化學反應工程_第八章_流化床反應器

1、第八章第八章流化床反應工程流化床反應工程 n第一節(jié)第一節(jié) 固體流態(tài)化的基本特征固體流態(tài)化的基本特征n第二節(jié)第二節(jié) 流化床的特征速度流化床的特征速度n第三節(jié)第三節(jié) 氣氣-固密相流化床固密相流化床n第四節(jié)第四節(jié) 循環(huán)流化床循環(huán)流化床目目 錄錄 n固體散料懸浮于運動的流體，顆粒之間脫離接觸而具有類似固體散料懸浮于運動的流體，顆粒之間脫離接觸而具有類似于流體性能的過程，稱為于流體性能的過程，稱為“固體流態(tài)化固體流態(tài)化”。n流化床反應器：流化床反應器：利用氣體或液體利用氣體或液體自下而上自下而上通過固體顆粒床層通過固體顆粒床層而使固體顆粒處于而使固體顆粒處于懸浮懸浮運動狀態(tài)，并進行氣固相反應或液固運動狀

2、態(tài)，并進行氣固相反應或液固相反應的反應器。相反應的反應器。n我國于我國于1956年開始將流態(tài)化技術應用于工業(yè)裝置，南京化學年開始將流態(tài)化技術應用于工業(yè)裝置，南京化學工業(yè)公司自立更生建立了硫鐵礦流化床焙燒裝置，取代多層工業(yè)公司自立更生建立了硫鐵礦流化床焙燒裝置，取代多層硫鐵礦機械焙燒爐，并迅速廣泛推廣，促進了硫酸工業(yè)發(fā)展。硫鐵礦機械焙燒爐，并迅速廣泛推廣，促進了硫酸工業(yè)發(fā)展。前前 言言 n國際上重質(zhì)油催化裂化使用流態(tài)化技術的工業(yè)裝置投產(chǎn)國際上重質(zhì)油催化裂化使用流態(tài)化技術的工業(yè)裝置投產(chǎn)于于1942年，我國自主開發(fā)的第一套流化床催化裂化工業(yè)年，我國自主開發(fā)的第一套流化床催化裂化工業(yè)裝置于裝置于196

3、5年建成投產(chǎn)，縮短了我國與發(fā)達國家在煉油年建成投產(chǎn)，縮短了我國與發(fā)達國家在煉油領域內(nèi)的差距，并對裂化催化劑及流化床裝置系統(tǒng)進行領域內(nèi)的差距，并對裂化催化劑及流化床裝置系統(tǒng)進行了多次重大改進，發(fā)表了多部有關的專著（重質(zhì)油國家了多次重大改進，發(fā)表了多部有關的專著（重質(zhì)油國家重點實驗室）。重點實驗室）。n我國流化床催化工業(yè)反應器已廣泛應用于丙烯腈等有機我國流化床催化工業(yè)反應器已廣泛應用于丙烯腈等有機合成中強放熱反應而要求溫度范圍較窄的過程。合成中強放熱反應而要求溫度范圍較窄的過程。n在能源工業(yè)方面，我國正在發(fā)展超高壓循環(huán)流化床電站在能源工業(yè)方面，我國正在發(fā)展超高壓循環(huán)流化床電站鍋爐。鍋爐。前前 言言

4、1. 顆粒的分類顆粒的分類 顆粒的密度及粒度對流化特性有顯著影響。根據(jù)不同的顆粒的密度及粒度對流化特性有顯著影響。根據(jù)不同的顆粒密度和粒度，顆粒可以分為顆粒密度和粒度，顆?？梢苑譃锳、B、C、D 共共4類。類。nA類顆粒稱為細顆粒類顆粒稱為細顆粒，一般粒度較?。?，一般粒度較?。?0 100m）并且顆）并且顆粒密度較?。Ｃ芏容^?。╬1400 kg/m3）。）。A類顆粒形成鼓泡床后，類顆粒形成鼓泡床后，密相中空隙率明顯大于臨界流密相中空隙率明顯大于臨界流化空隙率化空隙率mf ；密相中氣、固返混較嚴重，氣泡相與密相之間氣體交換密相中氣、固返混較嚴重，氣泡相與密相之間氣體交換速度較高；速度較高；隨著

5、顆粒平均粒度降低，氣泡尺寸隨之減小；隨著顆粒平均粒度降低，氣泡尺寸隨之減小；催化裂化催化劑是典型的催化裂化催化劑是典型的A類顆粒類顆粒。第一節(jié)第一節(jié) 固體流態(tài)化的基本特征及工業(yè)應用固體流態(tài)化的基本特征及工業(yè)應用一、流態(tài)化現(xiàn)象一、流態(tài)化現(xiàn)象 nB類顆粒稱為粗顆粒類顆粒稱為粗顆粒，一般粒度較大（，一般粒度較大（100 600 m）并且）并且顆粒密度較大（顆粒密度較大（ p20510提升管直徑，提升管直徑，m0.71548固體貯量固體貯量高高低低出口結構出口結構平滑平滑非平滑非平滑 n當床層從低氣速流態(tài)化的鼓泡床、湍動床轉(zhuǎn)變?yōu)楦邭馑俚漠敶矊訌牡蜌馑倭鲬B(tài)化的鼓泡床、湍動床轉(zhuǎn)變?yōu)楦邭馑俚牧鲬B(tài)化后，氣體從

