流化床反應(yīng)器

概述流化床反應(yīng)器（fluidizedbedreactor）

是利用氣體或液體通過(guò)顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)行氣固相反應(yīng)過(guò)程或液固相反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)器。在用于氣固系統(tǒng)時(shí)，又稱沸騰床反應(yīng)器

流化床反應(yīng)器在現(xiàn)代工業(yè)中的早期應(yīng)用為20世紀(jì)20年代出現(xiàn)的粉煤氣化的溫克勒爐，但現(xiàn)代流化反應(yīng)技術(shù)的開拓，是以40年代石油催化裂化為代表的。目前，流化床反應(yīng)器已在化工、石油、冶金、核工業(yè)等部門得到廣泛應(yīng)用。

流化床反應(yīng)器通常為一直立的圓筒型容器，容器下部一般設(shè)有分布板，細(xì)顆粒狀的固體物料裝填在容器內(nèi)，流體向上通過(guò)顆粒層，當(dāng)流速足夠大時(shí)，顆粒浮起，呈現(xiàn)流化狀態(tài)。由于氣固流化床內(nèi)通常出現(xiàn)氣泡相和乳化相，狀似液體沸騰，因而流化床反應(yīng)器亦稱為沸騰床反應(yīng)器。流化床反應(yīng)器2021/10/101流化床反應(yīng)器類型按固體顆粒是否在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)分

（1）單器流化床

（2）雙器流化床按反應(yīng)器的外型分(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2021/10/102流化床反應(yīng)器有兩種主要形式：①有固體物料連續(xù)進(jìn)料和出料裝置，用于固相加工過(guò)程或催化劑迅速失活的流體相加工過(guò)程。例如催化裂化過(guò)程，催化劑在幾分鐘內(nèi)即顯著失活，須用上述裝置不斷予以分離后進(jìn)行再生。②無(wú)固體物料連續(xù)進(jìn)料和出料裝置，用于固體顆粒性狀在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間（如半年或一年）內(nèi)，不發(fā)生明顯變化的反應(yīng)過(guò)程。2021/10/103流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)反應(yīng)器主體擴(kuò)大段分離段（氣泡相或稀相）濃相段（乳相或密相）錐底2021/10/104與固定床反應(yīng)器相比，流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是：①可以實(shí)現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；②流體和顆粒的運(yùn)動(dòng)使床層具有良好的傳熱性能，床層內(nèi)部溫度均勻，可在最佳溫度點(diǎn)操作,而且易于控制，特別適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)；③顆粒比較細(xì)小，有效系數(shù)高，可減少催化劑用量；

④壓降恒定，不易受異物堵塞；⑤便于進(jìn)行催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)操作，適于催化劑失活速率高的過(guò)程的進(jìn)行，石油餾分催化流化床裂化的迅速發(fā)展就是這一方面的典型例子。流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)2021/10/105

由于流態(tài)化技術(shù)的固有特性以及流化過(guò)程影響因素的多樣性，對(duì)于反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，流化床又存在粉明顯的局限性：①由于固體顆粒和氣泡在連續(xù)流動(dòng)過(guò)程中的劇烈循環(huán)和攪動(dòng)，無(wú)論氣相或固相都存在著相當(dāng)廣的停留時(shí)間分布，物料的流動(dòng)更接近于理想混合流，返混較嚴(yán)重。導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品分布，降低了目的產(chǎn)物的收率；為了限制返混，常采用多層流化床或在床內(nèi)設(shè)置內(nèi)部構(gòu)件。反應(yīng)器體積比固定床反應(yīng)器大，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。對(duì)設(shè)備精度要求較高；②反應(yīng)物以氣泡形式通過(guò)床層，減少了氣-固相之間的接觸機(jī)會(huì)，降低了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；③由于固體催化劑在流動(dòng)過(guò)程中的劇烈撞擊和摩擦，使催化劑加速粉化，加上床層頂部氣泡的爆裂和高速運(yùn)動(dòng)、大量細(xì)粒催化劑的帶出，造成明顯的催化劑流失；④床層內(nèi)的復(fù)雜流體力學(xué)、傳遞現(xiàn)象，使過(guò)程處于非定常條件下，難以揭示其統(tǒng)一的規(guī)律，也難以脫離經(jīng)驗(yàn)放大、經(jīng)驗(yàn)操作。流化床反應(yīng)器的缺點(diǎn)

2021/10/1062021/10/107工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)流化床反應(yīng)器形式2021/10/1082021/10/1092021/10/1010循環(huán)流化床煙氣脫硫裝置2021/10/1011鼓泡流化床反應(yīng)器2021/10/1012第一節(jié)固體流態(tài)化的基本特征

流態(tài)化——固體粒子象流體一樣進(jìn)行流動(dòng)的現(xiàn)象。除重力作用外，一般是依靠氣體或液體的流動(dòng)來(lái)帶動(dòng)固體粒子運(yùn)動(dòng)的。流態(tài)化的形成：流體自下而上流過(guò)催化劑床層時(shí)，根據(jù)流體流速的不同，床層經(jīng)歷三個(gè)階段：當(dāng)流體流速很小時(shí),固體顆粒在床層中固定不動(dòng),此時(shí)為固定床階段。當(dāng)氣速進(jìn)一步加大時(shí)，床層高度逐漸增加，固體顆粒懸浮在氣體中并隨氣體運(yùn)動(dòng)而上下翻滾，此時(shí)為流化床階段，稱為流態(tài)化現(xiàn)象。開始流化的最小氣速稱為臨界流化速度umf當(dāng)流體速度更高時(shí)，固體顆粒就不能沉降下來(lái)，正常的流化狀態(tài)被破壞，整個(gè)床層的粒子被氣流帶走,床層上界面消失,床層處于氣流輸送階段。此時(shí)的速度稱為帶出速度，也稱最大流化速度ut或終端速度。一、固體流態(tài)化現(xiàn)象2021/10/1013流態(tài)化現(xiàn)象流化床反應(yīng)器

fluidizedreactor

LLfLLfL0LLmf

流體

流體

流體

流體

流體流體

固定床起始流化膨脹床（散式）鼓泡床（聚式）氣流輸送節(jié)涌2021/10/1014二、流化床反應(yīng)器中顆粒的分類顆粒的形狀，尺寸和密度對(duì)其流態(tài)化的性能影響極大。Geldart提出：對(duì)于氣固流態(tài)化，根據(jù)不同的顆粒密度和粒度，顆?？煞譃锳、B、C、D四類。A類顆粒，稱為細(xì)顆粒。粒度較小，在30～100μm之間，密度ρP<1400kg/m3。適于流化，A類（細(xì)）顆粒形成鼓泡床后，密相中氣、固返混較嚴(yán)重，床層中生成的氣泡小，特別適于催化過(guò)程。B類顆粒，稱為粗顆粒。粒度較大，在100～600μm之間，密度ρP＝1400kg/m3～4000kg/m3。適于流化，密相中氣、固返混較小。砂粒是典型的B類顆粒。C類為超細(xì)顆粒，粒間有粘附性，顆粒間易團(tuán)聚，氣體容易產(chǎn)生溝流，不適用于流化床。D類為過(guò)粗顆粒，流化時(shí)，易產(chǎn)生大氣泡和節(jié)涌，操作難以穩(wěn)定，只在噴動(dòng)床中才能較好流化。2021/10/1015三、流化床反應(yīng)器的流型及基本特征起始流態(tài)化：固體開始流化時(shí)流體空床線速度為起始流化速度，umf一般很小。散式流態(tài)化：當(dāng)流速高于最小流化速度時(shí)，隨著流速的增加，得到的是平穩(wěn)的、逐漸膨脹的床層，固體顆粒均勻地分布于床層各處，床面清晰可辨，略有波動(dòng)，但相當(dāng)穩(wěn)定，床層壓降的波動(dòng)也很小且基本保持不變。既使在流速較大時(shí)，也看不到鼓泡或不均勻的現(xiàn)象。稱為散式流態(tài)化。這種床層稱為散式流化床，或膨脹床、均勻流化床。特別是液固系統(tǒng)，常表現(xiàn)為散式流化床，故又稱液體流化床。聚式流態(tài)化：當(dāng)流速進(jìn)一步提高到起始鼓泡速度Umb時(shí)，床層從低部出現(xiàn)鼓泡，整個(gè)床層中氣泡不斷產(chǎn)生和破裂，床層壓降的波動(dòng)明顯增加，顆粒不是均勻地分散于床層中，而是程度不同的一團(tuán)一團(tuán)聚集在一起作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。這種現(xiàn)象稱為聚式流態(tài)化。這種床層稱為聚式流化床或鼓泡床。床面以下的部分為密相床（又稱乳相）（密相床中形如水沸，故又稱沸騰床），床面上的部分為稀相床（又稱氣泡相）。

