反應(yīng)工程概論教材南京工業(yè)大學(xué)專用(5-6)

第五章流化床反應(yīng)器

流化床反應(yīng)器是應(yīng)用流化態(tài)技術(shù)建立的一種氣固相或液固相反應(yīng)裝置，即通過氣體（或

液體）的流動使固體顆粒象流體一樣流過反應(yīng)器并完成化學(xué)反應(yīng)過程，在工業(yè)生產(chǎn)中，流

化床反應(yīng)器是常用的氣固相反應(yīng)器，在化工，冶金，硅酸鹽和能源等行業(yè)都已經(jīng)獲得成功應(yīng)

用。

流化床反應(yīng)器中氣固兩相的混合和流動，傳熱和傳質(zhì)過程決定了化學(xué)反應(yīng)過程的結(jié)果。

而床的結(jié)構(gòu)又影響著上述過程，因此本章從介紹流化床的類型入手，首先討論流化床中的氣

固流動問題，然后講解流化床的傳熱和傳質(zhì)，最后介紹流化床的數(shù)學(xué)模型。

第一節(jié)流化床的類型

一、散式流化床與聚式流化床

流態(tài)化現(xiàn)象是指固體顆粒依靠氣體或液體而像流體一樣流動的現(xiàn)象。根據(jù)流體種類及其

流體流體流體流體流體流體

圖5-1-1流態(tài)化類型

當(dāng)流體向上流過固體顆粒床層時，如果流速較低，則流體從顆粒間隙流過，固體顆粒不

動，稱為固定床。如果流速逐漸增大，則顆粒間空隙開始增大，床層體積膨脹，稱為膨脹床;

當(dāng)流速增大到某個值時，床層剛剛被流體托動，固體顆粒開始流化時的流體線速度稱臨界（或

最小）流化速度Umf。

對于液固系統(tǒng)，由于液體與固體顆粒的密度相差不大。Umf較小便可以使流體流化。當(dāng)

流速提高時，床層膨脹均勻且波動很小。固體顆粒比較均勻的分布在液體中，稱為散式流化

床。對于氣固系統(tǒng)，由于氣固兩相密度相差很大，在氣體流速超過Umf后，將出現(xiàn)氣泡。氣

體流速越高，氣泡引起的擾動越劇烈，造成床層頻繁波動，這種形態(tài)的流化床稱為聚式流化

床。后面只討論聚式流化床。

在聚式流化床中，隨著氣流速度的加大，床層的湍動程度也跟著加劇，故又稱湍動床，

床面以下部分稱為密相床。床面以上部分只有少量固體顆粒被拋擲和夾帶上去，氣體稱為連

續(xù)相，故稱為稀相床。密相床中顆粒不斷翻騰，如同沸騰的水，故又稱為沸騰床。氣固系統(tǒng)

的聚式流化態(tài)過程中常常出現(xiàn)一些不正常現(xiàn)象。例如：當(dāng)氣體流速超過Umf時床層尚未流化

態(tài)，但有部分床層被氣流沖出一層溝渠，稱為溝流，其余部分的床層稱為死床。如果床高與

床徑之比較大時氣泡上升過程中可能聚集并增大到占據(jù)整個床層截面，將顆粒向上作柱塞式

推動，達(dá)到某高度時氣泡破裂，顆粒崩落，這種現(xiàn)象稱為節(jié)涌或騰涌。上述不正?，F(xiàn)象都會

使流化床內(nèi)的傳熱，傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)過程受到不利的影響。

當(dāng)氣體流速繼續(xù)增大，一旦超過顆粒的帶出速度（或稱終端速度）Ut?則顆粒就會被氣

流帶走，床層上表面就會消失，這就是工業(yè)生產(chǎn)中常見的氣流輸送現(xiàn)象。對于某些快速反應(yīng),

如化工生產(chǎn)中的分子篩催化裂化和某些燃燒反應(yīng)等，采用一根垂直的氣流輸送管，同時完成

顆粒的輸送和化學(xué)反應(yīng)，這種流化床又稱為快速流化床。

綜上可知，從臨界流化態(tài)到氣流輸送，作為流化介質(zhì)的氣體由非連續(xù)相變成連續(xù)相的整

個區(qū)間都屬于流化態(tài)的范圍，包括了各種不同類型的流化床反應(yīng)器。

在工業(yè)生產(chǎn)中常見的一些流化可以舉例列于圖（5-1-2）中。其中圖（a）是無內(nèi)部構(gòu)件

的“自由床”。為保證流化均勻，床的高徑比一般不超過1.5,它適用于反應(yīng)的熱效應(yīng)較小，只需

通過床體外壁換熱的場合。圖（b）是上下分隔成若干層的“多層床”氣固逆向流動，各層

的氣相與固相在流量和組成上相互制約，故操作彈性較小。但是在硅酸鹽工業(yè)中作為石灰石

的焙燒鏟是適宜的。

(b)（c）(d)(e)

圖5-1-2工業(yè)流化床

圖（c）和（d）都是窗體中裝有內(nèi)部構(gòu)件的流化床。內(nèi)部構(gòu)件是裝設(shè)在床體中的管束和擋板。

其作用在于傳熱，控制氣泡大小，減少層內(nèi)的返混和顆粒的帶出等，以便流化床在較大的高

徑比和氣流速度下操作，并維持較好的流化狀態(tài)。圖（e）是氣體從底部噴入而帶動顆粒循

環(huán)運動的噴動床，適用于大顆粒的流化。

二、流化床的結(jié)構(gòu)

流化床的基本結(jié)構(gòu)包括床層，氣體分布器，內(nèi)部構(gòu)件和顆?；厥障到y(tǒng)等四個部分，關(guān)于

床層的結(jié)構(gòu)將在第二節(jié)重點介紹。這里現(xiàn)就其他三部分介紹如下：

（一）氣體分布器

氣體分布器的設(shè)計對于流化床的操作具有重要意義。分布器的結(jié)構(gòu)形式有密孔板（