化学反应工程课件：2011流化床反应器.pptx

1、李春义化学工程学院气流真实速度uf与颗粒真实速度us之差usl称为气固相对速度，在垂直立管中称为滑移速度。usl不为零，颗粒受流体的作用力fs为形状阻力fx与摩擦阻力fm之和：形状阻力fx与颗粒横截面As成正比，摩擦阻力fm与颗粒外表面及边界层粘滞力成正比，因而mxsfff22slgsDsuACfgslptudRe曳力系数CD与有关，具体关联关系因Re的不同而不同。颗粒在流体中运动，受浮力、重力和流体作用力三个作用力。在这三种作用力处于平衡时，usl保持不变。对于球形颗粒，当流体静止时，uf为零，此时us为负，向下运动，称为沉降速度ut。2/134ggpDpslCgdu500Re,74. 11

2、00, 1 . 0Re,182/12tgpgptptpgptdgumddguStokesNewton开始流化时以床层截面为基准的流体表观速度ufbg称为起始流化速度umf。开始出现气泡的ufbg称为表观起始气泡速度umb。当 时，床层没有气泡。如果dp较大，则有umb=umf，从起始流化速度开始就出现气泡。流化床体积VB为颗粒体积Vp、颗粒间体积VA和气泡体积Vb三者之和，即mbfbgmfuuubApBVVVVA类颗粒床层膨胀曲线对于等直径床，截面积为AT，有BbApfTBbTATpTfLLLLALALALALApDLLLLf为床层高度，Lp为净颗粒当量高度，LA为颗粒间空隙体积当量高度，LB

3、b为床层气泡体积当量高度。将Lp与LA之和称为乳化相高度LD，A类颗粒（如FCC催化剂颗粒）：可出现散式流化。气泡直径小，床层膨胀大，流化较为平稳。固体返混较为严重。B类颗粒（如硅砂颗粒）：超过起始流化速度即出现气泡，umb=umf。气泡较大，并沿床高增大。床层不甚平稳。C类颗粒（如FCC三旋催化剂颗粒，颗粒间存在粘着力）：平均粒径dp600m 。床层易产生喷动。突然停止流化气体，床层脱气存在三个阶段：脱气泡颗粒沉积颗粒密实Abrahamsen和Geldart给出了乳化相高度LD的计算公式，为如果将LD沿颗粒沉积线的时间和对应高度得到的Dt和DL相除，uD为乳化相脱气速度，式中L为距离分布板的

4、高度，F45为45m细粉百分含量。244. 0663. 0663. 0568. 0508. 0371. 0089. 0043. 0118. 0118. 01 . 009. 0066. 0016. 0454518854. 2LgdeuuutLLgdeLLgppFgmfDDmfgppFgmfDDD在uD条件下，床层具有散式流化特征，对于颗粒流化输送极为重要。气泡对于颗粒输送不利，无气泡干扰最为理想，因而umb/umf或uD/umf越大越好。Raterman定义了脉动因子（Fluctuation factor),郭慕孙根据塌落曲线定义了无因次沉积时间，LC为乳化相消失床层高度，L0为固定床床层高度。

5、0663. 0568. 0508. 045LLLuugduudeFPCDDtpmfDppF根据十二种固体颗粒的实验结果，得到如下关联式：值越大，说明流化性能越好。4/14lnmfmbuu在A、A-B颗粒中添加C类颗粒，无因次沉积时间随细颗粒分率的增加明显增大，表明流化性能得到改善。A类颗粒流化状态与表观气速ufbg有关，随其增大呈现不同流化状态，Squires将其分为五类：固定床固定床，固体颗粒相互接触，呈堆积状态。散式流化床散式流化床，脱离接触，分布均匀，无集聚状态，具流动性。鼓泡床鼓泡床，气体集聚成气泡，气泡在床层表面破裂形成稀相区。湍动床湍动床，小气泡多且比鼓泡床分布均匀，气泡引起的压力

6、波动小，表面夹带量大增致床层界面模糊，床层内循环加剧，稀相颗粒浓度增大。快速床快速床，密相床层靠循环量维持，气体夹带固体达到饱和，密相大量颗粒聚集成团，床层密度与循环量关系密切。输送床输送床，靠循环也无法维持床层，已达气力输送状态。固定床散式流化床节涌鼓泡床湍动床稀相气力输送循环流化床快速床密相气力输送dT小小颗粒大颗粒ufbg增大垂直向上气固流化状态转变（金涌）广义的循环流化床包括：固体颗粒不断带出，不断得到补充。利用旋风分离器回收的颗粒再返回到床层中。从这个角度看，循环流化床实际上包含了鼓泡床、湍动床、快速床、密相气力输送和稀相气力输送。描述流化状态的四个概念：相、区、域和型。连续相连续相