說(shuō)明：對(duì)于固體顆粒粒度及密度都比較大的B類顆粒，床層不經(jīng)歷散式流態(tài)化階段，umf即Umb

2021/10/1016節(jié)涌流化床：氣泡在上升過(guò)程中不斷聚并增大，當(dāng)氣泡直徑大到與床徑相等，將床層分為幾段，變成一段氣泡和一段顆粒的相互間隔狀態(tài)。此時(shí)顆粒層被氣泡像活塞一樣向上推動(dòng)，達(dá)到一定高度后氣泡破裂，引起部分顆粒的分散下落。這種現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室或中試流化床中，當(dāng)床高與床徑比較大時(shí)，可能出現(xiàn)，在工業(yè)規(guī)模的大床中，一般不會(huì)出現(xiàn)。湍動(dòng)流態(tài)化：隨著氣速的加大，流化床中湍動(dòng)程度也跟著加劇，壓力脈動(dòng)的幅值減小，此時(shí)的流化床叫湍動(dòng)床?？焖倭鲬B(tài)化：在湍動(dòng)流態(tài)化下繼續(xù)提高氣速，顆粒從連續(xù)的床層變?yōu)榉稚⒌念w粒，而氣體則從分散的氣泡轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的氣流，顆粒夾帶明顯提高，在沒(méi)有顆粒補(bǔ)充的情況下，床層顆粒將很快被吹空。此時(shí)的流態(tài)化稱為快速流態(tài)化。此種情況下，如果有新的顆粒不斷補(bǔ)充進(jìn)入床層底部，操作就可以不斷維持下去，相應(yīng)的流化床稱為快速流化床或循環(huán)流化床。有的也叫過(guò)渡流化床。2021/10/1017

第二節(jié)流化床的特征速度

一、流化床的壓降與流速的關(guān)系

固定床階段，壓力降△P隨著流速u的增加而增加。流化床階段，床層的壓力降保持不變。流體輸送階段，流體的壓力降與流體在空管道中相似。流化床壓降—流速關(guān)系（△P-u關(guān)系圖）2021/10/1018△P-u關(guān)系圖的應(yīng)用：觀察流化床的壓力降變化可以判斷流化質(zhì)量。如：正常操作時(shí)，壓力降的波動(dòng)幅度一般較小，波動(dòng)幅度隨流速的增加而有所增加。在一定的流速下，如果發(fā)現(xiàn)壓降突然增加，而后又突然下降，表明床層產(chǎn)生了節(jié)涌（騰涌）現(xiàn)象。形成氣栓時(shí)壓降直線上升，氣栓達(dá)到表面時(shí)料面崩裂，壓降突然下降，如此循環(huán)下去。這種大幅度的壓降波動(dòng)破壞了床層的均勻性，使氣固接觸顯著惡化，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的產(chǎn)量和質(zhì)量。有時(shí)壓降比正常操作時(shí)低，說(shuō)明氣體形成短路，床層產(chǎn)生了溝流現(xiàn)象。2021/10/1019流化床壓降的計(jì)算

在UO<Umf時(shí)，（流速較低），壓降與氣速成正比關(guān)系。床層內(nèi)的顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)流速增大，床層內(nèi)流體的壓力降增大到與靜床壓力相等時(shí)，按理粒子應(yīng)開始流動(dòng)起來(lái)了，但由于床層中原來(lái)擠緊著的粒子先要被松動(dòng)開來(lái)，需要稍大一點(diǎn)的壓降。等到粒子一旦已經(jīng)松動(dòng)，壓降又恢復(fù)到之值。隨后流速進(jìn)一步增加。則△P不變。其計(jì)算公式為：式中：Lmf—臨界流化床高;εmf—臨界流化床的空隙率;ρp和ρg—分別為顆粒及流體的密度2021/10/1020二、特征流速

1、臨界流化速度也稱起始流化速度、最低流化速度，是指剛剛能夠使顆粒流化起來(lái)的氣體空床流速（也叫表觀速度）。也即顆粒層由固定床轉(zhuǎn)為流化床時(shí)流體的氣體空床流速，用umf表示。實(shí)際操作速度常取臨界流化速度的倍數(shù)（又稱流化數(shù)）來(lái)表示。臨界流化速度對(duì)流化床的研究、計(jì)算與操作都是一個(gè)重要參數(shù)，確定其大小是很有必要的。確定臨界流化速度最好是用實(shí)驗(yàn)測(cè)定，也可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。影響臨界流化速度的因素：顆粒直徑、顆粒密度、流體粘度等。ρp和ρg—分別為顆粒及流體的密度μ為流體粘度常用的經(jīng)驗(yàn)公式：2021/10/10212、起始鼓泡速度Umb（1）對(duì)B類和D類顆粒（大顆粒），當(dāng)氣體空床線速度（即表觀氣速）超過(guò)臨界流化速度時(shí)，床層即已進(jìn)入鼓泡流化床。此時(shí)：Umf＝Umb（2）對(duì)A類顆粒（較小和較輕顆粒），當(dāng)氣體空床線速度（即表觀氣速）超過(guò)臨界流化速度Umf時(shí)，還會(huì)經(jīng)歷一個(gè)散式流態(tài)化階段，然后進(jìn)入鼓泡流化床。此時(shí)流化床的Umb可按Geldart提出的計(jì)算式計(jì)算，即下式：式中：為顆粒的調(diào)和平均直徑；上式中，各物性參數(shù)的單位是kg、m、s制2021/10/10223、顆粒帶出速度（終端速度）：

顆粒帶出速度是流化床中流體速度的上限，當(dāng)流體速度大于固體顆粒在流體中的沉降速度時(shí)，顆粒粒子將被氣流帶出床層，這個(gè)速度叫做帶出速度ut，或稱終端速度。近似地等于粒子的自由沉降速度。

當(dāng)氣速達(dá)到某一定值時(shí)，流體對(duì)粒子的曳力與粒子重力相等，則粒子會(huì)被帶走。這一帶出速度等于粒子的自由沉降速度。

2021/10/1023對(duì)球形粒子作力平衡：式中：

為單顆粒的曳力系數(shù)這樣，可得到ut計(jì)算式：2021/10/10242021/10/1025實(shí)際流化床氣速的選?。簩?shí)際生產(chǎn)中，操作氣速是根據(jù)具體情況確定的。流化數(shù)u/umf一般在1.5～10的范圍內(nèi)，也有高達(dá)幾十甚至幾百的。另外也有按u/ut=0.1～0.4左右來(lái)選取的。通常采用的氣速在0.15～0.5m/s。對(duì)熱效應(yīng)不大、反應(yīng)速率慢、催化劑粒度小、篩分寬、床內(nèi)無(wú)內(nèi)部構(gòu)件和要求催化劑帶出量少的情況，宜選用較低氣速。反之，則宜用較高的氣速。2021/10/1026

