1、第七章第七章 流化床反应器流化床反应器 n流化床中的两相运动流化床中的两相运动 n流化床中的传热和传质流化床中的传热和传质 n流化床反应器的模拟和放大流化床反应器的模拟和放大 7.1 流化床中的两相运动流化床中的两相运动 n概述概述 n颗粒的流化特性颗粒的流化特性 n特征流速特征流速 n气泡及其行为气泡及其行为 n分布板与内部构件分布板与内部构件 n乳相动态乳相动态 n颗粒的带出和扬析颗粒的带出和扬析 一、概述一、概述 n床层颗粒运动形态床层颗粒运动形态 流体流体自下而上自下而上流过床层，改变流体流速，流过床层，改变流体流速，床层颗粒的运动形态的变化会有如下几种情床层颗粒的运动形态的变化会有如
2、下几种情形形 固定床固定床 起始流化起始流化 散式流化（膨胀床）散式流化（膨胀床） 聚式流化（鼓泡床）聚式流化（鼓泡床） 节涌床节涌床 湍流床湍流床 气流输送气流输送 n床层的划分床层的划分依据颗粒浓度，分为上下两部分依据颗粒浓度，分为上下两部分 上部：上部：稀相床稀相床 下部：下部：密相床密相床 /浓相床浓相床n流化床反应器的优点流化床反应器的优点 传热效能高，床内温度易控制传热效能高，床内温度易控制 用于氧化、裂解、焙烧、干燥等过程用于氧化、裂解、焙烧、干燥等过程 大量固体颗粒可方便地往来运输大量固体颗粒可方便地往来运输 用于催化裂化用于催化裂化 粒子细，可消除内扩散阻力，充分发挥催粒子细
3、，可消除内扩散阻力，充分发挥催化剂的效能化剂的效能 n流化床反应器的缺点流化床反应器的缺点 气流状况不均气流状况不均，有大量气泡产生，气，有大量气泡产生，气-固两固两相接触不够有效，达到高转化率较困难相接触不够有效，达到高转化率较困难 粒子运动全混式粒子运动全混式，停留时间不均一，以粒，停留时间不均一，以粒子为加工对象时，子为加工对象时，产品质量不一产品质量不一 粒子磨损，带出造成粒子磨损，带出造成粒子损失粒子损失，需加旋风，需加旋风分离器等粒子回收系统分离器等粒子回收系统 二、颗粒的流化特性二、颗粒的流化特性 nGeldart颗粒分类法颗粒分类法 以以颗粒密度、粒径颗粒密度、粒径划分；划分；
4、 A、B：适用于流化，适用于流化，A类颗粒流化性能最好。类颗粒流化性能最好。 A：100500m，0.20.4g/cm3 B：2002000m，0.55g/cm3 C：颗粒过细，粒间有粘附性，易沟流，不适用于颗粒过细，粒间有粘附性，易沟流，不适用于流化；流化； dp 50m，p1000m，p 0.5 g/cm3 三、特征流速三、特征流速 n起始流化速度（最小流化速度）起始流化速度（最小流化速度） 指刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流指刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流速速 采用测定床层压降变化的方法来确定采用测定床层压降变化的方法来确定n起始流化速度（最小流化速度）起始流化速度（最小流化速度）
5、流化床的压降计算公式流化床的压降计算公式起始流化速度计算公式起始流化速度计算公式 对小粒子，左侧第一项可忽略对小粒子，左侧第一项可忽略 对大粒子，左侧第二项可忽略对大粒子，左侧第二项可忽略 gLAWPpmfmft)(1( 233223)()()1(150)(75. 1 gdududppmfpmfsmfmfpmfs 20Re,1150)(32 pmfmfppsmfgdu 1000Re,75. 132 pmfppsmfgdu n起始流化速度（最小流化速度）起始流化速度（最小流化速度）起始流化速度计算公式起始流化速度计算公式 床层空隙率床层空隙率mfmf和颗粒形状系数和颗粒形状系数s s查表或查图得
6、到查表或查图得到近似地取：近似地取： 由此，前面的三个方程式可写为由此，前面的三个方程式可写为 对小粒子对小粒子 对大粒子对大粒子 上述各式中，计算结果需用上述各式中，计算结果需用 来检验来检验 111,141323 mfsmfmfs 21232)(0408. 07 .33 gdudppmfp 20Re,1650)(2 pppmfgdu 1000Re,5 .24)(2 pppmfgdu mfppud Ren带出速度带出速度 当气速增大到某一定值时，流体对粒子的当气速增大到某一定值时，流体对粒子的曳力与粒子的重力相等，则粒子就会被气流曳力与粒子的重力相等，则粒子就会被气流带走。这一速度称为带出速
7、度（或称终端速带走。这一速度称为带出速度（或称终端速度），与粒子的自由沉降速度度），与粒子的自由沉降速度 粒子的力平衡粒子的力平衡 223)4(21)(6tpDppudgCd 200000Re500,43.0500Re4 .0,Re104 .0Re,Re2421 pDppDppDCCCCD称为曳力系数称为曳力系数对球形粒子对球形粒子n带出速度带出速度对球形粒子对球形粒子而对非球形粒子：而对非球形粒子：上述各式中，计算结果需用上述各式中，计算结果需用 来检来检验验 200000Re500,)(1 . 3500Re4 . 0,)(22544 . 0Re,18)(2131222 ppptppptpp