7、分散相分散相密相乳化相（床层）絮团相（快速床）稀相稀乳相（快速床）气泡相（床层）相区域型轴向：顶区、底区径向：中心区、边壁区稀相区与密相区固定床、散式流化床、湍动床、快速床和输送床气固系统液固系统气液固系统细颗粒系统、粗颗粒系统Yerushalmi FCC催化剂流态化域图郭慕孙流态化域图(FCC/空气系统)ufbg: 表观气速；uFD: 快速床向密相床转变气速；uFT: 载流速度；umb: 表观起始鼓泡气速；umf: 起始流化气速；us: 颗粒实际速度；ut: 带出速度或沉降速度；uTF: 湍动床向快速床转变气速。气体向上通过床层，气速增大到A点达到起始流化速度umf，床层呈散式流化。AB段为

8、散式流化膨胀区。气速增大到umb，出现气泡，进入鼓泡床。随气速增大，气泡增多且变大，至鼓泡床向湍动床转变速度uc，床层内压降波动达到最大。气泡在密相床界面处破裂，颗粒喷溅形成稀相空间。此时密相床床层界面依然清晰。超过uc，床层波动趋于平稳，气泡数量增多直径变小，稀相颗粒数量增多，床层界面模糊，进入湍动床。超过湍动床向快速床转变速度uTF，气泡消失，床层空隙率随气速快速增大，颗粒带出量增大，需不断补充颗粒才能维持床层密度。在快速床中，部分颗粒分散于稀相形成固体连续相，部分固体聚集成絮团形成分散相。絮团时而形成，时而解体。气速增大到载流速度uFT，进入气力输送阶段。 uFT与物料属性、加料速度有关

9、，一定的物料流率有一定的uFT 。气固系统与液固系统的主要区别：液固系统在带出速度前只出现床层膨胀，固体颗粒分布始终保持均匀。金涌流态化域图在垂直向上气固流化系统中，当ufbg达到最小循环流化气速utr，气体对颗粒夹带达到饱和夹带量Gs*。若颗粒补充量Gs小于最小循环流化颗粒质量速率Gstr，床层由湍动床转变为稀相气力输送稀相气力输送。若GsGstr，则转变为快速床快速床，气体聚集体气泡转变为颗粒聚集体絮团，床层上稀下浓，径向分布亦不均匀。颗粒在中心向上，顺边壁向下流动。若GsGs*，稀、浓相界面向上移动，达到顶端时，床层呈单一的浓相分布，即密相气力输送密相气力输送。若GsGs*，但保持一定的

10、Gs，提高ufbg，当ufbg=uFD时，床内上稀下密状态消失，上下密度均一，径向分布较为均匀，此时为密相气力密相气力输送输送。增大气速，颗粒浓度降低，超过uDT时，进入稀相气力输送稀相气力输送，床层压降主要为摩擦压降。李静海等提出的EMMS模型认为颗粒与流体之间相互约束，在运动过程中相互协调，使系统处于稳定状态。依流体与颗粒间相互控制能力分为PD流型流型（颗粒控制）、FPC流型流型（颗粒和流体相互协调）和FD流型流型（流体控制）。固定床属于PD流型；从散式流化到快速床，属FPC流型；输送床属于FD流型。EMMS模型将气体流过床层消耗的总能量NT分为悬浮与输送颗粒消耗的能量Nst和颗粒加速、循

11、环与碰撞耗散的能量Nd，即kgs/J,dstTNNN系统稳钉时，Nd和Nst应为极值（最大或最小值）单位质量颗粒的能耗与单位体积内颗粒的能耗转化关系：e为局部总体空隙率。EMMS模型对流态化域区分如下：) sm/(J,)1 (pststeNWufbgumf，FPC流型。Nst最小，颗粒与流体相互协调状态； ufbg umfufbg umb为散式流化； ufbg umb同时 为鼓泡床， 时鼓泡床转变为湍动床； 且 仍为湍动床， 转变为快速床。Nst最大，为输送床（相当于密相气力输送）。ufbg进一步增大，WstGsg，理想输送（稀相气力输送）。0sstGW0sstGW0sstGW0fbgstuW

12、0fbgstuW起始流化速度起始流化速度umf分为物性关联式和在高温、高压条件下使用的准数关联式。物性关联式两点假定（最早的Max Leva关联式）： umf既符合固定床规律又符合散式流化床规律。 床层受力平衡，即gLPgALFgALFAPFFgpmfgmfpmf)()1 ()1 ()1 (mfTmffTmfpTfpeeeDD压降对床层组用力浮力重力Lmf起始流化床层高度AT床层截面积emf起始流化空隙率 固定床内流动压降满足Darcy-Fanning方程，即式中d采用空隙当量直径de，L为流体流经的平均高度，ufbg采用实际空隙平均速度ue。在起始流化状态，L=Lmf，ufbg=umf，上式