6、流態(tài)化后，氣體從分散的氣泡分散的氣泡逐漸過渡到逐漸過渡到連續(xù)的氣流連續(xù)的氣流；顆；顆粒逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⒃跉饬髦械念w粒聚集體，成為分散相。粒逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⒃跉饬髦械念w粒聚集體，成為分散相。這一區(qū)域的流速稱為這一區(qū)域的流速稱為轉(zhuǎn)相流化速度轉(zhuǎn)相流化速度（phase fluidization velocity）uTF；n在轉(zhuǎn)相后的快速流化區(qū)，由于氣、固間劇烈變動，傳質(zhì)及在轉(zhuǎn)相后的快速流化區(qū)，由于氣、固間劇烈變動，傳質(zhì)及傳熱效率增高，適合于許多快速的強放熱及強吸熱反應，傳熱效率增高，適合于許多快速的強放熱及強吸熱反應，如石油加工中的催化裂化反應。如石油加工中的催化裂化反應。 2. 高氣速氣高氣速氣-固流態(tài)

7、化中的流型固流態(tài)化中的流型 循環(huán)流化床中顆粒濃度沿床層軸向呈上稀下濃的連續(xù)循環(huán)流化床中顆粒濃度沿床層軸向呈上稀下濃的連續(xù)分布。顆粒濃度沿床層徑向為中心稀，邊壁濃，顆粒流速分布。顆粒濃度沿床層徑向為中心稀，邊壁濃，顆粒流速在中心區(qū)主要向上，邊壁區(qū)主要向下，呈現(xiàn)明顯的內(nèi)循環(huán)在中心區(qū)主要向上，邊壁區(qū)主要向下，呈現(xiàn)明顯的內(nèi)循環(huán)流動，或稱為環(huán)流動，或稱為環(huán)-核（核（core-annulus）模型，導致一定程度）模型，導致一定程度的顆粒返混，氣體返混則大為減小。的顆粒返混，氣體返混則大為減小。 快快床床顆顆粒粒的的徑徑向向分分布布顆粒含率顆粒含率實際分布實際分布模型分布模型分布0.20.4 0.6高高度度

8、快床快床氣流輸送氣流輸送湍流床湍流床 鼓泡流化床鼓泡流化床密度密度圖：各種狀態(tài)圖：各種狀態(tài) 流化床沿床高密度變化流化床沿床高密度變化 傳統(tǒng)的重質(zhì)油流化催化反應傳統(tǒng)的重質(zhì)油流化催化反應器采用循環(huán)流化床，原料油氣化器采用循環(huán)流化床，原料油氣化后與經(jīng)燒焦再生恢復活性的裂化后與經(jīng)燒焦再生恢復活性的裂化催化劑，經(jīng)上行提升管反應器，催化劑，經(jīng)上行提升管反應器，結焦后的催化劑經(jīng)下行再生器結焦后的催化劑經(jīng)下行再生器（即伴床）燒焦再生，形成循環(huán)（即伴床）燒焦再生，形成循環(huán)流化床。流化床。燒燒焦焦罐罐提提升升管管蒸蒸汽汽洗洗脫脫空氣空氣油氣油氣2. 高氣速氣高氣速氣-固流態(tài)化中的流型固流態(tài)化中的流型n近年來，將氣

9、近年來，將氣-固并流上固并流上行提升管反應器改為氣行提升管反應器改為氣-固并流下行床反應器，原固并流下行床反應器，原來的提升管作為伴床再生來的提升管作為伴床再生器，稱為氣器，稱為氣-固順重力場固順重力場流態(tài)化。流態(tài)化。2. 高氣速氣高氣速氣-固流態(tài)化中的流型固流態(tài)化中的流型順重力場流動順重力場流動與與上行床的逆重力場流動上行床的逆重力場流動比較比較:n局部顆粒濃度，局部氣、固速度的徑向分布更局部顆粒濃度，局部氣、固速度的徑向分布更均勻；均勻；n氣、固相在反應器內(nèi)的停留時間分布更均勻；氣、固相在反應器內(nèi)的停留時間分布更均勻；n有利于提高選擇性；有利于提高選擇性；n特別適用于一些需要接觸時間短的裂

10、解過程，特別適用于一些需要接觸時間短的裂解過程，如現(xiàn)行高活性的分子篩裂解催化劑。如現(xiàn)行高活性的分子篩裂解催化劑。n反應器空隙率高，固相存量少；反應器空隙率高，固相存量少；n固相含量低導致床層與換熱面間傳熱速率較低。固相含量低導致床層與換熱面間傳熱速率較低。 高氣速流化床與低氣速流化床操作的比較高氣速流化床與低氣速流化床操作的比較 高氣速流態(tài)化的優(yōu)缺點高氣速流態(tài)化的優(yōu)缺點 1. 流態(tài)化技術流態(tài)化技術的基本問題的基本問題：(1) 氣流體的分布氣流體的分布分布器的結構；分布器的結構；(2) 顆粒的流動特性顆粒的流動特性顆粒的尺寸、形狀、密度及粒度分布；顆粒的尺寸、形狀、密度及粒度分布；(3) 特征流

11、速特征流速臨界流化速度、起始湍動流化速度等；臨界流化速度、起始湍動流化速度等；(4) 床層的膨脹與壓降；床層的膨脹與壓降；(5) 氣泡的行為和影響氣泡的行為和影響氣泡的結構、尺寸和上升速度；氣泡的結構、尺寸和上升速度； 乳相的行為和影響；乳相的行為和影響； 流態(tài)化的熱、質(zhì)傳遞；流態(tài)化的熱、質(zhì)傳遞； 內(nèi)部構件的影響內(nèi)部構件的影響垂直管、水平管、橫向擋板及特殊構件垂直管、水平管、橫向擋板及特殊構件 顆粒的夾帶和分離；顆粒的夾帶和分離； 顆粒的輸送；顆粒的輸送；(6) 流態(tài)化過程數(shù)學模型。流態(tài)化過程數(shù)學模型。三、流態(tài)化技術的基本問題三、流態(tài)化技術的基本問題 (1) 床內(nèi)物料的流化狀態(tài)，有助于實施連續(xù)