在氣—固流化床中，當(dāng)UO>Umf時(shí)，部分氣體以氣泡形式通過(guò)床層，就好像氣體成泡狀通過(guò)液體層一樣。另一部分氣體以臨界流化速率Umf流經(jīng)粒子之間的空隙。通常把氣泡與氣泡以外的密相床部分分別稱作氣泡相和乳相。第三節(jié)流化床中的氣泡及其行為

單個(gè)氣泡：頂部球形，尾部?jī)?nèi)凹。在尾部由于壓力比近旁稍低，使一部分粒子被卷了進(jìn)去。形成局部渦流——尾渦。一、氣泡的結(jié)構(gòu)2021/10/1027氣體經(jīng)分布板進(jìn)入床層后，一部分與固體顆粒混合構(gòu)成乳化相，另一部分不與固體顆?；旌隙詺馀轄顟B(tài)在床層中上升，這部分氣體構(gòu)成氣泡相。氣泡在上升中，因聚并和膨脹而增大，同時(shí)不斷與乳化相間進(jìn)行質(zhì)量交換，即將反應(yīng)物組分傳遞到乳化相中，使其在催化劑上進(jìn)行反應(yīng)，又將反應(yīng)生成的產(chǎn)物傳到氣泡相中來(lái)。所以氣泡不僅是造成床層運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，又是授受物質(zhì)的儲(chǔ)存庫(kù)，可見(jiàn)其行為自然成為影響反應(yīng)結(jié)果的一個(gè)決定性因素。

氣泡上升速度是氣泡的重要參數(shù)之一。為了研究氣泡的上升速度，實(shí)驗(yàn)室中常采用在臨界流化狀態(tài)下注入人工氣泡的方法。氣泡及其周圍氣體與顆粒運(yùn)動(dòng)情況2021/10/1028

在氣泡上升途中，不斷有一部分粒子離開這一區(qū)域，另一部分粒子又補(bǔ)充進(jìn)去。這樣，就把床層下部的粒子夾帶上去，促進(jìn)了整個(gè)床層粒子的循環(huán)和混合。所以氣泡是床層運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。當(dāng)氣泡較大，氣泡上升速度大于乳相中氣速Umf/εmf時(shí)，會(huì)在氣泡外形成一層不與乳相中流體相混合的區(qū)域。這一層就成作為氣泡暈，在氣泡暈中，氣泡內(nèi)的氣體與固體顆粒獲得了有效的接觸，而隨之改善反應(yīng)。氣泡越大，氣泡的上升速度越快，氣泡暈也就越薄，氣泡暈的作用也就減弱。氣泡暈和尾渦都在氣泡之外，并伴隨氣泡上升。氣泡暈和尾渦中所含固體粒子的濃度與乳相中的粒子濃度相同?？珊戏Q為泡暈。

氣泡的作用:2021/10/1029二、氣泡的速度和大小

單個(gè)氣泡的平均上升速度ubr,可按下式計(jì)算：式中：ubr——?dú)馀莸纳仙俣?，㎝/sdb——是與球形頂蓋氣泡體積相等的球體直徑，㎝在實(shí)際流化床層中，常是氣泡成群上升，氣泡群的上升速度ub一般用下式計(jì)算：ub=u0－umf－ubr氣泡上升時(shí)又不斷增大，它的直徑與它距分布板的高度l大致成正比，可用下式表示：式中：db0——是離開分布板時(shí)的原始?xì)馀葜睆剑?/p>

a——為常數(shù)。2021/10/1030不同的研究者所提供的a與db0的表示方式是不同的，今舉一例如下：氣泡的長(zhǎng)大并不是無(wú)限的，如床徑足夠大，不致形成節(jié)涌，則當(dāng)氣泡長(zhǎng)大到一定程度后，就將失去其穩(wěn)定性而破裂。有人認(rèn)為：當(dāng)ubr=ut時(shí)，粒子將被氣泡帶上，并可能從其底部進(jìn)入氣泡，而使氣泡破裂。故當(dāng)ubr＜ut時(shí)為穩(wěn)定氣泡，ubr＞ut時(shí)，為不穩(wěn)定氣泡，最大氣泡直徑就在ubr=ut之時(shí)。計(jì)算氣泡最大氣泡直徑dbmax的式子為：2021/10/1031任意床高l處的氣泡直徑，可按下式計(jì)算：上兩式中：At——為流化床截面積，l——為任意處床高,dt——為床層直徑本式的關(guān)聯(lián)范圍為：0.5<umf<20(cm/s),60<dp<450μ,u0－umf<48cm/s,dt<130cm2021/10/1032三、氣泡暈與尾渦氣泡暈的體積Vc與氣泡體積Vb的關(guān)系如下：尾渦的體積Vw，可用體積分率fw來(lái)表示：也可用體積比αw=VW/Vb來(lái)表示：Fw的值在0.2～0.4之間，αw的值在0.25～0.43之間

氣—固相反應(yīng)系統(tǒng)的流化床中，氣泡尾渦的體積約為氣泡體積的1/3,(Fw≈1/3).在三維流化床（就是一般的圓柱形床）中：分別為氣泡暈及氣泡的半徑2021/10/1033四、氣泡中的顆粒含量

氣泡中所含的顆粒約占全床層的2%～4%，其量甚微，一般可忽略不計(jì)。氣泡暈及尾渦中則含大量的顆粒，其濃度可認(rèn)為與乳化相相同。定義：γb之值約為0.001～0.01，常忽略不計(jì).γe則可由下式求出：δb為床層中氣泡所占的體積分率,可由下式確定：2021/10/1034第四節(jié)流化床反應(yīng)器中的分布板與內(nèi)部構(gòu)件一、氣體分布板及其作用流化床的氣體分布板是保證流化床具有良好而穩(wěn)定流態(tài)化的重要構(gòu)件，它應(yīng)該滿足下列基本要求：①具有均勻分布?xì)饬鞯淖饔?，同時(shí)其壓降要小。這可以通過(guò)正確選取分布板的開孔率或分布板壓降與床層壓降之比，以及選取適當(dāng)?shù)念A(yù)分布手段來(lái)達(dá)到。②能使流化床有一個(gè)良好的起始流態(tài)化狀態(tài)，避免形成“死角”。③操作過(guò)程中不易被堵塞和磨蝕。

分布板對(duì)整個(gè)流化床的流態(tài)化狀態(tài)具有決定性的影響。在生產(chǎn)過(guò)程中常會(huì)由于分布板設(shè)計(jì)不合理，氣體分布不均勻，造成溝流和死區(qū)等異?，F(xiàn)象。2021/10/1035氣體分布板的基本構(gòu)造及特點(diǎn)工業(yè)生產(chǎn)用的氣體分布板的型式，主要有：密孔板；直流式、側(cè)流式和填充式分布板；旋流式噴嘴和分枝式分布器等，而每一種型式又有多種不同的結(jié)構(gòu)。

密孔板又稱燒結(jié)板，被認(rèn)為是氣體分布均勻、初生氣泡細(xì)小、流態(tài)化質(zhì)量最好的一種分布板。但因其易被堵塞，并且堵塞后不易排出，加上造價(jià)較高（由碳化硅或多孔金屬制做），所以，除實(shí)驗(yàn)室外，在工業(yè)中很少使用。

