第八章流化床反应工程课件.ppt

1、2023-5-22第八章第八章 流化床反应工程流化床反应工程 F 固体流态化的基本特征固体流态化的基本特征F 流化床的特征速度流化床的特征速度F 气气-固密相流化床固密相流化床F 循环流化床循环流化床化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 固体散料悬浮于运动的流体，颗粒之间脱离固体散料悬浮于运动的流体，颗粒之间脱离接触而具有类似于流体性能的过程，接触而具有类似于流体性能的过程，称为称为“固体固体流态化流态化”。我国于我国于1956年开始将流态化技术应用于工业年开始将流态化技术应用于工业装置，南京化学工业公司自立更生建立了硫铁矿装置，南京化学工业公司自立更生建立了硫铁矿流化床焙烧装

2、置，取代了生产能力低、矿渣残硫流化床焙烧装置，取代了生产能力低、矿渣残硫高、劳动强度大及环境污染严重的多层硫铁矿机高、劳动强度大及环境污染严重的多层硫铁矿机械焙烧炉，并迅速广泛推广，促进了硫酸工业发械焙烧炉，并迅速广泛推广，促进了硫酸工业发展。展。1957年葫芦岛又开发了流化焙烧锌精矿。年葫芦岛又开发了流化焙烧锌精矿。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 国际上重质油催化裂化使用流态化技术的工国际上重质油催化裂化使用流态化技术的工业装置投产于业装置投产于1942年，我国自主开发的第一套流年，我国自主开发的第一套流化床催化裂化工业装置于化床催化裂化工业装置于1965年建成投产，缩

3、短年建成投产，缩短了我国与发达国家在炼油领域内的差距，并对裂了我国与发达国家在炼油领域内的差距，并对裂化催化剂及流化床装置系统进行了多次重大改进，化催化剂及流化床装置系统进行了多次重大改进，发表了多部有关的专著，我国流化床催化工业反发表了多部有关的专著，我国流化床催化工业反应器已广泛应用于丙烯腈等有机合成中强放热反应器已广泛应用于丙烯腈等有机合成中强放热反应而要求温度范围较窄的过程。在能源工业方面，应而要求温度范围较窄的过程。在能源工业方面，我国正在发展超高压循环流化床电站锅炉。我国正在发展超高压循环流化床电站锅炉。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22第一节第一节 固体流态化的

4、基本特征及工业应用固体流态化的基本特征及工业应用 一、聚式流态化与散式流态化一、聚式流态化与散式流态化 使用不同的流体介质，固体流态化可分为散使用不同的流体介质，固体流态化可分为散式流态化（式流态化（particulate fluidization），聚式流态），聚式流态化（化（aggregative fluidization）和气）和气-液液-固三相流固三相流态化（态化（three-phase fluidization）。）。8-1 8-1 流态化现象流态化现象化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 理想流态化是固体颗粒之间的距离随着流体理想流态化是固体颗粒之间的距离随着流体流

5、速增加而均匀地增加，颗粒均匀地悬浮在流体流速增加而均匀地增加，颗粒均匀地悬浮在流体中，所有的流体都流经同样厚度的颗粒床层，保中，所有的流体都流经同样厚度的颗粒床层，保证了全床中的传质、传热和固体的停留时间都均证了全床中的传质、传热和固体的停留时间都均匀，对化学反应和物理操作都十分有利。理想流匀，对化学反应和物理操作都十分有利。理想流态化的流化质量（态化的流化质量（fluidization quality）是最高的。）是最高的。在实际的流化床中，会出现颗粒及流体在床层中在实际的流化床中，会出现颗粒及流体在床层中的非均匀分布，越不均匀，流化质量越差。的非均匀分布，越不均匀，流化质量越差。液体作流化