12、流動和循環(huán)操作；床內(nèi)物料的流化狀態(tài)，有助于實施連續(xù)流動和循環(huán)操作； (2) 傳熱效能高，而且床內(nèi)溫度易于維持均勻。傳熱效能高，而且床內(nèi)溫度易于維持均勻。 (3) 氣氣固相之間的傳質(zhì)速率較高。固相之間的傳質(zhì)速率較高。 (4) 粒子較細，可降低或消除內(nèi)擴散阻力，充分發(fā)揮催化劑的效粒子較細，可降低或消除內(nèi)擴散阻力，充分發(fā)揮催化劑的效能；能； (5) 流化床的結構比較簡單、緊湊，故適于大型生產(chǎn)操作；流化床的結構比較簡單、緊湊，故適于大型生產(chǎn)操作；2. 流態(tài)化技術流態(tài)化技術優(yōu)點優(yōu)點 低氣速下，大氣泡的存在易造成氣體短路，返混明顯，氣低氣速下，大氣泡的存在易造成氣體短路，返混明顯，氣體嚴重偏離平推流，對轉(zhuǎn)

13、化率影響較大；體嚴重偏離平推流，對轉(zhuǎn)化率影響較大； 多相流系統(tǒng)規(guī)律復雜，工程放大技術難度較大；多相流系統(tǒng)規(guī)律復雜，工程放大技術難度較大； 固體粒子的迅速循環(huán)和氣泡的攪動作用，會造成固體粒子固體粒子的迅速循環(huán)和氣泡的攪動作用，會造成固體粒子停留時間分布不均，降低了固體的出口平均轉(zhuǎn)化率；停留時間分布不均，降低了固體的出口平均轉(zhuǎn)化率； 粒子的磨損和帶出造成催化劑損耗，加劇了對設備的磨損。粒子的磨損和帶出造成催化劑損耗，加劇了對設備的磨損。3. 流態(tài)化技術流態(tài)化技術缺點缺點（1）物理操作）物理操作（2）礦物加工）礦物加工（3）煤的燃燒和轉(zhuǎn)化）煤的燃燒和轉(zhuǎn)化（4）石油加工）石油加工（5）有機合成工業(yè)）有

14、機合成工業(yè)（6）材料工業(yè)）材料工業(yè)四、流態(tài)化技術的工業(yè)應用四、流態(tài)化技術的工業(yè)應用第二節(jié)第二節(jié) 流化床的特征速度流化床的特征速度流化床的特征速度：流化床的特征速度：F臨界流化速度臨界流化速度 umfF起始鼓泡速度起始鼓泡速度 umbF起始湍動流化速度起始湍動流化速度 ucF快速流化的轉(zhuǎn)變速度快速流化的轉(zhuǎn)變速度 uTFF顆粒的終端速度顆粒的終端速度 ut一、臨界流化速度及起始鼓泡速度一、臨界流化速度及起始鼓泡速度1. 臨界流化速度臨界流化速度(1) 均勻顆粒均勻顆粒圖圖8-4 均勻砂粒的壓降與氣速的關系均勻砂粒的壓降與氣速的關系pmax表觀氣速表觀氣速ug, m/sumfut1 2 3 5 10

15、 20 30 50 100p，mmH2O50030020010050 0 mf流化床流化床固定床固定床夾帶開始夾帶開始tAWp ABC 當當ug較小時，床層處于固定床狀態(tài)，較小時，床層處于固定床狀態(tài)， 與與ug約約成正比，即固定床壓降式，一般采用成正比，即固定床壓降式，一般采用Ergun式；式； 床層壓降達一最大值床層壓降達一最大值 后，床層中原來緊擠后，床層中原來緊擠著的顆粒要先被松動，然后顆粒開始流動；著的顆粒要先被松動，然后顆粒開始流動； maxp p 略有降低，又趨于某一定值略有降低，又趨于某一定值,即床層靜壓即床層靜壓W/Ac。此。此時床層處于由固定床向流化床轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)，相應的時

16、床層處于由固定床向流化床轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)，相應的表觀流速稱為臨界流化速度表觀流速稱為臨界流化速度umf，此后床層壓降幾乎保持，此后床層壓降幾乎保持不變，直至顆粒被帶走不變，直至顆粒被帶走, 迅速下降。如果緩慢降低表觀迅速下降。如果緩慢降低表觀流速，床層逐步恢復到固定床，壓降流速，床層逐步恢復到固定床，壓降 將沿略為降低的將沿略為降低的路徑返回，并且不再出現(xiàn)極值，壓降比增加表觀流速時路徑返回，并且不再出現(xiàn)極值，壓降比增加表觀流速時小一些，小一些，這是由于顆粒逐漸靜止下來時，大體保持臨界這是由于顆粒逐漸靜止下來時，大體保持臨界流速時的床層空隙率流速時的床層空隙率 ，從圖中實線的拐彎點即可確定，從圖中

17、實線的拐彎點即可確定臨界流化速度。臨界流化速度。p p p mf 有許多關聯(lián)式計算臨界流化數(shù)速度，但大多數(shù)關聯(lián)式有許多關聯(lián)式計算臨界流化數(shù)速度，但大多數(shù)關聯(lián)式只適用于所研究的顆粒直徑及臨界只適用于所研究的顆粒直徑及臨界Remf 的實驗范圍；的實驗范圍； 較為通用并且適用范圍較廣的計算較為通用并且適用范圍較廣的計算umf的關聯(lián)式是的關聯(lián)式是Wen和和Yu基于基于Ergun的固定床壓力降計算式獲得的關聯(lián)式。的固定床壓力降計算式獲得的關聯(lián)式。 臨界流化狀態(tài)時，床層的壓力降臨界流化狀態(tài)時，床層的壓力降 應按下式計算：應按下式計算： 式中式中 是臨界流化時的床層空隙率，是臨界流化時的床層空隙率， 和和