直流式分布板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)制造。但氣流方向正對(duì)床層，易使床層形成溝流，小孔易于堵塞，停車時(shí)又易漏料。所以除特殊情況外，一般不使用直流式分布板。2021/10/1036填充式分布板是在多孔板（或柵板）和金屬絲網(wǎng)上間隔地鋪上卵石、石英砂，再用金屬絲網(wǎng)壓緊。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，并能達(dá)到均勻布?xì)獾囊?，流態(tài)化質(zhì)量較好。但在操作過(guò)程中，固體顆粒一旦進(jìn)入填充層就很難被吹出，容易造成燒結(jié)。另外經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后，填充層常有松動(dòng)，造成移位，降低了布?xì)獾木鶆虺潭取?cè)流式分布板，它是在分布板孔中裝有錐形風(fēng)帽，氣流從錐帽底部的側(cè)縫或錐帽四周的側(cè)孔流出。是應(yīng)用最廣，效果較好的一種分布板。其中側(cè)縫式錐帽因其不會(huì)在頂部形成小的死區(qū)，氣體緊貼分布板板面吹出，適當(dāng)氣速下也可以消除板面上的死區(qū)，從而大大改善床層的流態(tài)化質(zhì)量，避免發(fā)生燒結(jié)和分布板磨蝕現(xiàn)象，因此應(yīng)用更廣。2021/10/1037無(wú)分布板的旋流式噴嘴。氣體通過(guò)六個(gè)方向向上傾斜10°的噴嘴噴出，托起顆粒，使顆粒激烈攪動(dòng)。中部的二次空氣噴嘴均偏離徑向20°～25°，造成了向上旋轉(zhuǎn)的氣流。這種流態(tài)化方式一般應(yīng)用于對(duì)氣體產(chǎn)品要求不嚴(yán)的粗粒流態(tài)化床中。無(wú)分布板的旋流式噴嘴2021/10/1038氣體分布裝置：包括氣體預(yù)分布器和氣體分布板。其作用是使氣體均勻分布，以形成良好的初始流化條件，同時(shí)支承固體顆粒。以下為常見(jiàn)氣體分布板形式：凹型篩孔板單個(gè)直孔泡帽2021/10/1039氣體分布裝置：泡帽側(cè)縫分布板泡帽側(cè)孔分布板2021/10/1040條形側(cè)縫分布板直孔泡帽分布板2021/10/1041直孔篩板錐型側(cè)縫分布板錐型側(cè)孔分布板錐型側(cè)縫分布板2021/10/1042氣體預(yù)分布器同心圓錐殼式分布器帽式分布器2021/10/1043充填式分布器開口式分布器彎管式分布器氣體預(yù)分布器2021/10/1044常見(jiàn)的流化床內(nèi)部換熱器的特點(diǎn)如圖所示：

列管式熱器是將換熱管垂直放置在床層內(nèi)密相或床面上稀相的區(qū)域中。常用的有單管式和套管式兩種，根據(jù)傳熱面積的大小，排成一圈或幾圈。（a）單管式（b）套管式二、流化床反應(yīng)器中的換熱裝置2021/10/1045鼠籠式換熱器由多根直立支管與匯集橫管焊接而成，這種換熱器可以安排較大的傳熱面積，但焊縫較多。

（c）鼠籠式

管束式換熱器分直列和橫列兩種，但橫列的管束式換熱器常用于流化質(zhì)量要求不高而換熱量很大的場(chǎng)合，如沸騰燃燒鍋爐等。（d）直列管束式（e）橫列管束式2021/10/1046

U型管式換熱器是經(jīng)常采用的種類，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不易變形和損壞、催化劑壽命長(zhǎng)、溫度控制十分平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)。蛇管式換熱器也具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不存在熱補(bǔ)償問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)，但也存在同水平管束式換熱器相類似的問(wèn)題，即換熱效果差，對(duì)床層流態(tài)化質(zhì)量有一定的影響。（f）U型管式；（g）蛇管式2021/10/1047橫排管束換熱器蛇管式換熱器套管式換熱器

換熱裝置2021/10/1048

包括檔網(wǎng)、檔板和填充物等。

作用：破碎氣體在床層中產(chǎn)生的大氣泡，增大氣－固相間的接觸機(jī)會(huì)，減少返混，從而增加反應(yīng)速度和提高轉(zhuǎn)化率。

外旋擋板三、水平構(gòu)件2021/10/1049多旋擋板內(nèi)旋擋板

內(nèi)部構(gòu)件：2021/10/1050四、氣固分離器作用：回收上升氣流中夾帶的細(xì)粒和粉塵，并避免帶出的粉塵影響產(chǎn)品的純度。2021/10/1051第五節(jié)流化床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型流化床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型很多，其中研究得較多的有兩相模型和鼓泡床模型。一、兩相模型兩相模型的基本思想是把流化床的流動(dòng)情況分為兩個(gè)不同的區(qū)域—?dú)馀菹嗪腿橄啵謩e研究這兩個(gè)相中的流動(dòng)與傳遞規(guī)律，以及流體和顆粒在這些區(qū)域間的分配與交換。2021/10/1052兩相模型的基本假設(shè)：①以u(píng)0的氣速進(jìn)入床層的氣體中，一部分在乳化相中以起始流化速度umf通過(guò)，而其余部分則在氣泡相中全部以u(píng)0－umf的速度的形式通過(guò)。②從靜止床高度H0增至流化床的高度Hf，是由于氣泡總體積增加的結(jié)果。③氣泡相為向上的平推流式流動(dòng)，其中無(wú)催化劑粒子，故不起反應(yīng)，氣泡大小均一；反應(yīng)完全在乳化相中進(jìn)行，乳化相流動(dòng)狀況可假設(shè)為全混流或平推流。④氣泡相與乳化相間的交換量為氣體的穿流量與通過(guò)界面的擴(kuò)散量之和。2021/10/1053二、鼓泡床模型

鼓泡床模型用于劇烈鼓泡、充分流化的流化床，床層中節(jié)涌及溝流現(xiàn)象極少出現(xiàn)。同時(shí)氣泡的尺寸是可控制的。鼓泡床模型的基本假設(shè)：①假定床層分為氣泡相、泡暈及乳化相三個(gè)區(qū)域，在這些區(qū)域間產(chǎn)生氣體交換。這些氣體交換過(guò)程是串聯(lián)的。②假定乳化相處于臨界流化狀態(tài)；超過(guò)起始流化速度所需要的那部分氣量，以氣泡的形式通過(guò)床層。③假定整個(gè)床層內(nèi)氣泡的大小是均勻的，認(rèn)為氣泡尺寸是決定床內(nèi)情況的一個(gè)關(guān)鍵因素。但這個(gè)氣泡尺寸不一定就是實(shí)際的尺寸，因而稱它為氣泡有效直徑。2021/10/1054

④只要?dú)怏w流速大于起始流化速度的兩倍，即u0＞2umf，床層鼓泡劇烈的條件便可滿足；氣泡內(nèi)基本上不含固體顆粒。⑤乳化相中的氣體可能向上流動(dòng)，也可能向下流動(dòng)；當(dāng)u0/umf>6—11時(shí)，乳化相中的氣體從上流轉(zhuǎn)為下流，雖然流向有所不同，但這部分的氣量與氣泡相相比甚小，對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響可忽略，此時(shí)，離開床層的氣體組成等于床層頂部處氣體的組成。

