高等反應(yīng)工程第六章

1、高等反應(yīng)工程第六章第1頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四6-4：Overview （概述） 一.細顆粒床層轉(zhuǎn)化形式和壓降 （Bed Types and Pressure Drop） 固定床 膨脹床平穩(wěn)流化聚式流態(tài)化節(jié)涌氣體輸送第2頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四固定密相釋相UmfUt臨界流化速度帶出速度第3頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四 固定床的壓降與氣速有關(guān)，而流化床壓降與氣速無關(guān)與床層重量有關(guān) 。 （視頻5）二.流化床用作反應(yīng)器的優(yōu)缺點及應(yīng)用 （Advantages and Shortcoming） 1.優(yōu)點：

2、a.換熱性強，適于強放熱反應(yīng)； b.床層溫度均勻，可在最佳溫度下維持恒溫。 第4頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四c.對固體催化劑易失活需再生時，移向再生器方 便，固體作為反應(yīng)物可容易吹入反應(yīng)器。 d.使用小粒催化劑時不堵管道，利用率高。 2.缺點： a.返混較大，轉(zhuǎn)化率低； b.催化劑磨損大，活性下降較快 c.放大倍數(shù)低，理論不完善。 第5頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四3.應(yīng)用： a.氣相氧化等強放熱反應(yīng)，固體環(huán)流的； b.氣固非催化反應(yīng)（煤和礦石熔燒）； c.催化劑再生的場合。 4.工業(yè)上常用的流化床類型 第6頁，共54頁，2022年，5

3、月20日，21點15分，星期四6-5 流化床反應(yīng)器的一般計算方法 （General Method of Design） .一. 臨界流化速度（umf） (Minimum Fluidizing Velocity) 第7頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四當 時，第一項可忽略（小顆粒） 有 當 時，第二項忽略（大顆粒） 有 第8頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四 可查表（測定），亦可按下式估算 聯(lián)立求 二 . 帶出速度 （Maximum Fluidizing Velocity） （Terminal Velocity） 當氣速增加到對顆粒的浮力=重力時，

4、顆粒就會被氣體帶出，此時的速度稱為帶出速度。第9頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四顆粒下沉時受到的阻力： F顆粒截面積阻力系數(shù)球形粒子所受的浮力： 平衡時：第10頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四 所以 阻力系數(shù) 可由下圖表知： 500Re層流 過度流第11頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四湍流 層流： Stokos 公式 過渡： 即湍流： 第12頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四三 . 操作氣速（ ） （Superficial Velocity） 一定介于 與 之間，具體選多少要看情況而定， 傳熱

5、 ，但磨損大，一般由經(jīng)驗選定： 第13頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四 通常流化床的操作氣速在0.150.5 （空塔），可避免催化劑帶出損失，過大磨損，但對熱效應(yīng)大，反應(yīng)速度快的可取高一些0.5 。 四 . 床層的膨脹（Expanding of Bed） 床高空隙率 ， ， 第14頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四 固體體積 膨脹比：估算： a.自由度和垂直管速： 第15頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四b.裝有斜擋板及擋網(wǎng)的 R是一個重要的設(shè)計參數(shù)，可由R反算空隙率 五 . 流化床高和床徑的確定 （Height and

6、 Diameter of Bed） 1.床高 第16頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四分離高度 ，目前只能估算或由經(jīng)驗給定。 2.床徑（ ） 3.分布板設(shè)計分布板的作用是 （1）引發(fā)流化，使氣體連續(xù)進入流化床； 第17頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四（2）分布均勻，影響流化質(zhì)量。 壓降要求：10%床層壓降（可由需要加以調(diào)整） 單層篩板 單層凹形篩板 多層篩板 夾層篩板 管式分布器 泡帽等 開孔率 0.121.5%（面積）開孔數(shù)按銳孔阻力系數(shù)算小孔氣速來定處。 六. 內(nèi)部構(gòu)件 （Parts inside） 第18頁，共54頁，2022年，5月20

7、日，21點15分，星期四 垂直管 斜擋板 擋網(wǎng) 換熱好 返混減少 氣泡小均勻 徑向分布均勻 氣泡變小帶出少 流化平穩(wěn) 但壓降大 總之，好的流化床應(yīng)為： a.換熱好 b.流化均勻，平穩(wěn)。 c.接觸面積大（ ?。?d.帶出少 第19頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四6-6 流化床中的傳遞（Transfer in Fluidizing-Bed） 一.床層與外壁間的給熱 因流化床具有良好的換熱性，可使流體與顆粒溫度一樣。但器內(nèi)的熱量要傳出去，通過外壁或內(nèi)冷管完成。它們的傳熱系數(shù)很高，超過了固定床。因為顆粒的上下游動可破壞邊界層，強化傳熱。 定義： 第20頁，共54頁，2022年

8、，5月20日，21點15分，星期四文獻公式： 求方法計算 第21頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四查圖 加熱面高；管徑；二.床層與浸沒于床內(nèi)的換熱器之間的給熱 1.垂直管 第22頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四應(yīng)用范圍：管子距床中心位置的校正系數(shù) （查圖） 2.水平管 10-2-102第23頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四有內(nèi)孔 第24頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四：水平管外徑 水平管的導熱系數(shù)比豎直管小515%，這是一般用豎直管的原因。 氣體要通過過氣泡和乳相，而反應(yīng)實際上是發(fā)生在乳相。但