6、介质时，液体与颗粒间的密度差液体作流化介质时，液体与颗粒间的密度差较小，在很大的液速操作范围内，颗粒都会较均较小，在很大的液速操作范围内，颗粒都会较均匀地分布在床层中，比较接近理想流态化，称为匀地分布在床层中，比较接近理想流态化，称为散式流态化散式流态化。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22气体作流化介质时，会出现两种情况：气体作流化介质时，会出现两种情况：G对于较大和较重的颗粒如对于较大和较重的颗粒如B类和类和D类颗粒，当表类颗粒，当表观气速观气速ug超过临界流化或起始流化速度超过临界流化或起始流化速度umf，多，多余的气体并不进入颗粒群去增加颗粒间的距离，余的气体并不进入颗

7、粒群去增加颗粒间的距离，而形成气泡通过床层称为鼓泡流化床，此时为而形成气泡通过床层称为鼓泡流化床，此时为聚式流态化聚式流态化。A对于较小和较轻的对于较小和较轻的A A类颗粒，当表观气速类颗粒，当表观气速ug刚超刚超过临界流化速度的一段操作范围内，多余的气体过临界流化速度的一段操作范围内，多余的气体仍进入颗粒群使之均匀膨胀而形成散式流态化，仍进入颗粒群使之均匀膨胀而形成散式流态化，但进一步提高表观气速将生成气泡而形成聚式流但进一步提高表观气速将生成气泡而形成聚式流态化，这种情况下产生气泡的相应表观气速称为态化，这种情况下产生气泡的相应表观气速称为起始鼓泡速度或最小鼓泡速度起始鼓泡速度或最小鼓泡速

8、度umb。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 决定散式或聚式流态化的主要因素是决定散式或聚式流态化的主要因素是固体与固体与流体之间的密度差流体之间的密度差，其次是，其次是颗粒尺寸颗粒尺寸。当用水流。当用水流化密度很大的铅颗粒，液化密度很大的铅颗粒，液-固流化床中也有大液固流化床中也有大液泡形成聚式流化行为。当用泡形成聚式流化行为。当用1.52.0MPa压力下压力下密度增大的空气流化密度增大的空气流化260 的砂子，出现了散式的砂子，出现了散式流态化现象。流态化现象。处于散式流态化的液处于散式流态化的液-固流化床为均匀的理固流化床为均匀的理想流态化状态。想流态化状态。m化学工业

9、出版社化学工业出版社 n 2023-5-22聚式流化床中存在明显的聚式流化床中存在明显的两相两相：G 气体中夹带少量颗粒的气体中夹带少量颗粒的气泡相气泡相（bubble phase）或稀相（或稀相（lean phase）；）；A 颗粒与颗粒间气体所组成的颗粒相（颗粒与颗粒间气体所组成的颗粒相（particulate phase）或密相（）或密相（dense phase），又称），又称乳相乳相（emulsion phase）。）。在在低气速流化床低气速流化床中，乳相为中，乳相为连续相连续相而气泡相而气泡相为为非连续相非连续相。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22二、颗粒的分类二、

10、颗粒的分类 颗粒的密度及粒度对流化特性有显著影响。颗粒的密度及粒度对流化特性有显著影响。Geldart提出：对于气提出：对于气-固流态化，根据不同的颗固流态化，根据不同的颗粒密度和粒度，颗粒可以分为粒密度和粒度，颗粒可以分为A、B、C、D4类。类。JA类颗粒称为细颗粒类颗粒称为细颗粒，一般粒度较小（，一般粒度较小（30100 ）并且颗粒密度较小（并且颗粒密度较小（）。）。A类颗粒形成鼓类颗粒形成鼓泡床后，密相中空隙率明显大于临界流化空隙泡床后，密相中空隙率明显大于临界流化空隙率率 ，密相中气、固返混较严重，气泡相与密相，密相中气、固返混较严重，气泡相与密相之间气体交换速度较高。随着颗粒粒度分布

