化學(xué)反應(yīng)工程三陳甘棠主編流化床反應(yīng)器

化學(xué)反應(yīng)工程三陳甘棠主編流化床反應(yīng)器第1頁/共50頁

流態(tài)化：固體粒子像流體一樣進(jìn)行流動(dòng)的現(xiàn)象。一、流態(tài)化的形式氣泡7.1概述圖7-1流態(tài)化的各種形式第2頁/共50頁結(jié)構(gòu)簡單傳熱效能高，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)量均一性石油催化裂化丙烯-氨氧化制丙烯腈萘氧化制鄰苯二甲酸酐煤燃燒與轉(zhuǎn)化金屬提取和加工二、流化床反應(yīng)器的特點(diǎn)三、流化床反應(yīng)器的重要應(yīng)用第3頁/共50頁7.2流化床中的氣、固運(yùn)動(dòng)

7.2.1流化床的流體力學(xué)二個(gè)特征速度：臨界流化速度、帶出速度（1）臨界流化速度（umf）剛剛能使粒子流化起來的氣體空床流速。確定umf的方法

a.實(shí)驗(yàn)測定（7-1）第4頁/共50頁b.經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算臨界流態(tài)化時(shí)，對床層受力平衡分析得p1p2即固定床中流動(dòng)壓降也可由歐根公式計(jì)算因?yàn)檎淼檬街?，是顆粒的形狀系數(shù)，部分顆粒的值可由手冊查取。是臨界空隙率，其值與顆粒直徑和形狀等有關(guān)，也可由手冊查取。若查不到，可由以下二式估算。（7-2）（7-1）第5頁/共50頁式（7-5）代入式（7-2）可導(dǎo)出小顆粒，ReP<20時(shí)，歐根公式中第一項(xiàng)可忽略，式（7-2）簡化為：大顆粒，ReP>1000時(shí)，歐根公式中第二項(xiàng)可忽略，式（7-2）簡化為：應(yīng)用以上各式計(jì)算時(shí)要注意：

a.對具有一定篩分的顆粒要用調(diào)和平均直徑。（7-5）（7-6）（7-7）（7-8）第6頁/共50頁b.雷諾數(shù)中特性尺寸是顆粒的直徑，密度和粘度是氣體的物性。c.計(jì)算所得到的要代入到雷諾數(shù)中，檢驗(yàn)選用的公式是否符合規(guī)定的范圍。（2）帶出速度當(dāng)氣速增大到一定值時(shí)，流體對粒子的曳力與粒子的重力相等，則粒子將會(huì)被氣流帶走，此時(shí)氣體的空床速度即帶出速度，或稱終端速度。顆粒的帶出速度等于其自由沉降速度，對球形固體顆粒，可用以下公式計(jì)算：式中,xi——顆粒各篩分的重量百分?jǐn)?shù)；

dPi——顆粒各篩分的平均直徑；

d1，d2——上、下篩目的尺寸。第7頁/共50頁

存在大量顆粒的流化床中，粒子沉降會(huì)互相干擾，按單個(gè)粒子計(jì)算的帶出速度需校正。式中，校正系數(shù)F0可由右圖查取。注意：以上各式求得的ut也都需代入到Rep中檢驗(yàn)。（7-14）（7-15）（7-16）第8頁/共50頁討論：流化床的操作氣速

（i）流化床中，氣體操作流速的下限是umf，上限是ut。小顆粒大顆粒（ii）細(xì)顆粒床層中，氣體操作流速的范圍更寬。（iii）實(shí)用操作氣速的確定a.流化數(shù)b.第9頁/共50頁（3）流化床的膨脹比流化床的體積與起始流化時(shí)床層體積之比。

膨脹比是流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，影響因素比較多，如顆粒的尺寸、物性，流體的流速和物性，床層尺寸和內(nèi)部構(gòu)件的形式等。右圖反映了氣速和床徑對膨脹比的影響。由圖可見，氣速越大，床徑越小則膨脹比越大。R值一般在1.15~2之間。