18、分別是固體顆分別是固體顆粒和流體的密度，粒和流體的密度，/m3 。p (1)()mfmfsfcWpLgA mfsf Ergun固定床壓力降計算式如下：固定床壓力降計算式如下： 及及 以上諸式中，以上諸式中，ds為與顆粒等比表面積的圓球直徑，為與顆粒等比表面積的圓球直徑，dv為與顆粒等體積的圓球直徑，為與顆粒等體積的圓球直徑，uf 為流體的表觀流速，為流體的表觀流速， 為為形狀因子。形狀因子。 231501(1.75)()ReffmsupLd 11Re()()11sffsmffdud G 6psvspVddS s 臨界流化速度時，臨界流化速度時， 上式等號的左、右方均乘以上式等號的左、右方均乘以

19、 ，并以，并以 代入，代入，化簡可得：化簡可得：22331150(1)11.75()()()(1)()fmfmfmfffmfmfmfsfsmfsfmfsmfuugddud 32/sffdssvdd 323232150(1)()1.75()()vmffmfvmffvfsfsmffsmfffd ud udg 以量綱以量綱1數(shù)數(shù) 即即Ar (Archmides)數(shù)數(shù), 和和 代入上式，即代入上式，即32() /vfsffdg Remfvmfffd u 2323150(1)1.75(Re)RemfmfmfsmfsmfAr (2) 不均勻顆粒不均勻顆粒 流化床中的顆粒大多數(shù)為形狀不規(guī)則且粒度不均勻的流化

20、床中的顆粒大多數(shù)為形狀不規(guī)則且粒度不均勻的顆粒群。根據(jù)顆粒群。根據(jù)Wen和和Yu提出的非球形顆粒粒徑可采用兩提出的非球形顆粒粒徑可采用兩相鄰篩網(wǎng)的網(wǎng)孔凈寬的幾何平均值，或稱為篩分直徑相鄰篩網(wǎng)的網(wǎng)孔凈寬的幾何平均值，或稱為篩分直徑dpi，作為等體積圓球直徑作為等體積圓球直徑dv。 形狀不規(guī)則并存在粒度分布的顆粒群的調(diào)和平均直徑形狀不規(guī)則并存在粒度分布的顆粒群的調(diào)和平均直徑11niipipxdd Wen和和Yu整理了許多研究者對多種球形及非球形顆粒，整理了許多研究者對多種球形及非球形顆粒，以水、空氣、以水、空氣、CO2、氬及、氬及H2-N2混合氣體作流體的臨界流混合氣體作流體的臨界流化速度化速度u

21、mf在廣泛范圍的實驗數(shù)據(jù)，其中在廣泛范圍的實驗數(shù)據(jù)，其中 為為0.1361.0，粒，粒徑為徑為0.0550，得到下列近似關系：，得到下列近似關系： 則：則： 而而 c1=33.7，c2=0.0408。s 23(1) ()11mfsmf 31 ()14smf 20.5121RemfPmfffd ucc Arc 對于小顆粒，對于小顆粒，Ar數(shù)很小，即數(shù)很小，即 對于大顆粒，對于大顆粒，Ar數(shù)很大，即數(shù)很大，即 2()(1650)mfPsffudg Re20mf 0.5()(24.5)mfpsffudg Re1000mf 2. 散式流態(tài)化與聚式流態(tài)化的判據(jù)散式流態(tài)化與聚式流態(tài)化的判據(jù) Wilhelm

22、及及Kwawk在實驗的基礎上提出以在實驗的基礎上提出以Fr（Froude）數(shù)表達的下述判據(jù)式：）數(shù)表達的下述判據(jù)式： 液液-固散式流態(tài)化固散式流態(tài)化 氣氣-固聚式流態(tài)化固聚式流態(tài)化2/()0.13mfmfPFrugd0.13mfFr3. 起始鼓泡速度起始鼓泡速度 對于對于B類和類和D類顆粒，當表觀氣速超過臨界流化速度類顆粒，當表觀氣速超過臨界流化速度時，床層即已進入鼓泡流化床；對于時，床層即已進入鼓泡流化床；對于A類較小和較輕的顆類較小和較輕的顆粒，當粒，當ug 超過超過umf 后，還會經(jīng)歷一個散式流態(tài)化階段，然后，還會經(jīng)歷一個散式流態(tài)化階段，然后進入鼓泡流化床。此時，氣后進入鼓泡流化床。此時

23、，氣-固流化床的起始鼓泡速度固流化床的起始鼓泡速度umb可按可按Geldart提出的下式計算提出的下式計算 式中各物性參數(shù)的單位是式中各物性參數(shù)的單位是 制。制。kg m s 40.90.1/4.125 10/()mbmfggsgPuugd 4. 單組分不等粒度顆粒對臨界流化速度單組分不等粒度顆粒對臨界流化速度 及起始鼓泡速度的影響及起始鼓泡速度的影響 實踐表明，顆粒的流化特征不僅與顆粒的粒度有關，實踐表明，顆粒的流化特征不僅與顆粒的粒度有關，并且與粒度分布及混合并且與粒度分布及混合 顆粒的組成有關。在流態(tài)化過程中，顆粒的組成有關。在流態(tài)化過程中，uf開始增加時，開始增加時，許多粒度或密度較大