11、变宽之间气体交换速度较高。随着颗粒粒度分布变宽或平均粒度降低，气泡尺寸随之减小。催化裂化或平均粒度降低，气泡尺寸随之减小。催化裂化催化剂是典型的催化剂是典型的A类颗粒。类颗粒。31400/pkg mmmf化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 JB类颗粒称为粗颗粒类颗粒称为粗颗粒，一般粒度较大（，一般粒度较大（100600 ）并且颗粒密度较大（）并且颗粒密度较大（）。其起）。其起始鼓泡速度始鼓泡速度umb与与umf临界流化速度相等，临界流化速度相等，密相的密相的空隙率基本等于临界流化空隙率，且密相中气、空隙率基本等于临界流化空隙率，且密相中气、固返混较小，气泡相与密相之间气体交换

12、速度较固返混较小，气泡相与密相之间气体交换速度较低，气泡尺寸几乎与颗粒粒度分布宽窄和平均粒低，气泡尺寸几乎与颗粒粒度分布宽窄和平均粒度大小无关。砂粒是典型的度大小无关。砂粒是典型的B类颗粒。类颗粒。314004000/pkg mm化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 JC类颗粒属黏性颗粒或超细颗粒类颗粒属黏性颗粒或超细颗粒，一般平均粒度，一般平均粒度在在20 以下，由于颗粒小，颗粒间易团聚，极易以下，由于颗粒小，颗粒间易团聚，极易产生沟流。产生沟流。JD类颗粒属于过粗颗粒类颗粒属于过粗颗粒，流化时易产生大气泡和，流化时易产生大气泡和节涌，操作难以稳定，适用于喷动床操作，玉米、节

13、涌，操作难以稳定，适用于喷动床操作，玉米、小麦颗粒属这类颗粒。小麦颗粒属这类颗粒。m化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-228-2 8-2 流化床反应器的流型、流化床反应器的流型、流型转变及基本特征流型转变及基本特征 随着表观气速从零开始逐步提高，固体颗粒随着表观气速从零开始逐步提高，固体颗粒床层由固定床开始发生一系列的流型转变，如下床层由固定床开始发生一系列的流型转变，如下图所示。图所示。图图8-1 气气-固流态化中各种固流态化中各种流体力学流型的特征示意流体力学流型的特征示意化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22一、低气速气一、低气速气-固流态化中的流型固流态化中

14、的流型 当表观气速当表观气速ug低于临界流化速度低于临界流化速度umf，床层压，床层压降非常稳定，压降随降非常稳定，压降随ug的增加而增加。当的增加而增加。当ug提高提高至至umf时气体对颗粒的曳力刚好平衡床层颗粒的重时气体对颗粒的曳力刚好平衡床层颗粒的重力，床层开始流化；当力，床层开始流化；当ug高于高于umf时，床层压降不时，床层压降不再变化。前已述及，对于颗粒及密度均较小的再变化。前已述及，对于颗粒及密度均较小的A类颗粒，超过类颗粒，超过umf再提高再提高ug即导致床层发生均匀膨即导致床层发生均匀膨胀，气体通过比固定床空隙率增大的颗粒间隙，胀，气体通过比固定床空隙率增大的颗粒间隙，但并无

15、气泡产生，床层均匀膨胀，压降波动较小，但并无气泡产生，床层均匀膨胀，压降波动较小，即散式流态化。即散式流态化。1.散式流态化散式流态化化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-222.聚式流态化聚式流态化 当当ug进一步提高到起始鼓泡速度进一步提高到起始鼓泡速度umb时，床时，床层从底部出现鼓泡，压降波动明显增加。对于粒层从底部出现鼓泡，压降波动明显增加。对于粒径及密度均较大的径及密度均较大的B类颗粒，床层并不经历散式类颗粒，床层并不经历散式流态化阶段，流态化阶段，umf即即umb，产生的气泡数量不断增，产生的气泡数量不断增加，并且气泡在上升过程中相互聚并，尺寸不断加，并且气泡在上升过程