（7-20）第10頁/共50頁解：算術(shù)平均值（小顆粒）（7-7）（7-7）

例題第11頁/共50頁，由式（7-14）由帶出速度的校正系數(shù)圖，查得F0=1，故不需校正。第12頁/共50頁7.2.2氣泡及其行為氣泡云（1）氣泡的結(jié)構(gòu)氣泡氣泡暈（氣泡云+尾渦）氣泡暈中粒子濃度與乳化相相同，包在氣泡周圍，伴隨著氣泡一起上升。

流化床層由固體顆粒密集區(qū)域（乳化相）和固體顆粒很少的區(qū)域（氣泡相）組成，氣泡的結(jié)構(gòu)和行為是分析流化床特性和建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。{（2）氣泡的速度氣泡上升速度是影響氣泡相與乳化相之間傳質(zhì)和傳熱的重要因素。根據(jù)不同的模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理出一些經(jīng)驗(yàn)公式。7-10第13頁/共50頁a.單個(gè)氣泡上升速度式中，db——?dú)馀葜睆?，cm；

g——重力加速度，980cm/s2。b.氣泡群上升速度

事實(shí)上床層內(nèi)氣泡大小是不均勻的，且是不斷長大的，有人提出一些不同的經(jīng)驗(yàn)式。由于氣泡行為的復(fù)雜性，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式都存在一定的局限性。c.氣泡中氣體的穿流量式中，Rb——?dú)馀莅霃?，cm。（7-28）（7-29）第14頁/共50頁（3）氣泡云與尾渦（i）氣泡云相對厚度式中，為乳相中真實(shí)氣速。（7-39）（7-40）注意：氣泡云的實(shí)際厚度為RC－Rb。（ii）氣泡中氣體的穿流量（7-41）（7-42）第15頁/共50頁（iii）尾渦的體積分率式中，（7-43）

由圖7-11可見，fw與顆粒的粒徑、形狀等因素有關(guān)。圖7-11尾渦體積與粒徑的關(guān)系第16頁/共50頁（iv）氣泡云、氣泡暈與氣泡的體積比（7-45）（v）氣泡占床層的體積分率

假設(shè)：進(jìn)入床層的氣流分為兩個(gè)部分，一部分是以ub流動(dòng)的氣泡，另一部分則以umf在乳相中流動(dòng)。床層達(dá)到臨界流態(tài)化以后，床層高度增加的部分完全是氣泡所作的貢獻(xiàn)。對氣流進(jìn)行物料衡算（7-46）故（7-47）或第17頁/共50頁（4）床層中各部分的顆粒含量與氣泡體積之比（i）氣泡中的顆粒含量（7-48）通?？珊雎?。（ii）氣泡暈中的顆粒含量（7-49）（iii）乳相中的顆粒含量因?yàn)闅馀輹炛械那闆r與乳相相同，即相當(dāng)于臨界流化狀態(tài)，將式（7-40）關(guān)系引入，可導(dǎo)得：（7-50）（7-51）第18頁/共50頁7.2.3乳相的動(dòng)態(tài)

乳相是指床層中氣泡相之外的區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)顆粒密集，是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的主要場所。（1）床層中顆粒的流動(dòng)

在上升氣泡作用下，乳相中的顆粒形成上下循環(huán)和雜亂無章的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)促使顆?？焖倩旌暇鶆?。圖7-12顆粒運(yùn)動(dòng)示意圖注意：顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律與床層結(jié)構(gòu)有關(guān)。淺床層：中心下降，外圍上升。深床層：中心上升，外圍下降。在按裝擋板或擋網(wǎng)等內(nèi)部構(gòu)件的床層中，顆粒的自由運(yùn)動(dòng)受到阻礙，其行程變得更加復(fù)雜。第19頁/共50頁（2）粒度及粒度分布的影響根據(jù)顆粒粒度大小對床層流化性的能影響，將顆粒分為4類。