24、的顆粒繼續(xù)以固定床的狀態(tài)存在，許多粒度或密度較大的顆粒繼續(xù)以固定床的狀態(tài)存在，有些會被粒度或密度較小的顆粒沖擊而帶動，但基本上有些會被粒度或密度較小的顆粒沖擊而帶動，但基本上會下沉而失去流態(tài)化。當流速超過會下沉而失去流態(tài)化。當流速超過D點時，粒度或密度較點時，粒度或密度較大的顆粒逐漸流態(tài)化，不同粒度或密度顆粒的沉降速度大的顆粒逐漸流態(tài)化，不同粒度或密度顆粒的沉降速度也不同。也不同。 隨著粒徑的減小和細顆粒分數(shù)的增加，較難產(chǎn)生氣泡，隨著粒徑的減小和細顆粒分數(shù)的增加，較難產(chǎn)生氣泡，而氣泡的形成對床層的熱、質(zhì)傳遞和穩(wěn)定性都不利，即而氣泡的形成對床層的熱、質(zhì)傳遞和穩(wěn)定性都不利，即細顆粒分數(shù)增加有利于改

25、善床層的流化質(zhì)量。細顆粒分數(shù)增加有利于改善床層的流化質(zhì)量。 fuploglog圖圖8-5 顆粒不均勻或密度不同的混合顆顆粒不均勻或密度不同的混合顆粒的流態(tài)化的粒的流態(tài)化的 圖圖二、起始湍動流化速度、快速流態(tài)化二、起始湍動流化速度、快速流態(tài)化 及密相氣力輸送的轉(zhuǎn)變速度及密相氣力輸送的轉(zhuǎn)變速度 陳少鵬等根據(jù)改變操作壓力對無內(nèi)部構件自由床的起陳少鵬等根據(jù)改變操作壓力對無內(nèi)部構件自由床的起始湍動流化速度始湍動流化速度uc的影響試驗，獲得的影響試驗，獲得uc與有關參數(shù)間的關與有關參數(shù)間的關聯(lián)式如下：聯(lián)式如下：1. 起始湍動流化速度起始湍動流化速度320200.20.270.271.270.2112.42

26、 10()()()()ggsgcRRRgggPpuDDDdgd ? 采用尺寸和密度都較大的顆粒，相同氣速下向湍動流態(tài)采用尺寸和密度都較大的顆粒，相同氣速下向湍動流態(tài) 化轉(zhuǎn)變的化轉(zhuǎn)變的uc值升高，而采用尺寸較小和較輕的顆粒，則值升高，而采用尺寸較小和較輕的顆粒，則uc較小，有利于改善密相流化床的流化質(zhì)量；較小，有利于改善密相流化床的流化質(zhì)量；? 增加操作壓力，增加操作壓力， uc值下降；值下降；? 增加操作溫度，增加操作溫度， uc值上升；值上升；? 流化床床徑加大，對流化床床徑加大，對uc的影響減少，床徑大到一定程度的影響減少，床徑大到一定程度 后，對后，對uc值已無影響。值已無影響。2. 湍

27、動流態(tài)化向快速流態(tài)化的轉(zhuǎn)變速度湍動流態(tài)化向快速流態(tài)化的轉(zhuǎn)變速度 湍動流態(tài)化向快速流態(tài)化的轉(zhuǎn)變速度湍動流態(tài)化向快速流態(tài)化的轉(zhuǎn)變速度uTF可采可采用白丁榮等用白丁榮等18根據(jù)多組實驗數(shù)據(jù)獲得的關聯(lián)式：根據(jù)多組實驗數(shù)據(jù)獲得的關聯(lián)式： 式中式中Gs為顆粒的循環(huán)通量，為顆粒的循環(huán)通量， ； Ret為按顆粒帶出速度為按顆粒帶出速度ut計算的計算的Re數(shù)。數(shù)。0.2680.690.2(/)1.463()()(/)ReTFRSRgsggRPtugDG DDd 2/()kgms 3. 快速流態(tài)化向密相氣力輸送的轉(zhuǎn)變速度快速流態(tài)化向密相氣力輸送的轉(zhuǎn)變速度 白丁榮等根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，獲得快速流態(tài)化向密相氣力白丁榮等根據(jù)

28、實驗數(shù)據(jù)，獲得快速流態(tài)化向密相氣力輸送的轉(zhuǎn)變速度輸送的轉(zhuǎn)變速度uFD的表達式：的表達式：0.4420.960.344(/)0.684(/)()/(/)ReFDRsRgsggRptugDG DDd 三、顆粒的終端速度三、顆粒的終端速度 在相同直徑的光滑球形顆粒的散料懸浮層中，如果顆在相同直徑的光滑球形顆粒的散料懸浮層中，如果顆粒之間有足夠大的間距，比顆粒粒徑粒之間有足夠大的間距，比顆粒粒徑dp大大n個數(shù)量級或更個數(shù)量級或更大，大， 懸浮層中每顆顆粒的行為可以作為單一懸浮顆粒來懸浮層中每顆顆粒的行為可以作為單一懸浮顆粒來研究，懸浮的條件為顆粒的重力減去在在流體中的浮力研究，懸浮的條件為顆粒的重力減

29、去在在流體中的浮力等于在流體中所受的曳力，即等于在流體中所受的曳力，即 式中式中GDS為單顆粒的曳力系數(shù)。為單顆粒的曳力系數(shù)。1.單顆光滑球形顆粒的終端速度單顆光滑球形顆粒的終端速度233211()()() ()6642fpspfDSpudgdgCd 在低在低Ret數(shù)情況下，數(shù)情況下，ut與粒徑平方成正比，流與粒徑平方成正比，流體密度的影響甚小，成為黏滯力控制區(qū)。在高體密度的影響甚小，成為黏滯力控制區(qū)。在高Ret情況下，情況下，ut與粒徑平方根成正比，與流體的黏與粒徑平方根成正比，與流體的黏度無關，稱為慣性力控制區(qū)。度無關，稱為慣性力控制區(qū)。2. 非球形顆粒的終端速度非球形顆粒的終端速度 對于