13、为(Re)22fgudLPgfbgD2022112eeDmfmfgmfpmfpgudLP颗粒形状因数0由于DP为一定值，与假定中的压降表达式相关联，得当Re10时，p=400/Rep,根据实验，有 。对dp在51970m，流化介质为空气、CO2和He，有gfbgppReudmf202mfp1eedC203mf2mfg2mfpmfpmfgpmf1121eeegudLL06. 0g88. 094. 0gp82. 1pmf0093. 0duDavies关联式：Baeyens关联式：上述关联式均适用于FCC催化剂。通常，Leva关联式偏差较小。gdugp2pmf00078. 0066. 0g87. 0

14、934. 0934. 0gp8 . 1p4mf109gdu准数关联式具有代表性的是Wen-Yu关联式。固定床内流体压降关联式为Ergun方程。当01时，根据实验数据，Ergun方程变为准数关联式75. 1Re11501(Re)1p32fbggp32fbggpDDeeeeeudLPudLP当01时，即在起始流化状态下，与式 相结合，得p30g2fbg2p320fbg2p0032fbggp)1 (75. 1)1 (15075. 1Re11501duduLPudggLPeeeeeeeDDgLPgpmf)()1 (mfeDp03mfg2mf2p203mfmfmfgp75. 1)1 (150)(dudu

15、geeemf2mf203mfmf03mfgmfpmf23pgpgRe150Re75. 1111141Re)(BAArBAudgdAreee令于是，有7 .33)0408. 07 .1135(3/1pgmfArduWen-Yu关联式表观起始气泡速度表观起始气泡速度umbumb的定义：Simone定义：床层膨胀曲线中床层最高时的ufbg。王樟茂定义：塌落曲线脱气泡与颗粒沉积的临界点的ufbg。赵君等研究证实床层膨胀达到最大前就已经出现气泡。王樟茂的起始气泡速度表达式为：其中，细粒作用因子为ipipamfa2 . 0p2 . 2pa11mb)289. 01 (/1074. 11823. 0 xddF

16、uFddFu量分率小于平均直径的粒子质径小于平均直径的粒子直粒子平均直径ipipxddAbrahamsen等给出的包含细粉影响的umb表达式：估算umb可以采用Steenge给出的关联式（适合于FCC催化剂）：45716. 0347. 006. 0gpmb07. 2Fedumfmfmb32uuu鼓泡床向湍动床转变速度鼓泡床向湍动床转变速度uc密度小的颗粒，压力波动随ufbg的增大先增大，到一定值时突然平稳，此气速为uc。密度大的颗粒，压力波动不会突然平稳，而是经历波动逐渐减小直至平稳的过程。波动达到最大时的气速称为uk。超过该气速即为湍流床。uk与uc之间为腾涌现象破坏阶段。俞芷清实验得到：2

17、7. 0ggppT27. 1T327. 0T5 . 0pk)(1042. 2211. 0()(ddddgdu卢天雄提出用无因次数群M来判别：M0.2则为湍动床。李静海等提出的EMMS模型中，以作为鼓泡床转变为湍动床的判据。p2pfbggduM 0,sstmbfbgGWuu最小循环流化条件最小循环流化条件Gstr和和utr实验结果吻合较好的有李佑楚提出的和金涌提出的328. 0)(10. 1)(164. 03/1g22gpptr627. 0gpp25. 2g25. 2trstrgdugduG0.415tttrRe98. 8uugtptReud向快速床转变速度向快速床转变速度uTFuTF与气、固相

18、物性，颗粒输送强度Gs以及床层直径等有关。金涌等给出的计算公式为0.2t69. 0pT288. 0ggpTs2/1TTFRe463. 1)(gdddGdu快速床向密相输送床转变速度快速床向密相输送床转变速度uFD金涌等给出的计算公式为0.344t96. 0pT442. 0ggpTs2/1TFDRe684. 0)(gdddGdu密相气力输送向稀相气力输送速度密相气力输送向稀相气力输送速度uDT白丁荣给出的计算公式为Knowlton给出的公式为272. 0Tp147. 0ps273. 0gp2/1pDT471. 0pT138. 0ggpTs2/1pDT)(g7 .69)(g508. 0dddGdu

19、dddGdu轴向空隙率分布轴向空隙率分布不同流态化域床层高度和轴向空隙率分布有显著区别。鼓泡床：esd=0.550.40湍动床：esd=0.400.22快速床：esd=0.220.05esd密相固体分率不同流态化域固体分率轴向分布径向空隙率分布径向空隙率分布 鼓泡床空隙率分布由气泡向中心汇聚造成的。 湍动床中心向上，近壁处向下，中心空隙率高。 快速床中心稀相向外扩展，近壁处向下流动剧烈。 稀相气力输送径向分布趋于平坦。不同流态化域空隙率径向分布气固滑移速度气固滑移速度气固相速度之差，为滑移速度：)1 ()1 (1pfbgslslbgpBssbgfbgsfsleeeeeesssGuuuGGuuu