16、中相互聚并，尺寸不断长大，直至达到床层表面并开始破裂，颗粒的混长大，直至达到床层表面并开始破裂，颗粒的混合及床层压降波动非常剧烈。合及床层压降波动非常剧烈。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 气泡中所含颗粒约占颗粒总量的百分之二到气泡中所含颗粒约占颗粒总量的百分之二到百分之四，气泡周围的密相或乳相中颗粒浓度很百分之四，气泡周围的密相或乳相中颗粒浓度很高。气泡的运动速度随气泡的大小而变，在上升高。气泡的运动速度随气泡的大小而变，在上升途中，小气泡频繁地聚并而长大，过大而失稳时途中，小气泡频繁地聚并而长大，过大而失稳时气泡则破裂。气泡则破裂。化学工业出版社化学工业出版社 n 20

17、23-5-22 气泡上升的同时又有颗粒在密相中向下流动气泡上升的同时又有颗粒在密相中向下流动以补充向上流动的气泡中带走颗粒所造成的空缺。以补充向上流动的气泡中带走颗粒所造成的空缺。另一方面，由于气泡在床层径向截面上不均匀分另一方面，由于气泡在床层径向截面上不均匀分布，诱发了床内密相的局部以致整体的循环流动，布，诱发了床内密相的局部以致整体的循环流动，气体的返混加剧。这种流型称为气体的返混加剧。这种流型称为鼓泡流态化鼓泡流态化（bubbling fluidization），气），气-固接触效率和流化固接触效率和流化质量比散式流态化低得多。质量比散式流态化低得多。化学工业出版社化学工业出版社 n

18、2023-5-22 气泡上升到床层表面时的破裂将部分颗粒弹气泡上升到床层表面时的破裂将部分颗粒弹出床面。在密相床上面形成一个含有少量颗粒的出床面。在密相床上面形成一个含有少量颗粒的自由空域（自由空域（freeboard）。一部分在自由空域内的）。一部分在自由空域内的颗粒在重力作用下返回密相床，而另一部分较细颗粒在重力作用下返回密相床，而另一部分较细小的颗粒就被气流带走，只有通过旋风分离器的小的颗粒就被气流带走，只有通过旋风分离器的作用才能被捕集下来，经过料腿而返回密相床内。作用才能被捕集下来，经过料腿而返回密相床内。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-223.节涌流化床节涌流化床

19、对于高径比较大的实验室及中间试验的流化对于高径比较大的实验室及中间试验的流化床，由于床层直径较小，当表观气速大到一定程床，由于床层直径较小，当表观气速大到一定程度时，会由于气泡直径长大到接近床层直径而产度时，会由于气泡直径长大到接近床层直径而产生气栓（生气栓（slug）。气栓像活塞一样向上升，而气）。气栓像活塞一样向上升，而气栓上面颗粒层中的颗粒纷纷下落，气栓达到床层栓上面颗粒层中的颗粒纷纷下落，气栓达到床层表面时即破裂。后续的气栓又不断地形成、上升表面时即破裂。后续的气栓又不断地形成、上升直至破裂。床层压降出现剧烈但有规则的脉动。直至破裂。床层压降出现剧烈但有规则的脉动。这 种 现 象 称

20、为这 种 现 象 称 为节 涌 流 态 化节 涌 流 态 化（s l u g g i n g fluidization）。节涌使颗粒夹带加剧，气、固接）。节涌使颗粒夹带加剧，气、固接触效率和操作稳定性降低。在工业规模的大床中，触效率和操作稳定性降低。在工业规模的大床中，节涌现象一般不致于产生。节涌现象一般不致于产生。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-224.湍动流态化湍动流态化 随着表观气速进一步提高，鼓泡床中气泡的随着表观气速进一步提高，鼓泡床中气泡的破裂逐渐超过起泡的聚并，导致床内的气泡尺寸破裂逐渐超过起泡的聚并，导致床内的气泡尺寸变小，进入湍动流态化。这种小气泡通常称为气变