A類：細(xì)顆粒，粒度范圍20~100μm。

B類：較粗顆粒，粒度范圍40~500μm。

C類：易黏結(jié)顆粒，粒度范圍<30μm。

D類：粗顆粒，粒度范圍>600μm。

確定顆粒粒度的原則：

a.顆粒粒徑應(yīng)在A類或B類范圍內(nèi)。

b.顆粒應(yīng)具有適當(dāng)?shù)牧６确植?。討論：為何流化床中顆粒要有一定的粒度分布？圖7-7根據(jù)流化特性的粒子分類第20頁/共50頁（3）乳相中的氣體流動(dòng)狀況

流化床中，大部分氣體以氣泡形式通過床層，乳化相中氣量很少，甚至可忽略，但它的返混對化學(xué)反應(yīng)的影響往往并不能被忽略。

乳化相中氣體流動(dòng)較復(fù)雜，存在位置隨機(jī)變化的向上流區(qū)域和回流區(qū)域。向上流區(qū)域：以umf速度向上流動(dòng)的氣體；回流區(qū)域：被大于umf速度向下回流的顆粒所吸附和裹夾的氣體。定常態(tài)操作時(shí)床層截面上平均上流與回流量大致恒定。當(dāng)氣速增大時(shí)，回流量相應(yīng)增大。當(dāng)流化數(shù)u0/umf>6~11時(shí)，乳化相中氣體回流量將超過上流量，凈流量成為向下流動(dòng)的了。第21頁/共50頁7.2.4分布板與內(nèi)部構(gòu)件一、分布板（1）分布板的類型圖7-14分布器的若干形式第22頁/共50頁（2）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，材料節(jié)省，壓降合理。二、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，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23頁/共50頁7.3.1床層與外壁間的傳熱床層內(nèi)傳熱主要包括：固體顆粒之間、顆粒與流體之間、床層與換熱面之間的傳熱。因床內(nèi)溫度均一，前二項(xiàng)可忽略。床層與換熱面之間的傳熱系數(shù)由下式定義（7-61）

該式是由大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到的，適用面較廣，誤差小于±50%。7.3流化床中的傳遞過程（7-59）式中，Aw——傳熱面積；ΔT——床層與壁面間的平均溫差。

hw——給熱系數(shù)，可用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式或關(guān)聯(lián)圖計(jì)算。（i）關(guān)聯(lián)式計(jì)算第24頁/共50頁（7-62）式中，Lh——換熱面高度；

dt——床層直徑；

Ψ——無因次量，由圖7-25查取。

設(shè)計(jì)時(shí)，可取以上兩式分別計(jì)算，然后選取其中較小的hw值計(jì)算傳熱量。3.7.2床層與浸沒于床內(nèi)的換熱面之間的傳熱也有許多經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，此處僅以垂直管為例。（7-63）單位：s/cm2應(yīng)用范圍：（ii）關(guān)聯(lián)圖計(jì)算平均偏差：±20%圖7-25器壁給熱系數(shù)關(guān)聯(lián)圖第25頁/共50頁cR——管子距床中心位置的校正系數(shù)，可由下圖查取。

由圖可見，將垂直管安裝于距床層中心1/3半徑處，傳熱系數(shù)較高。rR

圖7-26cR－r/R關(guān)聯(lián)圖第26頁/共50頁解：（1）計(jì)算器壁給熱系數(shù)（2）計(jì)算床層中心垂直管壁給熱系數(shù)查圖7-25得，將及有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（7-62）計(jì)算得床層中心：cR=1，將數(shù)據(jù)代入式（7-63）計(jì)算得第27頁/共50頁在r/R=1/2

處，查圖7-26得cR=1.72，故故第28頁/共50頁7.3.3顆粒與流體間的傳質(zhì)

流化床中主要考慮粒子與流體間的傳質(zhì)，關(guān)鍵是確定其傳質(zhì)系數(shù)kG。計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式可由文獻(xiàn)查取，應(yīng)用時(shí)要注意公式的適用條件和范圍。（7-66）適用條件和范圍：液-固流化床a.b.適用條件和范圍：液-固和氣-固流化床（7-67）第29頁/共50頁7.3.4氣泡與乳相間的傳質(zhì)