20、uuu在FCC催化剂空气系统中，滑移速度不仅随e变化，而且还受uf的影响。不过，湍动床与鼓泡床，usl主要与e有关。FCC催化剂滑移速度曲线 虚线下鞍形区域中的状态不可能出现。 湍动床、快速床的滑移速度为连续变化，没有突变。 输送床空隙率和滑移速度同时发生突变。 空隙率继续增大，滑移速度减小直到接近带出速度。FCC催化剂滑移速度曲线0,0,ssfmfmfslfmfmfslmfmfslmfmfsluuuuuuuuuuuueeeeee流化流动区域填充流动区域密相流动区域稀相流动区域2gpg3p3gp3g3fbg044. 0Ts304. 0tsl)(Re)g(9145. 0gdArAruLydGAr

21、Lyuu李森科数阿基米德数对于快速床，白丁荣等给出了滑移速度关联式：slsbgfbg293. 0tsl)1 (8 .10Kuuuue对于密相气力输送，则常用滑落系数Ksl来描述。Matsen给出了稀相气力输送滑移速度关联式：气体与颗粒轴、径向返混气体与颗粒轴、径向返混 快速床气体返混明显低于湍动床。 快速床气体返混程度随着固体循环量增大而增大。 快速床气体返混程度沿径向逐渐增大。 输送床固体返混程度减小，空隙率增大，气体返混程度也减小。在高气速下床层中的返混可以用轴向扩散模型来描述：)(22xCxCuxCECfbgEx轴向有效扩散系数(C)其它传质速率 湍动床气速增大，Ex减小，但一般在0.4

22、 m2/s以上。Van Deemter估计工业装置径向扩散Er为轴向扩散Ex的10。 快速床气体增大， Ex减小；固体循环量增大， Ex增大。 快速床Ex在0.30.5 m2/s 之间， Er在310-4710-3 m2/s之间。 输送床Ex在0.3 m2/s 以下。鼓泡床气体轴向扩散系xsexEmEem乳化相吸附平衡常数ee乳化相分率鼓泡床颗粒轴向扩散系，Miyauchi给出的模型为：对于大型床，Kunii给出的模型为Kunii还给出了颗粒径向扩散系数模型，为/sm,7 .7520.9T0.5fbgxsduE0.65Txs30. 0dEbemfmfbbrs1163duEeeedbe当量气泡直

23、径eb气泡相分率湍动床、快速床和输送床气体轴向扩散系关联式：对于快速床的气体径向扩散系数，可以用下式进行计算：usbg不容易得到，可用下面根据工业装置数据得到的模型计算：1197. 4x1953. 0eE7 . 014 .43sbgfbgfbgreeeuuuE03. 068. 0fbgsbguu 温度和压力对流化的影响主要体现在对气体密度和粘度的影响上。 温度升高，气体密度减小，粘度增大。 压力升高，气体密度升高，但对粘度的影响很小。从Davies关联式看，压力升高，起始流化速度减小，但温度的影响不能直接作出简单的判断。gdugp2pmf00078. 0 A类颗粒存在散式流化，B类颗粒达到初始

24、流化速度即出现气泡。 鼓泡床、湍动床密相区乳化相颗粒也处于散式流化状态，因而颗粒间气体的运动可视为与散式流化相同。 鼓泡床、湍动床稀相区与快速床的规律有相似之处，甚至部分规律可用于快速床。 脱离接触，悬浮状态，颗粒间充满流化介质。 流化介质在颗粒间隙中流动，且无聚集状态。 有平稳的床层界面。 床层有流体特征，易流动，充满容器。 床层压降DP恒定，e随ufbg增大。gLgLP)(1 ()(1 (gpfgpmfmfeeD散式流化压降、空隙率与表观速度关系 均一颗粒带出速度ut相同，滑移速度usl与ut相同时，颗粒开始悬浮，此时表观气速为umf。 散式流化床层高度达到最高点时，床层开始不稳定，出现气

25、泡。 均一颗粒气速在umf与umb之间时，为散式流化床。 非均一颗粒因粒径不同，umf不同，计算时采用调和平均粒径。对于散式流化，可以用RichardsonZaki方程来描述表观气速与沉降速度之间的关系：其中对于FCC装置，King给出了如下空隙率计算模型：nuuetfbg0.1tTpRe)1845. 4(ddn21fbgfbguueKai等针对A类颗粒，给出随着床层空隙率的增大，床层高度也增大，定义床层膨胀率为2/13pgp)(9065. 4gdNNnBmfmffLLRKai等针对A类颗粒，给出随着床层空隙率的增大，床层高度也增大，定义床层膨胀率为2/13pgp)(9065. 4gdNNnB

