固接觸不充分，因此一般鼓泡床很難達(dá)到很高的氣固接觸不充分，因此一般鼓泡床很難達(dá)到很高的 轉(zhuǎn)化率；轉(zhuǎn)化率； 氣固流化床由于返混造成催化劑在床層內(nèi)停留時(shí)間氣固流化床由于返混造成催化劑在床層內(nèi)停留時(shí)間 不均一；不均一； 催化劑在床層中劇烈攪動(dòng)，造成催化劑顆粒和設(shè)備催化劑在床層中劇烈攪動(dòng)，造成催化劑顆粒和設(shè)備 磨損；磨損； 在生產(chǎn)負(fù)荷太低的情況下，流化床操作難以平穩(wěn)，在生產(chǎn)負(fù)荷太低的情況下，流化床操作難以平穩(wěn)， 操作波動(dòng)大操作波動(dòng)大 2021-6-23石油加工工

13、程14 三：提升管中的氣三：提升管中的氣- -固流動(dòng)固流動(dòng)( (垂直管中的稀相輸送垂直管中的稀相輸送) ) 氣氣- -固輸送可以根據(jù)密度不同而分為稀相輸送和密相輸送，固輸送可以根據(jù)密度不同而分為稀相輸送和密相輸送， 通常以通常以100kg/m100kg/m3 3為劃分界限為劃分界限 在提升管中，氣在提升管中，氣- -固混合物的密度大約十幾到幾十千克每立固混合物的密度大約十幾到幾十千克每立 方米，因此屬于方米，因此屬于稀相輸送稀相輸送的范圍的范圍 2021-6-23石油加工工程15 工業(yè)裝置中，提升管入口線速一般采用工業(yè)裝置中，提升管入口線速一般采用4.54.57.5m/s7.5m/s, ,在在

14、 提升管出口處的氣體線速增大到提升管出口處的氣體線速增大到8 818m/s18m/s 催化劑的滑落催化劑的滑落 催化劑顆粒在提升管中是被油氣攜帶上去的，它的催化劑顆粒在提升管中是被油氣攜帶上去的，它的 上升速度總是要比氣體速度低些，這種現(xiàn)象稱為催化劑上升速度總是要比氣體速度低些，這種現(xiàn)象稱為催化劑 的滑落的滑落 氣體線速度氣體線速度u uf f與催化劑線速度與催化劑線速度u us s之比則稱為滑落系數(shù)之比則稱為滑落系數(shù) tf f s f uu u u u 滑落系數(shù) 2021-6-23石油加工工程16 2021-6-23石油加工工程17 四：催化劑的循環(huán)四：催化劑的循環(huán) 流化催化裂化的反應(yīng)器和再

15、生器之間必須有大量的催化劑流化催化裂化的反應(yīng)器和再生器之間必須有大量的催化劑 循環(huán)，因?yàn)榇呋瘎┎粌H要周期性的反應(yīng)和再生以維持一定循環(huán)，因?yàn)榇呋瘎┎粌H要周期性的反應(yīng)和再生以維持一定 的活性水平，而且還要起到取熱和供熱的熱載體的作用的活性水平，而且還要起到取熱和供熱的熱載體的作用 能否實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的催化劑循環(huán)，是催化裂化裝置設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能否實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的催化劑循環(huán)，是催化裂化裝置設(shè)計(jì)和生產(chǎn) 中的關(guān)鍵性問題中的關(guān)鍵性問題 流化催化裂化裝置的催化劑循環(huán)采用流化催化裂化裝置的催化劑循環(huán)采用密相輸送密相輸送的方法，在的方法，在 提升管催化裂化裝置中是采用提升管催化裂化裝置中是采用斜管或立管斜管或立管輸送的輸送的 2

16、021-6-23石油加工工程18 固體顆粒的密相輸送有兩種形態(tài)：固體顆粒的密相輸送有兩種形態(tài)： 粘滑流動(dòng)粘滑流動(dòng): :固體之間互相壓緊、陣發(fā)性的緩慢向下流動(dòng)固體之間互相壓緊、陣發(fā)性的緩慢向下流動(dòng) 充氣流動(dòng)充氣流動(dòng): :固體顆粒和氣體的相對(duì)速度較大，足以使固體固體顆粒和氣體的相對(duì)速度較大，足以使固體 流化起來(lái)，氣流化起來(lái)，氣- -固混合物具有流體的性質(zhì)，可以向任意方向固混合物具有流體的性質(zhì)，可以向任意方向 流動(dòng)流動(dòng) 在提升管催化裂化裝置中，常在提升管催化裂化裝置中，常 用斜管進(jìn)行催化劑輸送用斜管進(jìn)行催化劑輸送 2021-6-23石油加工工程19 要使催化劑能在管線中穩(wěn)定流動(dòng)，則催化劑受的要使催化

17、劑能在管線中穩(wěn)定流動(dòng)，則催化劑受的阻力阻力= =推推 動(dòng)力動(dòng)力 由柏努力方程可得：由柏努力方程可得： vftfa ppphpp ,21 在設(shè)計(jì)斜管時(shí)，必須讓輸送斜管與水平面的夾角大于催在設(shè)計(jì)斜管時(shí)，必須讓輸送斜管與水平面的夾角大于催 化劑的休止角化劑的休止角r r 在工業(yè)催化裂化裝置中，輸送斜管與垂直線的夾角一般在工業(yè)催化裂化裝置中，輸送斜管與垂直線的夾角一般 采用采用27273535 為了使催化劑不在容器的底部沉積，應(yīng)使容器底部錐體為了使催化劑不在容器的底部沉積，應(yīng)使容器底部錐體 斜面與水平線的夾角大于催化劑的內(nèi)摩擦角斜面與水平線的夾角大于催化劑的內(nèi)摩擦角 2021-6-23石油加工工程20

18、 1.1.催化劑的循環(huán)線路催化劑的循環(huán)線路 2021-6-23石油加工工程21 2021-6-23石油加工工程22 2.2.充氣流動(dòng)的壓降充氣流動(dòng)的壓降 氣氣- -固混合物在流化狀態(tài)下由固混合物在流化狀態(tài)下由1 1點(diǎn)流至點(diǎn)流至2 2 點(diǎn)時(shí)的壓降為：點(diǎn)時(shí)的壓降為： vftfa ppphpp ,21 2021-6-23石油加工工程23 料柱產(chǎn)生的靜壓差料柱產(chǎn)生的靜壓差Ph=Ph=h h( (簡(jiǎn)稱靜壓簡(jiǎn)稱靜壓) )，一般有兩種計(jì)，一般有兩種計(jì) 算方法：算方法： 由氣體和固體的流量計(jì)算由氣體和固體的流量計(jì)算 sg sg VV WW mkg )/( 3 上式可簡(jiǎn)化為：上式可簡(jiǎn)化為：=Ws/Vg 考慮滑落系數(shù)考慮滑落系數(shù)時(shí)：時(shí)：=Ws=Ws/Vg/Vg 2021-6-23石油加工工程24 由實(shí)測(cè)壓差計(jì)算由實(shí)測(cè)壓差計(jì)算 生產(chǎn)中通常是直接測(cè)定兩點(diǎn)的生產(chǎn)中通常是直接測(cè)定兩點(diǎn)的壓差壓差得到壓降，即：得到壓降，即： P P1 1-P-P2 2= =P P )( fah ppphp hppp fa /)( 在一般情況下：在一般情況下：ppp fa )( 上式可簡(jiǎn)化為：上式可