21、小，进入湍动流态化。这种小气泡通常称为气穴穴(void)，气穴与密相或乳相间的边界变得较为，气穴与密相或乳相间的边界变得较为模 糊，此 时 称 为模 糊，此 时 称 为湍 动 流 态 化湍 动 流 态 化（t u r b u l e n t fluidization）。在鼓泡流化床中，增加表观气速，）。在鼓泡流化床中，增加表观气速，床层压力波动幅度增大，到某一表观气速时，压床层压力波动幅度增大，到某一表观气速时，压力波动的幅度达极大值，此时的表观气速称为起力波动的幅度达极大值，此时的表观气速称为起始湍动流化速度始湍动流化速度Uc。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22湍动流态化湍

22、动流态化与与鼓泡流态化鼓泡流态化有许多显著的有许多显著的不同不同：气穴不像鼓泡床中的气泡有明显的上升轨迹可循，在不气穴不像鼓泡床中的气泡有明显的上升轨迹可循，在不断的破裂和聚并过程中以无规律的形式上升，气穴的尺断的破裂和聚并过程中以无规律的形式上升，气穴的尺寸小使其上升速度减慢，增加了床层的膨胀。寸小使其上升速度减慢，增加了床层的膨胀。气穴的运动膨胀，使湍动流化床中气、固接触加强，气气穴的运动膨胀，使湍动流化床中气、固接触加强，气体短路减少。因此湍动床（简称体短路减少。因此湍动床（简称TFB）内，气、固相间）内，气、固相间交换系数和传热、传质效率比鼓泡床高。交换系数和传热、传质效率比鼓泡床高。

23、总体来讲，压力波动幅度小于鼓泡流化床，操作较平稳。总体来讲，压力波动幅度小于鼓泡流化床，操作较平稳。气速的提高导致床层上部的稀相自由空域中有大量颗粒气速的提高导致床层上部的稀相自由空域中有大量颗粒存在，其中的反应不可忽视，并使床界面比鼓泡床模糊存在，其中的反应不可忽视，并使床界面比鼓泡床模糊得多。得多。湍动流化床内固体返混程度大于鼓泡流化床，而气体返湍动流化床内固体返混程度大于鼓泡流化床，而气体返混则小于鼓泡流化床。混则小于鼓泡流化床。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 工业流化催化反应器已从二十世纪五、六十工业流化催化反应器已从二十世纪五、六十年代的鼓泡床为主过渡到以湍动流

24、化床为主，利年代的鼓泡床为主过渡到以湍动流化床为主，利用湍流流化床气、固接触良好，传热、传质效率用湍流流化床气、固接触良好，传热、传质效率高和气体短路极少的优点。高和气体短路极少的优点。鼓泡床和湍动床都属于鼓泡床和湍动床都属于低气速的密相流化床低气速的密相流化床，压力升高会使鼓泡床和湍动床中气泡尺寸变小。压力升高会使鼓泡床和湍动床中气泡尺寸变小。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22二、高气速气二、高气速气-固流态化中的流型固流态化中的流型 在湍动流态化下继续提高气速，床层表面变在湍动流态化下继续提高气速，床层表面变得更加模糊，颗粒夹带速率随之增加，颗粒不断得更加模糊，颗粒夹带速

25、率随之增加，颗粒不断地被气流夹带离开密相床层。当气速增大到向快地被气流夹带离开密相床层。当气速增大到向快速流态化转变的速度时，颗粒夹带明显提高，在速流态化转变的速度时，颗粒夹带明显提高，在没有颗粒补充的情况下，床层颗粒将很快被吹空。没有颗粒补充的情况下，床层颗粒将很快被吹空。如果有新的颗粒不断补充进入床层底部，或通过如果有新的颗粒不断补充进入床层底部，或通过气气-固分离设备及下行管回收带出的颗粒，操作可固分离设备及下行管回收带出的颗粒，操作可以不断维持下去，此时的流化状态称为以不断维持下去，此时的流化状态称为快速流态快速流态化化（fast fluidization），相应的流化床称为），相应的