26、mfmffLLR床层空隙率为：pmbmbpmfmfpB111eeeGeldart根据实验得到eBT充气密度时的空隙率BTmf22. 0mfmbmbmfmfmbmb005. 1)(11eeeeuuLLR单一FCC催化剂颗粒，Rep1，带出速度按Stokes定律计算：对于床层中的颗粒群，颗粒之间存在相互作用，使垂直运动的带出速度utt发生改变，一般在ut的基础上进行修正。b为颗粒形状函数，取值在4.24.67之间。182pptdgu betttuu也可以用下面的公式直接计算：0.313tt7 . 42/1ggppttRe6 . 3Re24)34(DDDttDttCCCCgdue 气泡相与乳化相共存

27、。 稀相区与密相区共存。 分布器口喷射出的气流的形式与床层气流的形式差异较大，形成分布器作用区。因而，密相床层可分为分布器作用区与气泡相、乳化相两相区。 湍动床气泡直径小，气泡边界模糊或不规则。 湍动床气泡大小不随气速改变，增大气速气泡数量增多。 湍动床气泡直径与床层高度几乎无关，鼓泡床的则随床高增大。 湍动床密相区不均匀，具有“粒子束”结构，“粒子束”具有大颗粒的某些性质，湍动床颗粒夹带量远低于预计值。 反应物大部分在气泡内。 气泡直接影响反应。 气泡影响催化剂在床层内的循环。气泡为球帽形，底部微向上凸起，凸起部分夹带呈乳化相的颗粒束，称尾迹，随气泡边运动边脱落。尾迹相当于小流化床，气泡内含

28、0.21 vol的细粉颗粒。尾迹与气泡（含尾迹）的体积比称为尾迹分率fw。Woolard等给出了fw与dp (m)的关联式为：3bw3bwbwbww6)1 (34)1 (dfrfVVVVfp310634. 6w476. 0def细颗粒，气泡上升速度大于乳相中气体，从气泡底部进入的气体从顶部流出在气泡周围构成环流，该环流有一定厚度，称气泡晕。粗颗粒，气泡上升速度小于乳相中气体（慢气泡），从气泡底部进入的气体从顶部流出，气泡只是空穴，使气体走短路，无气泡晕存在。气泡晕在乳化相内，气泡晕的厚度气泡晕厚度直接影响反应物与乳化相间的传质速度。becerr 气泡直径dbe与分布器孔口直径、孔口气速、分布器

29、的布置形式以及在床层中的行程有关。 气泡沿床层向上运动过程中出现合并与分裂。 气泡的dbe随行程的增长而增大。 在分布器孔口形成的初始气泡为原生气泡，其直径用dbeo表示。在气体线速低时，式中vor和Nor分别为过孔体积流速(m3/s)和单位面积孔数。当气体线速低到原生气泡间不相互接触，或dbeo小于分布器孔间距lor，则有与上式相结合，有orormffbgNvuucm,g30. 10.20.4orbeovdcm,g30. 14 . 0ormff0.2beoNuud在气体线速高时，对于多孔分布板，多采用该式进行计算。cm,)(78. 22mffbeouugd 气泡直径dbe随分布器单位面积开孔

30、数的增多而减少。 气泡直径dbe随气体流速的增大而增大。 气泡直径dbe随行程的增大而增大，但增大的幅度先快后慢。 气泡直径dbe随压力的增大而减小。 颗粒的吸附能力增强，气泡直径dbe减小。关于气泡直径，Roes等给出的对Darton关联式的修正式为8 . 00.50j4 . 0mff2 . 0be)37. 3()(ALuugdm0 . 1,m0 . 1m1 . 0,m1 . 0,37. 3/)/(537. 0T T0.4T T5 . 00j0T04 . 08 . 0ddddALNAA气泡寿命速度系数N0分布器孔口数Lj分布器作用区高度，mA类，1.0A类，2.5气泡直径大到一定程度后，就会

31、分裂成二个以上的小气泡。因此，有稳定的最大气泡直径dbe,max。dbe,max与气泡周围介质的粘度有关。介质动力粘度增大，气泡分裂加快。干扰可能导致气泡破裂。气泡内循环气流流速大于ut时，气泡消失；小于ut时，气泡稳定。温度升高，压力增大，都导致dbe,max减小。Geldart对A类颗粒给出时的带出速度ppt2tmaxbe,7 . 2/2dduguddbe,max为dp、p、g、等物性和T、P、uf等操作条件的函数。气泡上升速度也叫气泡相对上升速度，是在静止床层中单独气泡上升的速度。Davidson对A、B类颗粒给出了气泡上升速度关联式：气泡的绝对上升速度uB应该在ub的基础上加上气体向上