30、不同形狀因子對于不同形狀因子 的單顆粒，曳力系數(shù)的單顆粒，曳力系數(shù)CDS值可從值可從下圖求得下圖求得s圖圖8-6 單顆粒曳力系數(shù)單顆粒曳力系數(shù)CDS與雷諾數(shù)的關系與雷諾數(shù)的關系三、顆粒群的曳力系數(shù)三、顆粒群的曳力系數(shù)CD 顆粒群懸浮于氣流中，即使單顆顆粒的粒徑顆粒群懸浮于氣流中，即使單顆顆粒的粒徑相等，由于顆粒間相互作用，使曳力系數(shù)下降，相等，由于顆粒間相互作用，使曳力系數(shù)下降，稱為受阻曳力系數(shù)稱為受阻曳力系數(shù)CD。在快速流化床中，白丁榮。在快速流化床中，白丁榮等等20通過多種通過多種A、B類顆粒的大量快速床的試驗類顆粒的大量快速床的試驗數(shù)據(jù)分析，獲得數(shù)據(jù)分析，獲得CD/CDS的關聯(lián)式如下：的

31、關聯(lián)式如下： 上式中上式中uSL為氣為氣-固兩相間平均滑落速度，而固兩相間平均滑落速度，而 105. 0213. 1253. 0)/()Re/(Re68. 1/RPtrDSDDdCC)/(RegSLgprudpgSLuuu)/()1 (/SSpGu第三節(jié)第三節(jié) 氣氣- -固密相流化床固密相流化床 氣氣-固密相流化床主要由床體、氣體分布器換熱裝置、固密相流化床主要由床體、氣體分布器換熱裝置、內(nèi)部構件和顆粒捕集系統(tǒng)組成。內(nèi)部構件和顆粒捕集系統(tǒng)組成。一、氣一、氣- -固密相流化床的基本結構固密相流化床的基本結構圖圖8-7 典型的密相流化床典型的密相流化床結構示意圖結構示意圖1. 氣體分布器氣體分布器

32、 氣體分布器的主要作用是將流化氣體均勻地分布在整氣體分布器的主要作用是將流化氣體均勻地分布在整個床層截面，也起到支撐流化顆粒的作用，為了保證氣個床層截面，也起到支撐流化顆粒的作用，為了保證氣體分布均勻，一般分布板開孔率約為體分布均勻，一般分布板開孔率約為1%以下，而分布板以下，而分布板的壓降為床層壓降的的壓降為床層壓降的1020%，在工業(yè)流化床中，由于床，在工業(yè)流化床中，由于床層提高，有時分布板壓降設計為床層壓降的層提高，有時分布板壓降設計為床層壓降的5%。 管柵分布器：管柵分布器：單層篩板單層篩板直形篩板直形篩板凹形篩板凹形篩板多層篩板多層篩板夾層填料夾層填料泡帽泡帽側(cè)縫錐帽側(cè)縫錐帽原則：原

33、則：以分布均勻，防以分布均勻，防止積料，結構簡單和止積料，結構簡單和材料節(jié)省為宜。材料節(jié)省為宜。直孔篩板直孔篩板凹形篩板凹形篩板直孔泡帽分布板直孔泡帽分布板泡帽側(cè)縫分布板泡帽側(cè)縫分布板錐型側(cè)縫分布板錐型側(cè)縫分布板 工業(yè)流化床反應器的床體工業(yè)流化床反應器的床體大都是圓柱形，上部擴大段直大都是圓柱形，上部擴大段直徑一般為下部密相床直徑的徑一般為下部密相床直徑的1.52.5倍倍。 流化床內(nèi)氣流化床內(nèi)氣-固濃相界面以固濃相界面以上 的 區(qū) 域 稱 為上 的 區(qū) 域 稱 為 自 由 空 域自 由 空 域（Freeboard）。由于氣泡逸。由于氣泡逸出床面時的彈射和夾帶作用，出床面時的彈射和夾帶作用，一些

34、顆粒會離開濃相床層進入一些顆粒會離開濃相床層進入自由空域。一部分自由空域內(nèi)自由空域。一部分自由空域內(nèi)的顆粒在重力作用下返回濃相的顆粒在重力作用下返回濃相床，而另一部分較細小的顆粒床，而另一部分較細小的顆粒則最終被氣流帶出流化床。則最終被氣流帶出流化床。2. 自由空域和擴大段自由空域和擴大段 擴大段可以顯著地降低氣流的速度，從而有助于自由擴大段可以顯著地降低氣流的速度，從而有助于自由空域內(nèi)的顆粒通過沉降作用返回濃相、減少顆粒帶出及空域內(nèi)的顆粒通過沉降作用返回濃相、減少顆粒帶出及降低自由空域內(nèi)的顆粒濃度。降低自由空域內(nèi)的顆粒濃度。 對于流化床化學反應器來說，自由空域顆粒濃度較低對于流化床化學反應器

35、來說，自由空域顆粒濃度較低對于減少不利的副反應往往是至關重要的。對于減少不利的副反應往往是至關重要的。 2. 自由空域和擴大段自由空域和擴大段3. 換熱裝置及內(nèi)部構件換熱裝置及內(nèi)部構件 根據(jù)流化床內(nèi)溫度及單位體積根據(jù)流化床內(nèi)溫度及單位體積放熱量的大小，換熱裝置一般為內(nèi)放熱量的大小，換熱裝置一般為內(nèi)壁或浸沒在床層內(nèi)的垂直或水平管壁或浸沒在床層內(nèi)的垂直或水平管束。常用的為垂直管束，并與余熱束。常用的為垂直管束，并與余熱回收裝置相連接?；厥昭b置相連接。 垂直換熱器也是垂直換熱器也是控制氣泡聚并、控制氣泡聚并、維持流化穩(wěn)定、促進氣維持流化穩(wěn)定、促進氣-固兩相接固兩相接觸和減少顆粒帶出觸和減少顆粒帶出的