鼓泡床模型，由于氣速較大，因此該模型假定，床層頂部處出氣組成，完全可用氣泡中的組成代表，而不必計(jì)及乳化相中的情況。這樣只需計(jì)算氣泡中的氣體組成便可算出反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。2021/10/1055第六節(jié)流化床中常見(jiàn)的異常現(xiàn)象及處理方法流化床中的溝流現(xiàn)象(a）貫穿溝流；（b）局部溝流溝流現(xiàn)象的特征是氣體通過(guò)床層時(shí)形成短路，如圖所示。溝流有兩種情況（a）圖所示的貫穿溝流和（b）圖所示的局部溝流。溝流對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響：溝流現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，大部分氣體沒(méi)有與固體顆粒很好接觸就通過(guò)了床層，這在催化反應(yīng)時(shí)會(huì)引起催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率降低。由于部分顆粒沒(méi)有流化或流化不好，造成床層溫度不均勻，從而引起催化劑的燒結(jié)，降低催化劑的壽命和效率。

一、溝流現(xiàn)象2021/10/1056溝流現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：溝流現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：主要與顆粒特性和氣體分布板的結(jié)構(gòu)有關(guān)。下列情況容易產(chǎn)生溝流：顆粒的粒度很細(xì)（粒徑小于40μm）、密度大且氣速很低時(shí)；潮濕的物料和易于粘結(jié)的物料；氣體分布板設(shè)計(jì)不好，布?xì)獠痪?，如孔太少或各個(gè)風(fēng)帽阻力大小差別較大。消除溝流的方法：應(yīng)對(duì)物料預(yù)先進(jìn)行干燥并適當(dāng)加大氣速，另外分布板的合理設(shè)計(jì)也是十分重要的。還應(yīng)注意風(fēng)帽的制造、加工和安裝，以免通過(guò)風(fēng)帽的流體阻力相差過(guò)大而造成布?xì)獠痪?021/10/1057二、大氣泡現(xiàn)象

大氣泡的特征：床層中大氣泡很多，氣泡不斷攪動(dòng)和破裂，床層波動(dòng)大，操作不穩(wěn)定，氣固間接觸不好，就會(huì)使氣固反應(yīng)效率降低。

產(chǎn)生的原因：通常床層較高，氣速較大時(shí)容易產(chǎn)生大氣泡現(xiàn)象。

處理方法：在床層內(nèi)加設(shè)內(nèi)部構(gòu)件可以避免產(chǎn)生大氣泡，促使平穩(wěn)流化。2021/10/1058三、騰涌（節(jié)涌）現(xiàn)象

騰涌現(xiàn)象的特征：就是氣泡直徑大到與床徑相等，將床層分為幾段，變成一段氣泡和一段顆粒的相互間隔狀態(tài)。此時(shí)顆粒層被氣泡像活塞一樣向上推動(dòng)，達(dá)到一定高度后氣泡破裂，引起部分顆粒的分散下落。騰涌發(fā)生時(shí)，床層的均勻性被破壞，使氣固相的接觸不良，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，并且器壁磨損加劇，引起設(shè)備的振動(dòng)。

產(chǎn)生的原因：出現(xiàn)騰涌現(xiàn)象時(shí)，由于顆粒層與器壁的摩擦造成壓降大于理論值，而氣泡破裂時(shí)又低于理論值，即壓降在理論值上下大幅度波動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，床層越高、容器直徑越小、顆粒越大、氣速越高，越容易發(fā)生騰涌現(xiàn)象。

處理方法：在床層過(guò)高時(shí)，可以增設(shè)擋板以破壞氣泡的長(zhǎng)大，避免騰涌發(fā)生。2021/10/1059概述流化床反應(yīng)器（fluidizedbedreactor）

是利用氣體或液體通過(guò)顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)行氣固相反應(yīng)過(guò)程或液固相反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)器。在用于氣固系統(tǒng)時(shí)，又稱沸騰床反應(yīng)器

流化床反應(yīng)器在現(xiàn)代工業(yè)中的早期應(yīng)用為20世紀(jì)20年代出現(xiàn)的粉煤氣化的溫克勒爐，但現(xiàn)代流化反應(yīng)技術(shù)的開拓，是以40年代石油催化裂化為代表的。目前，流化床反應(yīng)器已在化工、石油、冶金、核工業(yè)等部門得到廣泛應(yīng)用。

流化床反應(yīng)器通常為一直立的圓筒型容器，容器下部一般設(shè)有分布板，細(xì)顆粒狀的固體物料裝填在容器內(nèi)，流體向上通過(guò)顆粒層，當(dāng)流速足夠大時(shí)，顆粒浮起，呈現(xiàn)流化狀態(tài)。由于氣固流化床內(nèi)通常出現(xiàn)氣泡相和乳化相，狀似液體沸騰，因而流化床反應(yīng)器亦稱為沸騰床反應(yīng)器。流化床反應(yīng)器2021/10/1060流化床反應(yīng)器類型按固體顆粒是否在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)分

（1）單器流化床

（2）雙器流化床按反應(yīng)器的外型分(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2021/10/1061流化床反應(yīng)器有兩種主要形式：①有固體物料連續(xù)進(jìn)料和出料裝置，用于固相加工過(guò)程或催化劑迅速失活的流體相加工過(guò)程。例如催化裂化過(guò)程，催化劑在幾分鐘內(nèi)即顯著失活，須用上述裝置不斷予以分離后進(jìn)行再生。②無(wú)固體物料連續(xù)進(jìn)料和出料裝置，用于固體顆粒性狀在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間（如半年或一年）內(nèi)，不發(fā)生明顯變化的反應(yīng)過(guò)程。2021/10/1062流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)反應(yīng)器主體擴(kuò)大段分離段（氣泡相或稀相）濃相段（乳相或密相）錐底2021/10/1063與固定床反應(yīng)器相比，流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是：①可以實(shí)現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；②流體和顆粒的運(yùn)動(dòng)使床層具有良好的傳熱性能，床層內(nèi)部溫度均勻，可在最佳溫度點(diǎn)操作,而且易于控制，特別適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)；③顆粒比較細(xì)小，有效系數(shù)高，可減少催化劑用量；

④壓降恒定，不易受異物堵塞；⑤便于進(jìn)行催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)操作，適于催化劑失活速率高的過(guò)程的進(jìn)行，石油餾分催化流化床裂化的迅速發(fā)展就是這一方面的典型例子。流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)2021/10/1064

由于流態(tài)化技術(shù)的固有特性以及流化過(guò)程影響因素的多樣性，對(duì)于反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，流化床又存在粉明顯的局限性：①由于固體顆粒和氣泡在連續(xù)流動(dòng)過(guò)程中的劇烈循環(huán)和攪動(dòng)，無(wú)論氣相或固相都存在著相當(dāng)廣的停留時(shí)間分布，物料的流動(dòng)更接近于理想混合流，返混較嚴(yán)重。導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品分布，降低了目的產(chǎn)物的收率；為了限制返混，常采用多層流化床或在床內(nèi)設(shè)置內(nèi)部構(gòu)件。反應(yīng)器體積比固定床反應(yīng)器大，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。對(duì)設(shè)備精度要求較高；②反應(yīng)物以氣泡形式通過(guò)床層，減少了氣-固相之間的接觸機(jī)會(huì)，降低了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；③由于固體催化劑在流動(dòng)過(guò)程中的劇烈撞擊和摩擦，使催化劑加速粉化，加上床層頂部氣泡的爆裂和高速運(yùn)動(dòng)、大量細(xì)粒催化劑的帶出，造成明顯的催化劑流失；④床層內(nèi)的復(fù)雜流體力學(xué)、傳遞現(xiàn)象，使過(guò)程處于非定常條件下，難以揭示其統(tǒng)一的規(guī)律，也難以脫離經(jīng)驗(yàn)放大、經(jīng)驗(yàn)操作。流化床反應(yīng)器的缺點(diǎn)