32、的平均速度ufbg-umb，即5 . 0be5 . 0beb)()(66. 050. 0(gdgdu)(mbfbgbBuuuu气泡的绝对上升速度uB与两相理论过剩气体量之比为对于A类颗粒，与L/dT的关系，在L/dT近似为1时， 0.8。对于循环流化床系统，固体颗粒的速度us也需要考虑，有式中“”为颗粒运动方向与气泡上升方向同向，“”与之相反。mffbgBT1uuuAsmbfbgbBTbpss)()1 (uuuuuAFue乳化相行为关系到流动模型、传质过程以及床层颗粒的返混。对于A类颗粒，乳化相气速多余的气体以气泡的形式通过床层。对于B类颗粒，乳化相气速mbmbembebgeuuuu或mfmf

33、emfebgeuuuu或在鼓泡床中，气泡尾迹的脱落与更新对固体颗粒的运动起很大的作用。尾迹带向上的颗粒的量应该等于向下运动的颗粒的量。Kunii给出的乳化相气速表达式为：式中为尾迹体积Vw与气泡体积Vb之比。随着ufbg的增大，ue可能出现负值，出现气流循环，造成颗粒与气体返混。)-1(mbbbfbgmbmbeuuuueee颗粒循环速率为：bddbwVVVVb气泡曳带分率s)kg/(m,)38. 0)(1 (2bBdmbpsebeuJ其中Y为颗粒径修正系数，对A类颗粒取1。BmbfbgbuuuYe根据截面颗粒质量衡算，可计算颗粒向下平均速度：)()(138. 0mbfbgdbbdseRuuYu

34、beeb2 . 44ttt2/13pgp100 . 7)(9065. 4nuugdNNn乳化相空隙率ee关联式：5 . 02-2neeepgp)42. 0)(1 ()(343. 0eeenN经尾迹与气泡曳力携带，造成乳化相内颗粒形成上流相和回流相，使床层内颗粒形成混合。颗粒的流动与混合，对气固接触、相间传质与传热以及消除死区都有一定的作用。流化床固体颗粒大小不一，常出现分层分层、死区死区和均匀混合均匀混合现象。均匀混合均匀混合：非均一颗粒在床层中各处分布相同。分层分层：密度、粒径小的颗粒在床层上部多，密度大、粒径大的在床层下部多。死区死区：局部没有流化，属分层的一种特殊形式。定量确定分层现象，

35、常用分层系数分层系数和混合指数混合指数两个参数。分层系数Cs：混合指数MI顶部有关物质的浓度底部有关物质的浓度TBTBTBs)(100 xxxxxxC有关物质的平均浓度度任一截面有关物质的浓xxxxMICs取 值 在 100100之间，为零时意味着完全混合。MI取值为零时意味着完全分层，取值为1时意味完全混合。宽颗粒分布DPufbg曲线完全混合、分层与死床可用床层压降与表观气速曲线说明。压降随表观气速波动曲线AB，是流化、分层和局部死区综合形成的。当ufbg=uc，分布器处无死区，气泡穿过床层，床层完全混合。 床层的沟流或气泡，使气速超过细粉或小密度颗粒的沉降速度，形成向上夹带。 气泡尾迹与曳

36、力携带使细粉或小密度的颗粒更易于向上运动。 乳化相中的细粉穿过颗粒间空隙向上运动。 乳化相中的回流作用，使细粉颗粒向下运动。关于分层的四方面机理性解释：气泡直径小分布密气泡尺寸几乎与高度无关气速增大气泡数量增多湍动床的气泡行为、乳化相行为与鼓泡床近似，但仍有区别：除乳化相气速umb外，其余气体全部以气泡形式通过床层。床层内气泡以平均球形直径为气泡当量直径 。假定：bed有3bebfmbfbb6dVLLLVNNb为单位体积床层气泡数，每个气泡的平均体积为超过umb的气体均以气泡的形式运动，有于是，BmbfbgbbuuuVN“”表示颗粒与气泡上升方向相同，“”则表示相反。2sBmbmbfbg22s

37、mbfmbfbgmb2bes5 . 00.5bembfbgsbmbfbgbbmbfbgB11)(1uuuguLLuuLgdugduuuuuuVNuuu在颗粒循环量影响可以忽略时，可简化为通常us是不可忽略的。dbe也可用床层空隙率来计算，2Bmbmbfbg2be11uugd2Bmffbg22bbe1111)(1eeugugd在颗粒循环量影响可以忽略时，可简化为2Bmbmbfbg2be11uugd在鼓泡床中，气泡的聚并占主导地位，因而，随气速增加气泡数目减少，气泡直径随高度增大。在湍动床中，气泡的破碎占主导地位，气速增大，气泡数量增加。在湍动床中，分布板附近存在射流区，床层床面附近乳化相中存在颗