9、它的速度受氣泡云的傳質(zhì)速度的影響。在催化反應(yīng)中氣體產(chǎn)物又要反擴散到氣泡中。因此，氣泡起著傳遞動力和儲存產(chǎn)物的作用。 三.氣泡與乳相間的傳質(zhì)第25頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四 它周圍的粒子濃度幾乎與乳相相同，但隨氣泡上升。在尾渦中的粒子在上升中不斷與外界乳相交換固體。 在 時間內(nèi)穿過 距離上的交換A的量為 : 。 氣泡上升速度 第26頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四：氣泡與氣泡暈的交換系數(shù); ：氣泡暈及乳相間的交換系數(shù); ：總括交換系數(shù)， CAb、CAc、CAe 分別為A在氣泡、氣泡暈和乳相中的濃度 ；第27頁，共54頁，2022年，5月2

10、0日，21點15分，星期四氣體在氣泡暈中的擴散系數(shù) ：氣體在乳相中的擴散系數(shù)，可取 第28頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四一.流化床內(nèi)的動態(tài) 1.氣泡動態(tài) 氣體=氣泡+分散狀態(tài)（分子）（ ） 小泡的u 大泡的u氣泡云+尾渦 = 氣泡暈 6-7 流化床的數(shù)學模型（Math Models in FB） 第29頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四 流化床中的氣體分子分為兩個部分，一部分是以氣泡形式通過床層，氣泡相在上升過程中不斷聚并增大。另一部分是（少量）是以臨界流化速度流過顆粒空隙，稱為乳相。氣泡中的氣體與乳相進行物質(zhì)和能量的交換進行反應(yīng)。小氣泡時，

11、乳相可穿過氣泡上流。當氣泡由底向上并聚時，其大氣泡的氣速超過臨界速度，就有部分氣體穿過氣泡形成環(huán)流。在氣泡外不與乳相混合的部分稱為氣泡云，氣泡越大其云越薄。氣泡云和尾渦合稱氣泡暈。 第30頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四流化床中單個氣泡上升的速度為： 成群氣泡上升的速度： 第31頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四當 時產(chǎn)生氣泡云乳相真實氣速氣泡云與氣泡的曲率半徑之比： 二維床（扁平床）時 第32頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四三維床時尾渦的體積分率：尾渦體積比： 第33頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分

12、，星期四氣泡暈的體積比：氣泡云與氣泡的體積比：2.乳相動態(tài) 第34頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四 氣泡外的那部分床層，有固體顆粒和它們之間湍流的氣體。氣泡上升時在尾渦中夾帶有部分顆粒，在途中不斷與周圍交換，故在氣泡攪動下，顆粒被氣泡夾帶上去，又在途中降下來，造成顆粒的上下循環(huán)，認為床層的固體為全混的。并且顆粒在一定的粒度分布下效果更好。 上升的氣速較小時上流的氣體較多，回流的氣體較少。當上升的氣速較大時，回流氣速大于上流氣速，存在著上流和回流兩大區(qū)。一般說，大氣泡行走的區(qū)域為上流區(qū)，其它地方為回流區(qū)。 第35頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四

13、二.鼓泡床模型（KL模型） 關(guān)于流化床的數(shù)學模型有許多種，對氣相和乳相有的認為是活塞型，有的認為是全混流，有的認為是兩相（氣相和乳相），有的認為是三相（氣相、乳相和泡暈相），有的認為是四相（氣泡相，泡暈相，上流相和回流相）。對氣泡有的認為是球形變徑和不變徑。有的考慮單一氣泡，有的則不考慮氣泡的具有形式。而鼓泡床模型則認為三相：第36頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四（1）氣泡相、乳相和泡暈相，都存在傳遞和反應(yīng)； （2） 氣泡直徑不變，分布均勻，呈活塞流流動，勻速上升，乳相中氣泡含量較少，忽略不計； （3） 尾渦中的固體顆粒以 上升，隨后與乳相 中的固體相交換，并以 下降

14、，形式循環(huán)； （4）乳相中的氣體相對于固體的速度為 不變。 以氣體為計算基準： 分別為氣泡、泡暈和乳相中固體與氣泡容積比。 第37頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四 ：分別為氣泡向氣泡暈和由氣泡暈向乳相 中的傳遞系數(shù)（相間交換系數(shù)）； ：反應(yīng)速度常數(shù)； A傳遞到乳相的速度= 乳相中A反應(yīng)速度 。A在氣泡中消失速率=泡中A反應(yīng)速度+ A傳到泡暈速度；泡暈中A消失速度= 泡暈中A反應(yīng)速度+ A傳遞到乳相速度；第38頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四一級不可逆反應(yīng)： 變換： 第39頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四對積分當L=0

15、時 積分上式 第40頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四 第41頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四式中： 其中： 可忽略第42頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四 第43頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四 模型中一個重要參數(shù)氣泡直徑的估算非常重要。可調(diào)估算： 第44頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四三.氣固非催化流化床模型 固體的焙燒和燃燒反應(yīng)都可在流化床中進行，且氣體比固體總是過量的。固體顆粒有不變、增大和縮小三種變化。對于加入的固體反應(yīng)物，有均勻和非均勻之分. 1.粒度均勻的固體顆粒 假設(shè)固體在床層中呈全混流 第45頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四 帶入上式 對氣膜控制：第46頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四 積分：第47頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四反應(yīng)控制時： 第48頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四 積分： 第49頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期四灰分控制：動力學方程式： 令則有：第50頁，共54頁，2022年，5月20日，21點15分，星期