2021/10/10652021/10/1066工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)流化床反應(yīng)器形式2021/10/10672021/10/10682021/10/1069循環(huán)流化床煙氣脫硫裝置2021/10/1070鼓泡流化床反應(yīng)器2021/10/1071第一節(jié)固體流態(tài)化的基本特征

流態(tài)化——固體粒子象流體一樣進(jìn)行流動(dòng)的現(xiàn)象。除重力作用外，一般是依靠氣體或液體的流動(dòng)來(lái)帶動(dòng)固體粒子運(yùn)動(dòng)的。流態(tài)化的形成：流體自下而上流過(guò)催化劑床層時(shí)，根據(jù)流體流速的不同，床層經(jīng)歷三個(gè)階段：當(dāng)流體流速很小時(shí),固體顆粒在床層中固定不動(dòng),此時(shí)為固定床階段。當(dāng)氣速進(jìn)一步加大時(shí)，床層高度逐漸增加，固體顆粒懸浮在氣體中并隨氣體運(yùn)動(dòng)而上下翻滾，此時(shí)為流化床階段，稱為流態(tài)化現(xiàn)象。開始流化的最小氣速稱為臨界流化速度umf當(dāng)流體速度更高時(shí)，固體顆粒就不能沉降下來(lái)，正常的流化狀態(tài)被破壞，整個(gè)床層的粒子被氣流帶走,床層上界面消失,床層處于氣流輸送階段。此時(shí)的速度稱為帶出速度，也稱最大流化速度ut或終端速度。一、固體流態(tài)化現(xiàn)象2021/10/1072流態(tài)化現(xiàn)象流化床反應(yīng)器

fluidizedreactor

LLfLLfL0LLmf

流體

流體

流體

流體

流體流體

固定床起始流化膨脹床（散式）鼓泡床（聚式）氣流輸送節(jié)涌2021/10/1073二、流化床反應(yīng)器中顆粒的分類顆粒的形狀，尺寸和密度對(duì)其流態(tài)化的性能影響極大。Geldart提出：對(duì)于氣固流態(tài)化，根據(jù)不同的顆粒密度和粒度，顆?？煞譃锳、B、C、D四類。A類顆粒，稱為細(xì)顆粒。粒度較小，在30～100μm之間，密度ρP<1400kg/m3。適于流化，A類（細(xì)）顆粒形成鼓泡床后，密相中氣、固返混較嚴(yán)重，床層中生成的氣泡小，特別適于催化過(guò)程。B類顆粒，稱為粗顆粒。粒度較大，在100～600μm之間，密度ρP＝1400kg/m3～4000kg/m3。適于流化，密相中氣、固返混較小。砂粒是典型的B類顆粒。C類為超細(xì)顆粒，粒間有粘附性，顆粒間易團(tuán)聚，氣體容易產(chǎn)生溝流，不適用于流化床。D類為過(guò)粗顆粒，流化時(shí)，易產(chǎn)生大氣泡和節(jié)涌，操作難以穩(wěn)定，只在噴動(dòng)床中才能較好流化。2021/10/1074三、流化床反應(yīng)器的流型及基本特征起始流態(tài)化：固體開始流化時(shí)流體空床線速度為起始流化速度，umf一般很小。散式流態(tài)化：當(dāng)流速高于最小流化速度時(shí)，隨著流速的增加，得到的是平穩(wěn)的、逐漸膨脹的床層，固體顆粒均勻地分布于床層各處，床面清晰可辨，略有波動(dòng)，但相當(dāng)穩(wěn)定，床層壓降的波動(dòng)也很小且基本保持不變。既使在流速較大時(shí)，也看不到鼓泡或不均勻的現(xiàn)象。稱為散式流態(tài)化。這種床層稱為散式流化床，或膨脹床、均勻流化床。特別是液固系統(tǒng)，常表現(xiàn)為散式流化床，故又稱液體流化床。聚式流態(tài)化：當(dāng)流速進(jìn)一步提高到起始鼓泡速度Umb時(shí)，床層從低部出現(xiàn)鼓泡，整個(gè)床層中氣泡不斷產(chǎn)生和破裂，床層壓降的波動(dòng)明顯增加，顆粒不是均勻地分散于床層中，而是程度不同的一團(tuán)一團(tuán)聚集在一起作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。這種現(xiàn)象稱為聚式流態(tài)化。這種床層稱為聚式流化床或鼓泡床。床面以下的部分為密相床（又稱乳相）（密相床中形如水沸，故又稱沸騰床），床面上的部分為稀相床（又稱氣泡相）。

說(shuō)明：對(duì)于固體顆粒粒度及密度都比較大的B類顆粒，床層不經(jīng)歷散式流態(tài)化階段，umf即Umb

2021/10/1075節(jié)涌流化床：氣泡在上升過(guò)程中不斷聚并增大，當(dāng)氣泡直徑大到與床徑相等，將床層分為幾段，變成一段氣泡和一段顆粒的相互間隔狀態(tài)。此時(shí)顆粒層被氣泡像活塞一樣向上推動(dòng)，達(dá)到一定高度后氣泡破裂，引起部分顆粒的分散下落。這種現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室或中試流化床中，當(dāng)床高與床徑比較大時(shí)，可能出現(xiàn)，在工業(yè)規(guī)模的大床中，一般不會(huì)出現(xiàn)。湍動(dòng)流態(tài)化：隨著氣速的加大，流化床中湍動(dòng)程度也跟著加劇，壓力脈動(dòng)的幅值減小，此時(shí)的流化床叫湍動(dòng)床?？焖倭鲬B(tài)化：在湍動(dòng)流態(tài)化下繼續(xù)提高氣速，顆粒從連續(xù)的床層變?yōu)榉稚⒌念w粒，而氣體則從分散的氣泡轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的氣流，顆粒夾帶明顯提高，在沒(méi)有顆粒補(bǔ)充的情況下，床層顆粒將很快被吹空。此時(shí)的流態(tài)化稱為快速流態(tài)化。此種情況下，如果有新的顆粒不斷補(bǔ)充進(jìn)入床層底部，操作就可以不斷維持下去，相應(yīng)的流化床稱為快速流化床或循環(huán)流化床。有的也叫過(guò)渡流化床。2021/10/1076

第二節(jié)流化床的特征速度

一、流化床的壓降與流速的關(guān)系

固定床階段，壓力降△P隨著流速u的增加而增加。流化床階段，床層的壓力降保持不變。流體輸送階段，流體的壓力降與流體在空管道中相似。流化床壓降—流速關(guān)系（△P-u關(guān)系圖）2021/10/1077△P-u關(guān)系圖的應(yīng)用：觀察流化床的壓力降變化可以判斷流化質(zhì)量。如：正常操作時(shí)，壓力降的波動(dòng)幅度一般較小，波動(dòng)幅度隨流速的增加而有所增加。在一定的流速下，如果發(fā)現(xiàn)壓降突然增加，而后又突然下降，表明床層產(chǎn)生了節(jié)涌（騰涌）現(xiàn)象。形成氣栓時(shí)壓降直線上升，氣栓達(dá)到表面時(shí)料面崩裂，壓降突然下降，如此循環(huán)下去。這種大幅度的壓降波動(dòng)破壞了床層的均勻性，使氣固接觸顯著惡化，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的產(chǎn)量和質(zhì)量。有時(shí)壓降比正常操作時(shí)低，說(shuō)明氣體形成短路，床層產(chǎn)生了溝流現(xiàn)象。2021/10/1078流化床壓降的計(jì)算