38、粒的回流，这都导致气固滑移速度较大，而在分布板与床面之间气固滑移速度较小，称之为“松弛”区。床层中松弛区的存在意味着气泡分率b沿轴向为非均匀分布。气泡分率b沿径向同样为非均匀分布。在湍流床的床层中心区同样存在少量的颗粒密集聚集体，沿中心区向下流动，夹带气体造成中心区域的气体返混现象。表观扩散系数和有效扩散系数关系：在湍动床中，固体颗粒的轴向扩散系数与表观气速和床层直径都有关。与表观气速之间的关系可表示为：与床层直径之间的关系可表示为：显然，固体颗粒的返混随气速增大而增大，不过，气体的返混则随气速的增大出现最大值。iei)1 (EEefbgxs1 . 006. 0uE0.65Txs30. 0dE

39、湍动床内流体的流动表现为多区多相：分布板区、松弛区、床面区、气泡相、上流乳化相和回流乳化相。分布器是保证流化床具有良好的流化状态和气固接触效率的重要构件，有以下要求：在压降最小的前提下均匀分布气体；保证床层处于良好的流化状态，在分布器附近创造良好的气固接触条件，防止分布器筛出大颗粒；必须有足够的强度承载静床负荷，能经受热胀冷缩的作用，保证不堵塞、不腐蚀和不漏料；尽可能减少颗粒的粉碎。分布器通常不能全部满足这些要求。工况和催化剂性能不同，对分布器要求也会有差异。分布器类型：多孔板式喷嘴式泡罩式风冒式管栅式射流穿透床层深度称为喷射长度Lj。喷射长度的作用区域称为分布器作用区。分布器作用区反应物浓度

40、高，气体与颗粒混合激烈，对反应影响大。喷射长度有三种：Lj,max，Lj,min和Lj,B。通常的Lj指Lj,max。Merry关联式： 1)(3 . 1 )(2 . 52 . 00203 . 0pp0g0jgdudddL喷射最大直径dj，对于多孔板分布器，关联式为：安息角三角形排列为，为排列参数，正方形排列rmffbg3/1r3/12pjmffbg5/3mffbg3/1r3/12pj2315,)(tan)(50. 25,)()(tan)(88. 0uuSdduuuuSdd喷射长度Lj和喷射最大直径dj，与孔间距S有关，S与死区有关，为了消除分布板上的死区，可根据经验公式算出S的值。Gelda

41、rt给出：。类为、对，类颗粒为对1DB1.5A45. 2)(5 . 0mffbggSuu分布板的压力降可按下式计算：。取分布板的阻力系数1 . 2,MPa,2105g206DugP分布板之所以能够均匀分布气体，关键在于它对通过的流体具有一定的阻力。只有当此阻力大于气体流股沿整个床界面重排的阻力时，分布板才能够起到破坏流股使之均匀分布的作用。增大分布板压降可改善气体分布和流化稳定性的作用；但压降过大，将增加动力的消耗。临界压降：分布板均匀分布气体且流化状态稳定的最小压降。与分布板下面气体的引入和分布板上床层的状况有关。分布板均匀分布气体和具有良好的流化稳定性对临界压降的要求是不一样的。前者由分布

42、板下面气体的引入所决定，后者由分布板上面的流化床层所决定。分布板均匀分布气体是流化床稳定流化的前提。分布板能均匀分布气体并不能保证床层能够稳定流化。分布板临界压降分为分布气体临界压降和稳定性临界压降。实际分布板的压降应该大于或等于这两个压降。分布气体临界压降多孔分布板径向速度分布与分布板开孔率有关，与气流速度无关。分布气体临界压降：气速超过临界流化速度，有部分孔开始工作；增加气速，最终导致所有的孔都以u0气速运转。降低气速至um，部分孔由工作状态转变为非工作状态；进一步降低气速，非工作状态孔的数目增加。MPa,109)(g205DguPdcD临界速度um：um保证分布板小孔全部工作的最小流化表

43、观速度，其经验关联式为：分布板喷嘴总数阻力系数开孔率0005 . 0g2mffp22. 002mfm,)00605. 049. 0(7 . 0NddNuLNguuT稳定性临界压降：稳定性临界压降由床层的流化状态决定，随床层的变化而变化。通常用床层压降的分率来表示。气体通过分布板和床层的压降分别为DPD和DPB，系统总压降：)1 (2fB2g2fbgDeDDDLPguP)1 (2f2g2fbgeDDLguP随ufbg的增大而增大。随ufbg的增大而减小。高压降分布板开孔率很小，压降很大；低压降分布板开孔率高，压降小，但流化不稳定。郭慕孙等提出了分布板稳定性判据归原准数R：R1，理想分布器；R越大