26、流化床称为循环循环流化床流化床（circulating fluidization bed，简称，简称CFB），或称为），或称为快床快床。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 图图8-2 常见的几种气常见的几种气-固并流上行循环流化床系统固并流上行循环流化床系统化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 流化气体从提升管底部引入，携带由伴床流化气体从提升管底部引入，携带由伴床（慢床）来的颗粒向上流动。提升管顶部装有气（慢床）来的颗粒向上流动。提升管顶部装有气-固分离装置，如旋风分离器，颗粒分离后，返回固分离装置，如旋风分离器，颗粒分离后，返回伴床并向下流动，通过颗粒循环

27、控制装置后，再伴床并向下流动，通过颗粒循环控制装置后，再进入提升管。在气进入提升管。在气-固并流上行快速流化床中，提固并流上行快速流化床中，提升管主要用作反应器，而伴床可用作调节颗粒流升管主要用作反应器，而伴床可用作调节颗粒流率的贮存设备、热交换器或催化剂再生器，或单率的贮存设备、热交换器或催化剂再生器，或单纯作为颗粒循环系统的立管（纯作为颗粒循环系统的立管（standpipe）。还需）。还需从伴床底部充入少量气体，作为松动气，以保持从伴床底部充入少量气体，作为松动气，以保持颗粒在伴床中的流动性。颗粒在伴床中的流动性。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 目前工业用循环流化床主

28、要可分为气目前工业用循环流化床主要可分为气-固催化固催化反应器及气反应器及气-固反应器两类。典型例子有流化催化固反应器两类。典型例子有流化催化裂化（裂化（fluid catalytic cracking，简称，简称FCC）反应）反应器和循环流化床燃烧反应器（器和循环流化床燃烧反应器（circulating fluidized combustion，简称，简称CFBC），特征见下），特征见下表。表。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22典型的循环流化床特征典型的循环流化床特征操作条件操作条件FCCCFBC颗粒特征颗粒特征p=11001700kg/m3dp=4080mp=180026

29、00kg/m3dp=100300m提升管表观气速，提升管表观气速，m/s62859提升管颗粒循环速，提升管颗粒循环速，kg/(m2s)400120010100提升管表观颗粒浓度，提升管表观颗粒浓度，kg/m3501601040高径比高径比202umf，床层鼓泡剧烈的条件便可满足。气泡内，床层鼓泡剧烈的条件便可满足。气泡内基本上不含固体颗粒；基本上不含固体颗粒；化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 乳相中的气体可能向上流动，也可能向下流动。乳相中的气体可能向上流动，也可能向下流动。当当ug/umf611时，乳相中的气体从上流转为下流，时，乳相中的气体从上流转为下流，虽然流向有所不

30、同，但这部分的气量与气泡相相虽然流向有所不同，但这部分的气量与气泡相相比甚小，对转化率的影响可忽略；比甚小，对转化率的影响可忽略；气泡与乳相均不考虑返混。离开床层的气体组成气泡与乳相均不考虑返混。离开床层的气体组成等于床层顶部处气体的组成。等于床层顶部处气体的组成。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22三、湍动流化床三、湍动流化床 鼓泡流化床中的气速进一步提高时，床层压鼓泡流化床中的气速进一步提高时，床层压降的相对脉动，即床层压降的的脉动值与平均压降的相对脉动，即床层压降的的脉动值与平均压降之比，先随表观气速的增大而增大，这是由于降之比，先随表观气速的增大而增大，这是由于气泡发生

31、的频率增大和聚并增大的程度加剧所致。气泡发生的频率增大和聚并增大的程度加剧所致。当气速达到当气速达到uc时，相对脉动值曲线达到极大值时，相对脉动值曲线达到极大值uc，即起始湍动流化速度。再进一步提高表观气速即起始湍动流化速度。再进一步提高表观气速ug，压力相对脉动值开始减小，直至气速达到值压力相对脉动值开始减小，直至气速达到值uk后，后，压力脉动趋于平稳。压力脉动趋于平稳。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 当表观气速达当表观气速达uc时，促使气泡破碎变小的倾时，促使气泡破碎变小的倾向超过了聚并增大的倾向，故压力脉动开始降低。向超过了聚并增大的倾向，故压力脉动开始降低。当表观