在UO<Umf時(shí)，（流速較低），壓降與氣速成正比關(guān)系。床層內(nèi)的顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)流速增大，床層內(nèi)流體的壓力降增大到與靜床壓力相等時(shí)，按理粒子應(yīng)開始流動(dòng)起來(lái)了，但由于床層中原來(lái)擠緊著的粒子先要被松動(dòng)開來(lái)，需要稍大一點(diǎn)的壓降。等到粒子一旦已經(jīng)松動(dòng)，壓降又恢復(fù)到之值。隨后流速進(jìn)一步增加。則△P不變。其計(jì)算公式為：式中：Lmf—臨界流化床高;εmf—臨界流化床的空隙率;ρp和ρg—分別為顆粒及流體的密度2021/10/1079二、特征流速

1、臨界流化速度也稱起始流化速度、最低流化速度，是指剛剛能夠使顆粒流化起來(lái)的氣體空床流速（也叫表觀速度）。也即顆粒層由固定床轉(zhuǎn)為流化床時(shí)流體的氣體空床流速，用umf表示。實(shí)際操作速度常取臨界流化速度的倍數(shù)（又稱流化數(shù)）來(lái)表示。臨界流化速度對(duì)流化床的研究、計(jì)算與操作都是一個(gè)重要參數(shù)，確定其大小是很有必要的。確定臨界流化速度最好是用實(shí)驗(yàn)測(cè)定，也可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。影響臨界流化速度的因素：顆粒直徑、顆粒密度、流體粘度等。ρp和ρg—分別為顆粒及流體的密度μ為流體粘度常用的經(jīng)驗(yàn)公式：2021/10/10802、起始鼓泡速度Umb（1）對(duì)B類和D類顆粒（大顆粒），當(dāng)氣體空床線速度（即表觀氣速）超過(guò)臨界流化速度時(shí)，床層即已進(jìn)入鼓泡流化床。此時(shí)：Umf＝Umb（2）對(duì)A類顆粒（較小和較輕顆粒），當(dāng)氣體空床線速度（即表觀氣速）超過(guò)臨界流化速度Umf時(shí)，還會(huì)經(jīng)歷一個(gè)散式流態(tài)化階段，然后進(jìn)入鼓泡流化床。此時(shí)流化床的Umb可按Geldart提出的計(jì)算式計(jì)算，即下式：式中：為顆粒的調(diào)和平均直徑；上式中，各物性參數(shù)的單位是kg、m、s制2021/10/10813、顆粒帶出速度（終端速度）：

顆粒帶出速度是流化床中流體速度的上限，當(dāng)流體速度大于固體顆粒在流體中的沉降速度時(shí)，顆粒粒子將被氣流帶出床層，這個(gè)速度叫做帶出速度ut，或稱終端速度。近似地等于粒子的自由沉降速度。

當(dāng)氣速達(dá)到某一定值時(shí)，流體對(duì)粒子的曳力與粒子重力相等，則粒子會(huì)被帶走。這一帶出速度等于粒子的自由沉降速度。

2021/10/1082對(duì)球形粒子作力平衡：式中：

為單顆粒的曳力系數(shù)這樣，可得到ut計(jì)算式：2021/10/10832021/10/1084實(shí)際流化床氣速的選?。簩?shí)際生產(chǎn)中，操作氣速是根據(jù)具體情況確定的。流化數(shù)u/umf一般在1.5～10的范圍內(nèi)，也有高達(dá)幾十甚至幾百的。另外也有按u/ut=0.1～0.4左右來(lái)選取的。通常采用的氣速在0.15～0.5m/s。對(duì)熱效應(yīng)不大、反應(yīng)速率慢、催化劑粒度小、篩分寬、床內(nèi)無(wú)內(nèi)部構(gòu)件和要求催化劑帶出量少的情況，宜選用較低氣速。反之，則宜用較高的氣速。2021/10/1085

在氣—固流化床中，當(dāng)UO>Umf時(shí)，部分氣體以氣泡形式通過(guò)床層，就好像氣體成泡狀通過(guò)液體層一樣。另一部分氣體以臨界流化速率Umf流經(jīng)粒子之間的空隙。通常把氣泡與氣泡以外的密相床部分分別稱作氣泡相和乳相。第三節(jié)流化床中的氣泡及其行為

單個(gè)氣泡：頂部球形，尾部?jī)?nèi)凹。在尾部由于壓力比近旁稍低，使一部分粒子被卷了進(jìn)去。形成局部渦流——尾渦。一、氣泡的結(jié)構(gòu)2021/10/1086氣體經(jīng)分布板進(jìn)入床層后，一部分與固體顆?；旌蠘?gòu)成乳化相，另一部分不與固體顆?；旌隙詺馀轄顟B(tài)在床層中上升，這部分氣體構(gòu)成氣泡相。氣泡在上升中，因聚并和膨脹而增大，同時(shí)不斷與乳化相間進(jìn)行質(zhì)量交換，即將反應(yīng)物組分傳遞到乳化相中，使其在催化劑上進(jìn)行反應(yīng)，又將反應(yīng)生成的產(chǎn)物傳到氣泡相中來(lái)。所以氣泡不僅是造成床層運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，又是授受物質(zhì)的儲(chǔ)存庫(kù)，可見(jiàn)其行為自然成為影響反應(yīng)結(jié)果的一個(gè)決定性因素。

氣泡上升速度是氣泡的重要參數(shù)之一。為了研究氣泡的上升速度，實(shí)驗(yàn)室中常采用在臨界流化狀態(tài)下注入人工氣泡的方法。氣泡及其周圍氣體與顆粒運(yùn)動(dòng)情況2021/10/1087

在氣泡上升途中，不斷有一部分粒子離開這一區(qū)域，另一部分粒子又補(bǔ)充進(jìn)去。這樣，就把床層下部的粒子夾帶上去，促進(jìn)了整個(gè)床層粒子的循環(huán)和混合。所以氣泡是床層運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。當(dāng)氣泡較大，氣泡上升速度大于乳相中氣速Umf/εmf時(shí)，會(huì)在氣泡外形成一層不與乳相中流體相混合的區(qū)域。這一層就成作為氣泡暈，在氣泡暈中，氣泡內(nèi)的氣體與固體顆粒獲得了有效的接觸，而隨之改善反應(yīng)。氣泡越大，氣泡的上升速度越快，氣泡暈也就越薄，氣泡暈的作用也就減弱。氣泡暈和尾渦都在氣泡之外，并伴隨氣泡上升。氣泡暈和尾渦中所含固體粒子的濃度與乳相中的粒子濃度相同?？珊戏Q為泡暈。