44、，稳定性越差；R越小，稳定性越小。479. 0ggp662. 0mfm0527. 02mfgD149. 0gpmfp)()()()(255. 0RDuuuPuddc分布器对气体的均匀分布作用，与床层压降密切相关。向上及水平喷射压降，向下喷射压降，在工业装置上，分布器喷射压降必须满足分布器压降bedgrid3 . 0PPDDbedgrid1 . 0PPDDOHcm252gridDP分布器压降关联式：)( 1 . 0)(3 . 0mkg/mB3BBBgrid向下，向上和水平喷射压降系数，操作中床层高度，操作中床层密度，DKLLKgP过孔气速u0（孔口方程）孔口流量系数气体过孔密度，Dd3g,05

45、. 0g,0gridd0kg/m)2(CPCu孔口流量系数，对于锐边孔口，一般为0.6，而分布器为非锐边孔口，一般在0.8左右。实际上，孔口流量系数与孔口厚度/孔口直径比有关。孔径d00204udNQ分布器过孔体积流率为：为促进气固相的接触，希望床层中存在尽量多的小气泡。根据上式关系，应尽量增加分布器孔口数N。实践中一般分布器孔口数为每平米23个，在少数滞流区可超过10。孔间距L0为保证流化的均匀性，工业上常采用三角形或正方形孔分布。d0od0160sin1NLNL三角形排列孔间距与孔密度间的关系。正方形排列孔间距与孔密度间的关系。0L0do60分布管附加标准 分枝分布管和主气管的尺寸要满足以

46、下方程：5 ; 5 22mm2head220h2mdNddNd主气管：分枝分布管： 为更好地分布气体，分枝分布管可采用两、三种不同的口径。 主气管和分枝分布管内的气速必须小于25m/s。 为避免颗粒因最小截面效应吸入枝管内，接头处无孔区不能小于一个dm。 喷射套管高度的计算：喷射孔套管与喷射孔尺寸o0smin5 . 5tan2ddL 喷射孔周围设置喷射孔套管可减少气固接触面的速度，从而减少固体颗粒的磨损。 喷射管套管高度要比Lmin增加50100；若小于Lmin，磨损会更严重。 Karri颗粒磨损计算系数：6 . 10s)(dd有套管颗粒磨损无套管颗粒磨损再生器颗粒流动模型与分布板布孔再生器内

47、分布器的分布效果直接影响床层的稳定性。分布效果与分布器压降有关，床层的稳定性与分布器压降、床层藏量和床层直径等参数有关。床层稳定性指数为：kPatsst分布器压降，床层藏量，DDddPWWPdFF值应在0.75以上为宜。分布器压降至少为床层压降的40，若床层在810m，则应为床层压降的5060。密相床层密度分布或空隙率e分布气泡运动和乳化相气体的返混，使床层密度不可能均匀，存在一定的分布。床层空隙率与床层密度、颗粒密度之间的关系为：pBB1e密相平均密度对任意床高，有再生器反应器FCC,15. 025. 01FCC,08. 005. 0105. 9)101 (0.33fbg0.25fbg0.8

48、5fbg0.5fbgmfTsmfmf1.1p0.54p6326. 030.5f0.315mf0.685fbgfuuuuAWLLdLuuL密相平均密度当床层藏量为Ws、床层体积为VB、气泡体积为Vb和乳化相体积为Ve时，ebesbesBsB1VVVWVVWVW假定气泡中不含固体颗粒，则有mfmeesVW密相平均密度ebmfB1VV由此可得，)1 (bBebBbeeVVVV由于于是，有bbmfB11ee根据物料衡算，对于气体)1 (beTbBTfbgTeeuAuAuA忽略乳化相气体的量，有bBTfbgTeuAuA即Bfbgbuue所以，bfbgmffbgBfbgmfB11uuuuu密相平均密度曹汉

49、昌给出的FCC再生器密度计算关联式：16mffbgmfmfppBLuFCC再生器床层密度床层空隙率密相平均密度阿基米德数李森科数,)(Ar,ArRe)(Ly1094. 8796. 00653. 0)ArLy(2gpg3p3gp2g3fbgT3BegdgudGnGnBfbgfbgfbgB3)ArLy(3eeunGunun空隙率随表观气速的变化，可用下式来描述：反应器模型反应动力学模型反应器流动模型热力学模型均相反应非均相反应理想流动非理想流动平推流全混流轴向扩散径向扩散多级串联循环死区短路物料衡算动量衡算热量衡算流入流出反应累积流入流出反应累积流体流动方程颗粒运动方程速度分布浓度分布温度分布传递带出传递带出