36、內(nèi)部構件，但的內(nèi)部構件，但相鄰兩垂直面的間距應大于粒徑的相鄰兩垂直面的間距應大于粒徑的30倍，以免發(fā)生溝流。倍，以免發(fā)生溝流。 水平構件主要有水平構件主要有多孔擋板多孔擋板、導向擋板及篩網(wǎng)導向擋板及篩網(wǎng)，水平構，水平構件能有效地將床層分為串聯(lián)的若干區(qū)，兩板分隔的區(qū)內(nèi)件能有效地將床層分為串聯(lián)的若干區(qū)，兩板分隔的區(qū)內(nèi)上部會出現(xiàn)一段稀相段，稀相段下部密相段的密度隨氣上部會出現(xiàn)一段稀相段，稀相段下部密相段的密度隨氣速的變化與無擋板的自由床相同，各區(qū)間存在溫度梯度，速的變化與無擋板的自由床相同，各區(qū)間存在溫度梯度，床內(nèi)氣床內(nèi)氣-固流動較接近平推流。固流動較接近平推流。n擋板對氣相返混有明顯抑制作用，每塊

37、擋板的上下之間擋板對氣相返混有明顯抑制作用，每塊擋板的上下之間幾乎沒有氣體返混。幾乎沒有氣體返混。n擋板還能提早鼓泡流化床向湍動流化床過渡。擋板還能提早鼓泡流化床向湍動流化床過渡。3. 換熱裝置及內(nèi)部構件換熱裝置及內(nèi)部構件內(nèi)旋導向擋板內(nèi)旋導向擋板外旋導向擋板外旋導向擋板多旋導向擋板多旋導向擋板4. 細顆粒的捕集細顆粒的捕集 大多數(shù)流化床的沉降分大多數(shù)流化床的沉降分離高度之上的細顆粒用設置離高度之上的細顆粒用設置在氣在氣-固流化床內(nèi)的固流化床內(nèi)的旋風分離旋風分離器捕集器捕集，氣，氣-固密相流化床內(nèi)固密相流化床內(nèi)有二級旋風串聯(lián)，也有三級有二級旋風串聯(lián)，也有三級旋風串聯(lián)以增強分離效果，旋風串聯(lián)以增強

38、分離效果，大型流化床中還設置多組并大型流化床中還設置多組并聯(lián)的多極旋風分離器。聯(lián)的多極旋風分離器。氣泡的作用：氣泡的作用： 氣泡在上升過程中，因聚并而增大；氣泡在上升過程中，因聚并而增大； 同時不斷與乳相間進行物質(zhì)交換，即同時不斷與乳相間進行物質(zhì)交換，即將反應物傳遞到乳相中去，使在催化劑上將反應物傳遞到乳相中去，使在催化劑上進行反應，又將產(chǎn)物傳遞到氣泡中來。進行反應，又將產(chǎn)物傳遞到氣泡中來。泡相和乳相：泡相和乳相：在粒子之間的空隙處，氣體在粒子之間的空隙處，氣體以以u0流過，多余的氣體則是以氣泡狀態(tài)通流過，多余的氣體則是以氣泡狀態(tài)通過床層。因此常把氣泡與氣泡以外的密相過床層。因此常把氣泡與氣泡

39、以外的密相床分別稱為泡相和乳相。床分別稱為泡相和乳相。二、氣二、氣- -固鼓泡流化床固鼓泡流化床氣泡暈：氣泡暈：氣泡周圍為循環(huán)氣體所滲透的區(qū)域，其中所含粒子濃氣泡周圍為循環(huán)氣體所滲透的區(qū)域，其中所含粒子濃度和乳相幾乎相同。度和乳相幾乎相同。功能：功能：尾渦處由于壓力比近旁稍低，顆粒被卷了進來，形成尾渦處由于壓力比近旁稍低，顆粒被卷了進來，形成局部渦流。在氣泡上升途中，尾渦處不斷有一部分顆粒離開，局部渦流。在氣泡上升途中，尾渦處不斷有一部分顆粒離開，同時又有另一部分顆粒補充進來，從而促進了全床顆粒的循同時又有另一部分顆粒補充進來，從而促進了全床顆粒的循環(huán)與混合。環(huán)與混合?？偨Y：氣泡總結：氣泡氣泡

40、暈（氣泡云和尾渦）氣泡暈（氣泡云和尾渦）乳相。乳相。結構：結構：單個上升氣泡的頂呈球形，單個上升氣泡的頂呈球形，尾部略為內(nèi)凹，該內(nèi)凹處稱為尾尾部略為內(nèi)凹，該內(nèi)凹處稱為尾渦。渦。二、氣二、氣- -固鼓泡流化床固鼓泡流化床三、湍動流化床三、湍動流化床 鼓泡流化床中的氣速進一步提高時，床層壓降的相對脈動，鼓泡流化床中的氣速進一步提高時，床層壓降的相對脈動，即床層壓降的的脈動值與平均壓降之比，先隨表觀氣速的增大即床層壓降的的脈動值與平均壓降之比，先隨表觀氣速的增大而增大，這是由于氣泡發(fā)生的頻率增大和聚并增大的程度加劇而增大，這是由于氣泡發(fā)生的頻率增大和聚并增大的程度加劇所致。當氣速達到所致。當氣速達到