相間傳質(zhì)的途徑，見圖7-27。

氣泡氣泡暈乳相設(shè)氣泡在dt時(shí)間內(nèi)在床層上升dl距離，以單位氣泡體積為基準(zhǔn)的組分A的傳遞速率為：圖7-27相間交換示意圖（7-68）由式（7-68）可導(dǎo)得總括交換系數(shù)與相間交換系數(shù)與的關(guān)系如下：（7-69）第30頁/共50頁單個(gè)氣泡與外界交換組分A的量為式中，穿流量

擴(kuò)散傳質(zhì)系數(shù)由下式估算：（7-71）（7-70）（7-42）式（7-70）與式（7-68）比較，可得（7-72）（7-73）式中，De——?dú)怏w在乳相中的擴(kuò)散系數(shù)，其值在第31頁/共50頁解：（1）第32頁/共50頁（2）氣泡直徑對相間交換系數(shù)的影響較為顯著，氣泡直徑增大，相間交換系數(shù)減小。第33頁/共50頁（3）氣速對總括交換系數(shù)的影響較小。討論：提高相間交換系數(shù)的措施？第34頁/共50頁

建立數(shù)學(xué)模型的目的是要定量地分析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。7.4.1模型的類別（1）簡單均相模型全混流模型活塞流模型{（2）兩相模型氣泡相（活塞流）—乳化相（活塞流）氣泡相（活塞流）—乳化相（全混流）{（3）三相模型氣泡相—上流相（氣+固）—下流相（氣+固）氣泡相—?dú)馀菰啤榛鄘

其它還有氣泡模型、四區(qū)模型等，有些模型還考慮了分布器和自由空間等的影響。7.4流化床的數(shù)學(xué)模型第35頁/共50頁

以上各種模型，大多數(shù)以氣泡直徑作為模型參數(shù)，根據(jù)氣泡直徑是否可變分為以下幾種情況：（1）各參數(shù)為常數(shù)，不隨床高變化，也與氣泡狀況無關(guān)；（2）各參數(shù)為常數(shù)，不隨床高變化，用一恒定不變的當(dāng)量氣泡直徑作為模型的可調(diào)參數(shù)。（3）各參數(shù)與氣泡大小有關(guān)，氣泡大小隨床高變化。迄今為止，已提出很多流化床數(shù)學(xué)模型，也有一些應(yīng)用的實(shí)例與實(shí)際情況比較符合，但尚無一個(gè)被公認(rèn)為可普遍使用的數(shù)學(xué)模型。下面以兩種比較典型的兩相模型和鼓泡床模型為例，介紹建立數(shù)學(xué)模型的思路。第36頁/共50頁7.4.2兩相模型（1）物理模型如圖7-28所示。（2）基本假設(shè)圖7-28（7-79）第37頁/共50頁（3）模型參數(shù)模型參數(shù)為氣泡直徑，根據(jù)基本假定可導(dǎo)出其表達(dá)式。設(shè)單位體積床層中氣泡個(gè)數(shù)為Nb，單個(gè)氣泡體積為Vb，上升速度為ubr。由基本假設(shè)①由基本假設(shè)②即整理得（7-82）

以下以一級不可逆反應(yīng)為例討論流化床反應(yīng)器的兩相模型。第38頁/共50頁一、乳化相流況為全混流（1）數(shù)學(xué)模型對床層高度為l處的氣泡作物料衡算因?yàn)槿榛嗍侨炝?，ce為常數(shù)，故上式可直接積分。利用邊界條件l=0，cb=ci，積分上式得：按單位床層截面對乳化相作物料衡算⑤④+②+①+③=+=++（7-83）（7-84）kc是以乳相體積為基準(zhǔn)定義的反應(yīng)速率常數(shù)。①③②④⑤cico(ce)o(cb)o第39頁/共50頁上式化簡得式（7-83）~式（7-85）和式（7-80）及式（7-81）聯(lián)立可解得由床層出口總物料衡算（7-87）式中，有關(guān)符號的定義如下：（7-85）（7-86）（7-88）第40頁/共50頁二、乳相為平推流（1）數(shù)學(xué)模型對床層任一處高度為dl的一段床層作物料衡算對床內(nèi)高度為l