氣泡的作用:2021/10/1088二、氣泡的速度和大小

單個(gè)氣泡的平均上升速度ubr,可按下式計(jì)算：式中：ubr——?dú)馀莸纳仙俣龋M/sdb——是與球形頂蓋氣泡體積相等的球體直徑，㎝在實(shí)際流化床層中，常是氣泡成群上升，氣泡群的上升速度ub一般用下式計(jì)算：ub=u0－umf－ubr氣泡上升時(shí)又不斷增大，它的直徑與它距分布板的高度l大致成正比，可用下式表示：式中：db0——是離開分布板時(shí)的原始?xì)馀葜睆剑?/p>

a——為常數(shù)。2021/10/1089不同的研究者所提供的a與db0的表示方式是不同的，今舉一例如下：氣泡的長(zhǎng)大并不是無(wú)限的，如床徑足夠大，不致形成節(jié)涌，則當(dāng)氣泡長(zhǎng)大到一定程度后，就將失去其穩(wěn)定性而破裂。有人認(rèn)為：當(dāng)ubr=ut時(shí)，粒子將被氣泡帶上，并可能從其底部進(jìn)入氣泡，而使氣泡破裂。故當(dāng)ubr＜ut時(shí)為穩(wěn)定氣泡，ubr＞ut時(shí)，為不穩(wěn)定氣泡，最大氣泡直徑就在ubr=ut之時(shí)。計(jì)算氣泡最大氣泡直徑dbmax的式子為：2021/10/1090任意床高l處的氣泡直徑，可按下式計(jì)算：上兩式中：At——為流化床截面積，l——為任意處床高,dt——為床層直徑本式的關(guān)聯(lián)范圍為：0.5<umf<20(cm/s),60<dp<450μ,u0－umf<48cm/s,dt<130cm2021/10/1091三、氣泡暈與尾渦氣泡暈的體積Vc與氣泡體積Vb的關(guān)系如下：尾渦的體積Vw，可用體積分率fw來(lái)表示：也可用體積比αw=VW/Vb來(lái)表示：Fw的值在0.2～0.4之間，αw的值在0.25～0.43之間

氣—固相反應(yīng)系統(tǒng)的流化床中，氣泡尾渦的體積約為氣泡體積的1/3,(Fw≈1/3).在三維流化床（就是一般的圓柱形床）中：分別為氣泡暈及氣泡的半徑2021/10/1092四、氣泡中的顆粒含量

氣泡中所含的顆粒約占全床層的2%～4%，其量甚微，一般可忽略不計(jì)。氣泡暈及尾渦中則含大量的顆粒，其濃度可認(rèn)為與乳化相相同。定義：γb之值約為0.001～0.01，常忽略不計(jì).γe則可由下式求出：δb為床層中氣泡所占的體積分率,可由下式確定：2021/10/1093第四節(jié)流化床反應(yīng)器中的分布板與內(nèi)部構(gòu)件一、氣體分布板及其作用流化床的氣體分布板是保證流化床具有良好而穩(wěn)定流態(tài)化的重要構(gòu)件，它應(yīng)該滿足下列基本要求：①具有均勻分布?xì)饬鞯淖饔?，同時(shí)其壓降要小。這可以通過(guò)正確選取分布板的開孔率或分布板壓降與床層壓降之比，以及選取適當(dāng)?shù)念A(yù)分布手段來(lái)達(dá)到。②能使流化床有一個(gè)良好的起始流態(tài)化狀態(tài)，避免形成“死角”。③操作過(guò)程中不易被堵塞和磨蝕。

分布板對(duì)整個(gè)流化床的流態(tài)化狀態(tài)具有決定性的影響。在生產(chǎn)過(guò)程中常會(huì)由于分布板設(shè)計(jì)不合理，氣體分布不均勻，造成溝流和死區(qū)等異?，F(xiàn)象。2021/10/1094氣體分布板的基本構(gòu)造及特點(diǎn)工業(yè)生產(chǎn)用的氣體分布板的型式，主要有：密孔板；直流式、側(cè)流式和填充式分布板；旋流式噴嘴和分枝式分布器等，而每一種型式又有多種不同的結(jié)構(gòu)。

密孔板又稱燒結(jié)板，被認(rèn)為是氣體分布均勻、初生氣泡細(xì)小、流態(tài)化質(zhì)量最好的一種分布板。但因其易被堵塞，并且堵塞后不易排出，加上造價(jià)較高（由碳化硅或多孔金屬制做），所以，除實(shí)驗(yàn)室外，在工業(yè)中很少使用。

直流式分布板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)制造。但氣流方向正對(duì)床層，易使床層形成溝流，小孔易于堵塞，停車時(shí)又易漏料。所以除特殊情況外，一般不使用直流式分布板。2021/10/1095填充式分布板是在多孔板（或柵板）和金屬絲網(wǎng)上間隔地鋪上卵石、石英砂，再用金屬絲網(wǎng)壓緊。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，并能達(dá)到均勻布?xì)獾囊?，流態(tài)化質(zhì)量較好。但在操作過(guò)程中，固體顆粒一旦進(jìn)入填充層就很難被吹出，容易造成燒結(jié)。另外經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后，填充層常有松動(dòng)，造成移位，降低了布?xì)獾木鶆虺潭取?cè)流式分布板，它是在分布板孔中裝有錐形風(fēng)帽，氣流從錐帽底部的側(cè)縫或錐帽四周的側(cè)孔流出。是應(yīng)用最廣，效果較好的一種分布板。其中側(cè)縫式錐帽因其不會(huì)在頂部形成小的死區(qū)，氣體緊貼分布板板面吹出，適當(dāng)氣速下也可以消除板面上的死區(qū)，從而大大改善床層的流態(tài)化質(zhì)量，避免發(fā)生燒結(jié)和分布板磨蝕現(xiàn)象，因此應(yīng)用更廣。2021/10/1096無(wú)分布板的旋流式噴嘴。氣體通過(guò)六個(gè)方向向上傾斜10°的噴嘴噴出，托起顆粒，使顆粒激烈攪動(dòng)。中部的二次空氣噴嘴均偏離徑向20°～25°，造成了向上旋轉(zhuǎn)的氣流。這種流態(tài)化方式一般應(yīng)用于對(duì)氣體產(chǎn)品要求不嚴(yán)的粗粒流態(tài)化床中。無(wú)分布板的旋流式噴嘴2021/10/1097氣體分布裝置：包括氣體預(yù)分布器和氣體分布板。其作用是使氣體均勻分布，以形成良好的初始流化條件，同時(shí)支承固體顆粒。以下為常見(jiàn)氣體分布板形式：凹型篩孔板單個(gè)直孔泡帽2021/10/1098氣體分布裝置：泡帽側(cè)縫分布板泡帽側(cè)孔分布板2021/10/1099條形側(cè)縫分布板直孔泡帽分布板2021/10/10100直孔篩板錐型側(cè)縫分布板錐型側(cè)孔分布板錐型側(cè)縫分布板2021/10/10101氣體預(yù)分布器同心圓錐殼式分布器帽式分布器2021/10/10102充填式分布器開口式分布器彎管式分布器氣體預(yù)分布器2021/10/10103常見(jiàn)的流化床內(nèi)部換熱器的特點(diǎn)如圖所示：

列管式熱器是將換熱管垂直放置在床層內(nèi)密相或床面上稀相的區(qū)域中。常用的有單管式和套管式兩種，根據(jù)傳熱面積的大小，排成一圈或幾圈。（a）單管式（b）套管式二、流化床反應(yīng)器中的換熱裝置2021/10/10104鼠籠式換熱器由多根直立支管與匯集橫管焊接而成，這種換熱器可以安排較大的傳熱面積，但焊縫較多。

（c）鼠籠式

管束式換熱器分直列和橫列兩種，但橫列的管束式換熱器常用于流化質(zhì)量要求不高而換熱量很大的場(chǎng)合，如沸騰燃燒鍋爐等。（d）直列管束式（e）橫列管束式2021/10/10105

U型管式換熱器是經(jīng)常采用的種類，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不易變形和損壞、催化劑壽命長(zhǎng)、溫度控制十分平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)。蛇管式換熱器也具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不存在熱補(bǔ)償問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)，但也存在同水平管束式換熱器相類似的問(wèn)題，即換熱效果差，對(duì)床層流態(tài)化質(zhì)量有一定的影響。（f）U型管式；