流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)知識(shí)講解

流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)(shèjì)第一頁，共31頁。一、固體(gùtǐ)流態(tài)化基本概念

二、流化床反應(yīng)器三、流化床反應(yīng)器中的傳質(zhì)(chuánzhì)和傳熱四、流化床反應(yīng)器的參數(shù)(cānshù)及其工藝計(jì)算五、流化床的數(shù)學(xué)模型第二頁，共31頁。一、固體(gùtǐ)流態(tài)化基本概念:1、流態(tài)化：固體粒子像流體一樣進(jìn)行流動(dòng)的現(xiàn)象。除重力作用外一般(yībān)是依靠氣體或液體的流動(dòng)來帶動(dòng)固體顆粒運(yùn)動(dòng)的。固體(gùtǐ)流態(tài)化分為幾種形式如下：（a)固定床(b)臨界流化床(c)流化床(d)氣流輸送床第三頁，共31頁。1、流態(tài)化的形式(xíngshì)第四頁，共31頁。1、流態(tài)化的形式(xíngshì)（1）散式流化床:①顆粒均勻地分布在整個(gè)流化床。②隨著流速增加床層均勻膨脹。③床內(nèi)孔隙率均勻增加。④床層上界面(jièmiàn)平穩(wěn)，壓降穩(wěn)定、波動(dòng)(2)聚式流化床:聚式流態(tài)化出現(xiàn)在流-固密度差較大的體系。2.散式流化床和聚式流化床第五頁，共31頁。1、流態(tài)化的形式(xíngshì)以氣泡形式夾帶(jiādài)少量顆粒穿過床層向上運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)的氣泡稱為氣泡相顆粒濃度與空隙率分布較為均勻(jūnyún)且接近初始流態(tài)化狀態(tài)的連續(xù)相，稱為乳化相。散式流化床聚式流化床第六頁，共31頁。1、流態(tài)化的形式(xíngshì)①一般情況(qíngkuàng)兩種流化床的判別：3.兩種流化(liúhuà)態(tài)的判別散式流化床聚式流化床顆粒與流體之間的密度差是它們主要區(qū)別氣固流化為聚式流化液固流化為散式流化第七頁，共31頁。1、流態(tài)化的形式(xíngshì)②特殊（壓力較高的氣固系統(tǒng)或者用較輕的液體流化較重的顆粒）情況(qíngkuàng)下兩種流化床判別：

wilhelm和郭慕孫首先先用弗勞德數(shù)來區(qū)分兩種流化態(tài)：研究(yánjiū)表明：為散式流化為聚式流化第八頁，共31頁。二、流化床反應(yīng)器（FluidizedBed）流化床反應(yīng)器是：利用氣體或液體自下而上通過固體顆粒(kēlì)床層而使固體顆粒(kēlì)處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并進(jìn)行氣固相反應(yīng)或液固相反應(yīng)的反應(yīng)。在用于氣固系統(tǒng)時(shí)，又稱沸騰床反應(yīng)器。第九頁，共31頁。1、概述(ɡàishù)流化床反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于氣固催化反應(yīng)器，由于流化床反應(yīng)器具有傳熱性能好、溫度均勻的特點(diǎn)，已成為強(qiáng)放熱反應(yīng)或?qū)囟忍貏e敏感的反應(yīng)過程重要設(shè)備。如成功應(yīng)用于萘催化氧化制備(zhìbèi)鄰苯二甲酸酐、丙烯氨氧化制備(zhìbèi)丙烯腈等。第十頁，共31頁。2.流化床反應(yīng)器的工作(gōngzuò)原理催化劑在氣流的作用下呈流態(tài)化。被處理的氣體由下部進(jìn)氣管進(jìn)入(jìnrù)，經(jīng)過流化床發(fā)生催化反應(yīng)，在經(jīng)高溫過濾器分離催化劑后，由排氣管排放。為防止催化劑顆粒堵塞過濾器，從上部噴入某種氣體進(jìn)行周期性反吹清灰。流化床內(nèi)還設(shè)有列管式換熱器，以控制反應(yīng)溫度。第十一頁，共31頁。3、流化床反應(yīng)器的特點(diǎn)(tèdiǎn)結(jié)構(gòu)簡單(jiǎndān)傳熱效能高，床層溫度均勻氣固相間傳質(zhì)速率較高催化劑粒子小，效能高有助于催化劑循環(huán)再生催化劑和設(shè)備磨損大氣流不均時(shí)氣固相接觸效率降低返混大，影響產(chǎn)品質(zhì)量均一性第十二頁，共31頁。4、流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)(jiégòu)流化床反應(yīng)器類型按固體顆粒(kēlì)是否在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)分（1）單器流化床（2）雙器流化床按床層的外型分(1)圓筒形(2)圓錐形按床層中是否置有內(nèi)部構(gòu)件分(1)自由床(2)限制床按反應(yīng)器內(nèi)層數(shù)的多少分(1)單層(2)多層第十三頁，共31頁。反應(yīng)器主體(zhǔtǐ)流化床反應(yīng)器主要由殼體、內(nèi)部構(gòu)件、換熱裝置(zhuāngzhì)、氣固分離裝置(zhuāngzhì)組成。第十四頁，共31頁。三、流化床反應(yīng)器中的傳質(zhì)(chuánzhì)和傳熱流化床反應(yīng)器中的傳質(zhì)(chuánzhì)顆粒與流體(liútǐ)間的傳質(zhì)氣泡與乳化相間的傳質(zhì)1、流化床反應(yīng)器中的傳質(zhì)第十五頁，共31頁。（1）顆粒與流體間的傳質(zhì)①氣體(qìtǐ)進(jìn)入床層后，部分通過乳化相流動(dòng)，其余則以氣泡形式通過床層。②乳化相中的氣體(qìtǐ)與顆粒接觸良好，而氣泡中的氣體(qìtǐ)與顆粒接觸較差。氣泡云③關(guān)鍵是確定(quèdìng)其傳質(zhì)系數(shù)kG。第十六頁，共31頁。由于流化床反器中的反應(yīng)實(shí)際上是在乳化(rǔhuà)相中進(jìn)行的，所以氣泡與乳化(rǔhuà)相間的氣體交換作用非常重要。相間傳質(zhì)速率與表面反應(yīng)速率的快慢，對(duì)于選擇合理的床型和操作參數(shù)都相關(guān)。（2）氣泡與乳化相間(xiāngjiàn)的傳質(zhì)相間(xiāngjiàn)傳質(zhì)的途徑，氣泡→氣泡暈→乳相第十七頁，共31頁。理想流體的流化床壓降與流速(liúsù)固定床階段：如圖AB段壓力降△P隨著(suízhe)流速u的增加而增加流化床階段(jiēduàn)：如圖DE段所示床層的壓力降保持不變。流體輸送階段：壓降與流化速度無關(guān)。壓降第十八頁，共31頁。實(shí)際(shíjì)流化床的壓降與流速：顆粒之間由于相互接觸，部分顆?？赡苡屑軜?、嵌接等情況(qíngkuàng)，造成開始流化時(shí)需要大于理論值的推動(dòng)力才能使床層松動(dòng)，即形成較大的壓力降。原因(yuányīn)：第十九頁，共31頁。2、流化床反應(yīng)器中的傳熱(chuánrè)具有溫度分布均勻和傳熱速率高的特點(diǎn)，特別(tèbié)適于產(chǎn)生大量反應(yīng)熱的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)換熱器的傳熱面積可以減小，結(jié)構(gòu)更緊湊。傳熱(chuánrè)的三種基本形式：①固體顆粒之間的傳熱(chuánrè)②固體顆粒與流體之間的傳熱(chuánrè)③床層與換熱面之間的傳熱(chuánrè)第二十頁，共31頁。臨界流化(liúhuà)速度umf（小顆粒(kēlì)）（大顆粒(kēlì)）由上式看出，影響臨界流化速度的因素有：①顆粒直徑②顆粒密度③流體黏度四、流化床反應(yīng)器的參數(shù)及其工藝計(jì)算1、氣體流速第二十一頁，共31頁。