32、气速达当表观气速达uk时，床内所含气泡已基本上是比时，床内所含气泡已基本上是比较均匀的小气泡，原来不均匀性很强的鼓泡床已较均匀的小气泡，原来不均匀性很强的鼓泡床已转变或近似于均相特性的湍流床，转变或近似于均相特性的湍流床，uk称为全湍动称为全湍动流化速度。流化速度。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 据实验研究，湍动流化床中存在着中心区及据实验研究，湍动流化床中存在着中心区及壁面区。湍流床中气速相当高，但仍存在径向不壁面区。湍流床中气速相当高，但仍存在径向不均匀分布，在床中心处气体流量大，且多为上流。均匀分布，在床中心处气体流量大，且多为上流。在近壁处，大量颗粒循环下流，带动

33、气体也一起在近壁处，大量颗粒循环下流，带动气体也一起下流。壁面处的厚度及带下的气量均随表观气速下流。壁面处的厚度及带下的气量均随表观气速的增加而增加。在全床层内，气的增加而增加。在全床层内，气-固两相间存在速固两相间存在速度差，即滑移速度。度差，即滑移速度。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 在中心区，当气体进入分布板时，气速甚大，在中心区，当气体进入分布板时，气速甚大，颗粒被带动起来，因此这一区间的滑移速度大，颗粒被带动起来，因此这一区间的滑移速度大，相应它的传质及传热系数大，总体反应速率大。相应它的传质及传热系数大，总体反应速率大。随着气体向上运动，颗粒被加速，滑移速度逐

34、渐随着气体向上运动，颗粒被加速，滑移速度逐渐减少；到达床面时，气泡爆破向上逸，气减少；到达床面时，气泡爆破向上逸，气-固相间固相间的相对速度又发生改变，颗粒大批沿壁面区回流的相对速度又发生改变，颗粒大批沿壁面区回流循环，当速度大致等于沉降速度，气体被颗粒夹循环，当速度大致等于沉降速度，气体被颗粒夹带而下，其速度低于颗粒的下降速度。带而下，其速度低于颗粒的下降速度。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 由于湍动流化床中气泡尺寸比较小而均匀，由于湍动流化床中气泡尺寸比较小而均匀，床层近于均匀化，可以借用鼓泡流化床的两相模床层近于均匀化，可以借用鼓泡流化床的两相模型或两区模型加以简化

35、处理，如假定气泡直径不型或两区模型加以简化处理，如假定气泡直径不变，气泡相为平推流。变，气泡相为平推流。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22第四节第四节 循环流化床循环流化床 对于细颗粒气对于细颗粒气-固流化床，当表观流速逐固流化床，当表观流速逐步增高，床层状态将由鼓泡床和湍动床的低步增高，床层状态将由鼓泡床和湍动床的低气速流态化向高气速流态化流型中的快速流气速流态化向高气速流态化流型中的快速流态化转变，此时颗粒的夹带速率愈益增大，态化转变，此时颗粒的夹带速率愈益增大，如果没有颗粒补入，床层中颗粒将很快被吹如果没有颗粒补入，床层中颗粒将很快被吹空。空。为维持正常操作，必须向床中

36、补入颗粒，为维持正常操作，必须向床中补入颗粒，颗粒的循环通量颗粒的循环通量 。一、流型转变一、流型转变minGGs化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 图图8-23 床层上、下部压降与表观气速的变化关系床层上、下部压降与表观气速的变化关系化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 工程上应用的循环流态化即包含上述快速流工程上应用的循环流态化即包含上述快速流态化（如循环床燃煤锅炉）和密相气力输送（如态化（如循环床燃煤锅炉）和密相气力输送（如FCC提升管反应器）两个流动状态。提升管反应器）两个流动状态。图图8-24 循环流态化存在区域循环流态化存在区域化学工业出版社化学工