41、uc時，相對脈動值曲線達到極大值時，相對脈動值曲線達到極大值uc，即起，即起始湍動流化速度。再進一步提高表觀氣速始湍動流化速度。再進一步提高表觀氣速ug，壓力相對脈動值，壓力相對脈動值開始減小，直至氣速達到值開始減小，直至氣速達到值uk后，壓力脈動趨于平穩(wěn)。后，壓力脈動趨于平穩(wěn)。 當表觀氣速達當表觀氣速達uc時，促使氣泡破碎變小的傾向超過了時，促使氣泡破碎變小的傾向超過了聚并增大的傾向，故壓力脈動開始降低。當表觀氣速達聚并增大的傾向，故壓力脈動開始降低。當表觀氣速達uk時，床內(nèi)所含氣泡已基本上是比較均勻的小氣泡，原來不時，床內(nèi)所含氣泡已基本上是比較均勻的小氣泡，原來不均勻性很強的鼓泡床已轉(zhuǎn)變或

42、近似于均相特性的湍流床，均勻性很強的鼓泡床已轉(zhuǎn)變或近似于均相特性的湍流床，uk稱為全湍動流化速度。稱為全湍動流化速度。 據(jù)實驗研究，湍動流化床中存在著中心區(qū)及壁面區(qū)。據(jù)實驗研究，湍動流化床中存在著中心區(qū)及壁面區(qū)。湍流床中氣速相當高，但仍存在徑向不均勻分布，在床湍流床中氣速相當高，但仍存在徑向不均勻分布，在床中心處氣體流量大，且多為上流。在近壁處，大量顆粒中心處氣體流量大，且多為上流。在近壁處，大量顆粒循環(huán)下流，帶動氣體也一起下流。循環(huán)下流，帶動氣體也一起下流。第四節(jié)第四節(jié) 循環(huán)流化床循環(huán)流化床 對于細顆粒氣對于細顆粒氣-固流化床，當表觀流速逐步增高，固流化床，當表觀流速逐步增高，床層狀態(tài)將由鼓

43、泡床和湍動床的低氣速流態(tài)化向高氣床層狀態(tài)將由鼓泡床和湍動床的低氣速流態(tài)化向高氣速流態(tài)化流型中的快速流態(tài)化轉(zhuǎn)變，此時顆粒的夾帶速流態(tài)化流型中的快速流態(tài)化轉(zhuǎn)變，此時顆粒的夾帶速率愈益增大，如果沒有顆粒補入，床層中顆粒將很速率愈益增大，如果沒有顆粒補入，床層中顆粒將很快被吹空?？毂淮悼?。 為維持正常操作，必須向床中補入顆粒，顆粒的為維持正常操作，必須向床中補入顆粒，顆粒的循環(huán)通量循環(huán)通量 。一、流型轉(zhuǎn)變一、流型轉(zhuǎn)變minsGG 圖圖8-23 床層上、下部壓降與表觀氣速的變化關系床層上、下部壓降與表觀氣速的變化關系一、流型轉(zhuǎn)變一、流型轉(zhuǎn)變 工程上應用的循環(huán)流態(tài)化即包含上述快速流態(tài)化（如工程上應用的循環(huán)

44、流態(tài)化即包含上述快速流態(tài)化（如循環(huán)床燃煤鍋爐）和密相氣力輸送（如循環(huán)床燃煤鍋爐）和密相氣力輸送（如FCC提升管反應提升管反應器）兩個流動狀態(tài)。器）兩個流動狀態(tài)。圖圖8-24 循環(huán)流態(tài)化存在區(qū)域循環(huán)流態(tài)化存在區(qū)域 各種流化狀態(tài)的主要特征各種流化狀態(tài)的主要特征二、循環(huán)流化床的工業(yè)應用二、循環(huán)流化床的工業(yè)應用 循環(huán)流化床作為一種無氣泡氣循環(huán)流化床作為一種無氣泡氣-固接觸反應器，在石油、固接觸反應器，在石油、化工、冶金、能源、環(huán)境等工業(yè)領域中具有巨大的應用潛化工、冶金、能源、環(huán)境等工業(yè)領域中具有巨大的應用潛力和價值。力和價值。 具有的高氣具有的高氣-固通量、近于平推流流動以及顆粒的循環(huán)固通量、近于平推

45、流流動以及顆粒的循環(huán)操作方式。操作方式。因此，特別適用于具有以下特點的反應過程：因此，特別適用于具有以下特點的反應過程：快速、不可逆反應；快速、不可逆反應；催化劑迅速失活而需連續(xù)再生的反應；催化劑迅速失活而需連續(xù)再生的反應；中間物為目的產(chǎn)品、要求高收率和高選擇性的反應；中間物為目的產(chǎn)品、要求高收率和高選擇性的反應；氧化氧化-還原類反應；還原類反應；需用顆粒將熱量引入或引出的強吸熱和放熱反應。需用顆粒將熱量引入或引出的強吸熱和放熱反應。 在開發(fā)和應用過程中，具有顯明的特征：在開發(fā)和應用過程中，具有顯明的特征： 循環(huán)流化床氣循環(huán)流化床氣-固催化反應器，操作氣速一般為固催化反應器，操作氣速一般為210m/s，顆粒循環(huán)速率較高，有時可達，顆粒循環(huán)速率較高，有時可達1000 kg/(m2s)。催化劑通常使用多孔、高比表面積、低密度的顆粒，其催化劑通常使用多孔、高比表面積、低密度的顆粒，其粒度范圍一般為粒度范圍一般為20150 。催化反應過程的溫度一般較。催化反應過程的溫度一般較低，約低，約250650。 (1) 氣