實(shí)際操作氣速u0①選定依據(jù)是流化(liúhuà)數(shù)即u0/umf，通常為1.5~10②還可以按照u0/ut=0.1~0.4原則選取，所用氣體流速一般在0.15~0.5左右。帶出速度(sùdù)ut第二十二頁，共31頁。2、流化床床反應(yīng)器的工藝(gōngyì)計(jì)算首先(shǒuxiān)選型再確定床高床徑，內(nèi)部(nèibù)構(gòu)件最后計(jì)算壓力降①選型：

主要應(yīng)根據(jù)工藝過程特點(diǎn)來考慮，即化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)、顆粒或催化劑的特性、對(duì)產(chǎn)品的要求即生成規(guī)模第二十三頁，共31頁。②流化床的直徑(zhíjìng)—?dú)怏w(qìtǐ)的體積流量,—反映(fǎnyìng)器直徑,—放映器的絕對(duì)溫度(K)和絕對(duì)壓力(Pa)—以T、p計(jì)的表觀氣流,第二十四頁，共31頁。③流化床的床高：(1)臨界(línjiè)流化床高(2)流化床高床層膨脹(péngzhàng)比R空隙(kòngxì)率

和

為臨界狀態(tài)和實(shí)際操作條件下床層的平均密度。第二十五頁，共31頁。3.流化床反應(yīng)器壓力降計(jì)算(jìsuàn)流化床反應(yīng)器壓力降氣體(qìtǐ)分布板壓力降流化床壓力降分離(fēnlí)設(shè)備壓力降第二十六頁，共31頁。4、氣體(qìtǐ)分布板（1）分布(fēnbù)板的類型第二十七頁，共31頁。（2）分布板的作用①具有均勻分布?xì)饬鞯淖饔?，同時(shí)(tóngshí)其壓降要小。②能使流化床有一個(gè)良好的起始流態(tài)化狀態(tài)。③操作過程中不易被堵塞和磨蝕。（3）分布(fēnbù)板的壓力降計(jì)算開孔率；阻率系數(shù)(xìshù)，其值在1.5-2.5第二十八頁，共31頁。（4）設(shè)計(jì)或選擇分布板的基本要求氣體分布均勻，防止積料，結(jié)構(gòu)簡單(jiǎndān)，材料節(jié)省，壓降合理。5、內(nèi)部構(gòu)件（1）種類垂直管、水平管、多孔板、水平擋網(wǎng)、斜片百葉窗擋板，等。（2）作用傳熱(chuánrè)，控制氣泡聚并，改變氣-固相流動(dòng)和接觸狀況，減少顆粒帶出。第二十九頁，共31頁。建立數(shù)學(xué)模型的目的是要定量地分析(fēnxī)影響流化床性能的各個(gè)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，解決反應(yīng)器放大和控制以及相關(guān)的最優(yōu)化問題。模型的類別（1）簡單均相模型全混流模型(móxíng)活塞(huósāi)流模型{