37、业出版社 n 2023-5-22 各种流化状态的主要特征各种流化状态的主要特征化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22二、循环流化床的工业应用二、循环流化床的工业应用 循环流化床作为一种无气泡气循环流化床作为一种无气泡气-固接触反应固接触反应器，在石油、化工、冶金、能源、环境等工业领器，在石油、化工、冶金、能源、环境等工业领域中具有巨大的应用潜力和价值。域中具有巨大的应用潜力和价值。具有的高气具有的高气-固通量以及近于平推流流动的固通量以及近于平推流流动的特征，和颗粒的循环操作方式。特征，和颗粒的循环操作方式。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22循环流化床反应器特别

38、适用于具有以下特点的反应过程：!快速、不可逆反应；快速、不可逆反应；!催化剂迅速失活而需连续再生的反应；催化剂迅速失活而需连续再生的反应；!中间物为目的产品、要求高收率和高选择性的反应；中间物为目的产品、要求高收率和高选择性的反应；!氧化氧化-还原类反应；还原类反应；!需用颗粒将热量引入或引出的强吸热和放热反应。需用颗粒将热量引入或引出的强吸热和放热反应。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22循环流化床反应器循环流化床反应器在开发和应用过程中，具有显明的特征：在开发和应用过程中，具有显明的特征：循环流化床气循环流化床气-固催化反应器，操作气速一固催化反应器，操作气速一般为般为21

39、0m/s，颗粒循环速率较高，有时可达，颗粒循环速率较高，有时可达1000kg/(m2.s)。催化剂通常使用多孔、高比表面。催化剂通常使用多孔、高比表面积、低密度的颗粒，其粒度范围一般为积、低密度的颗粒，其粒度范围一般为20150 。催化反应过程的温度一般较低，约催化反应过程的温度一般较低，约250650。(1)气气-固催化反应过程固催化反应过程m化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22(2)气气-固非催化反应过程固非催化反应过程 这类反应过程一般为高温（这类反应过程一般为高温（800）强放）强放热反应过程，因而要求反应器不仅有较高的气热反应过程，因而要求反应器不仅有较高的气-固接触

40、效率、较大的生产能力，并且能够使热固接触效率、较大的生产能力，并且能够使热量得到有效回收。在循环流化床气量得到有效回收。在循环流化床气-固非催化反固非催化反应器中，反应物颗粒较粗较重，颗粒循环速率应器中，反应物颗粒较粗较重，颗粒循环速率较小，表观气速通常为较小，表观气速通常为510m/s。目前成功地应用有氧化铝焙烧、煤的燃烧、目前成功地应用有氧化铝焙烧、煤的燃烧、矿物焙烧以及废料焚烧等过程，与传统的回转矿物焙烧以及废料焚烧等过程，与传统的回转窑比较，循环床焙烧炉氧化铝产品质量好，能窑比较，循环床焙烧炉氧化铝产品质量好，能耗低，污染小，维修费用低，原料及设备利用耗低，污染小，维修费用低，原料及设

41、备利用率均较高。率均较高。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22循环流化床燃煤锅炉（循环流化床燃煤锅炉（CFB）是循环流化床气）是循环流化床气-固非固非催化反应的重要应用，与鼓泡流化床锅炉相比，具催化反应的重要应用，与鼓泡流化床锅炉相比，具有如下主要有如下主要优点优点：燃烧适应性广（包括不同煤种、木材、生物物质、燃烧适应性广（包括不同煤种、木材、生物物质、废渣等）；废渣等）；良好的负荷变化能力，操作弹性大；良好的负荷变化能力，操作弹性大；燃烧方式清洁、燃烧效率高（燃烧方式清洁、燃烧效率高（99%）；）；良好的环境保护特性（低良好的环境保护特性（低NOX及及SO2排放）；排放）；简单的燃烧处理及加料系统。简单的燃烧处理及加料系统。化学工业出版社化学工业出版社 n 2023-5-22 The end!