8、ptgdudgugdu 353102Re05. 0, 117,220102Re102,88. 131. 505. 0Re,Re065. 08431. 024 pDpsDppsDpCCgC表表教教材材中中 mfppud Ren操作气速操作气速一般而言，流化床的操作气速范围为：一般而言，流化床的操作气速范围为：对细粒子对细粒子 对大粒子对大粒子可见，可见，一般，取流化数一般，取流化数 可取可取 tmfuuu 06 .91, 4 . 0Re mftpuu72. 8,1000Re mftpuu9010 mftuu105.10 mfuusmu/5 . 015. 00 四、气泡及其行为四、气泡及其行为 n
9、气泡结构气泡结构 气泡气泡 气泡相气泡相（气泡（气泡+气泡云气泡云+尾涡）或（气泡尾涡）或（气泡+气泡晕）气泡晕） 气泡以外的密相床气泡以外的密相床 乳（浊）相乳（浊）相 n气泡速度和大小气泡速度和大小 单个单个 气泡群气泡群 床径、分布板对床径、分布板对ub有影响有影响气泡大小气泡大小21)(711. 0bbrdgu 210)(711. 0bmfbdguuu 7 .074072713 .021.131)()(5 .1128.1)0684.01()(272.01853.0 nAUUggUUdlUUdtmfmfbmfbn气泡云与尾涡气泡云与尾涡气泡云相对厚度气泡云相对厚度 二维床二维床 三维床三
10、维床 式中，式中，R Rc c、R Rb b分别为气泡云和气泡的半径。分别为气泡云和气泡的半径。尾涡体积尾涡体积全部气泡占床层的体积分率全部气泡占床层的体积分率 mfmffbruuu fbrfbrbcuuuuRR 2)(fbrfbrbcuuuuRR 2)(331 bmVVbmfmfbmffmffbuuuuuuuLLL 00)1 ( n气泡中的粒子含量气泡中的粒子含量 （粒子体积与气泡体积之比）（粒子体积与气泡体积之比）气泡中气泡中 可忽略不计可忽略不计 气泡晕中气泡晕中 乳相中：乳相中： 粒子体积与气泡体积之比粒子体积与气泡体积之比re满足：满足： 01.0001.0 全全部部气气泡泡的的总总
11、体体积积全全部部气气泡泡中中粒粒子子体体积积br)(711. 03)1(21bwmfmfbmfmfmfcVVudgur bbmfbfcberrr )1)(1(1 五、分布板与内部构件五、分布板与内部构件 n分布板分布板 分布板设计的好坏对于流化床的操作有很大的影响分布板设计的好坏对于流化床的操作有很大的影响 型式型式 单层的筛板、凹形筛板、多层筛板、夹层填料、管式分布单层的筛板、凹形筛板、多层筛板、夹层填料、管式分布器、泡帽、侧缝锥帽器、泡帽、侧缝锥帽 分布板影响区分布板影响区 气体从分布板上的气孔中流出来时，由于气速很高，可能气体从分布板上的气孔中流出来时，由于气速很高，可能形成一股喷射流，
12、使得在近分布板区，形成一股喷射流，使得在近分布板区，气气-固接触剧烈，固接触剧烈，传热、传质速率高，因此，反应转化快传热、传质速率高，因此，反应转化快 一般认为，其影响范围大致在一般认为，其影响范围大致在250mm的高度左右的高度左右n分布板分布板分布板的设计分布板的设计 为了保证流化均匀而稳定，分布板需有足够高的为了保证流化均匀而稳定，分布板需有足够高的压降压降，一般取，一般取通常分布板开孔率取：通常分布板开孔率取：1%1%； 设计过程设计过程 OcmHPPPdbd235%,2010 且且8172240RedpttCud小小孔孔阻阻力力系系数数图图教教材材 21)2( ddorPCu 开开孔
13、孔率率单单位位面面积积上上的的开开孔孔数数）:(4020ororordroruuNuduN n内部构件内部构件垂直管、水平管、多孔板、水平挡网、斜垂直管、水平管、多孔板、水平挡网、斜片百叶窗挡板等片百叶窗挡板等 六、乳相动态六、乳相动态 n颗粒颗粒全混式全混式 n气流气流气泡区、泡晕区、上流区、回流区气泡区、泡晕区、上流区、回流区 七、颗粒的带出和扬析七、颗粒的带出和扬析 n扬析扬析 气流连续通过床层时，床层内那些带出速气流连续通过床层时，床层内那些带出速度小于操作气速的颗粒将度小于操作气速的颗粒将不断被带出去不断被带出去的现的现象象n扬析速度扬析速度n扬析常数扬析常数 WwKdtdwAet
14、174,0 nuKnen扬析常数扬析常数实验关联式实验关联式n沉降分离高度（沉降分离高度（T.D.H.T.D.H.） 流化床内，扬析的粒子浓度随床层高度的流化床内，扬析的粒子浓度随床层高度的位置变化而变化，当达到某一高度后，能够位置变化而变化，当达到某一高度后，能够被重力分离下来的颗粒都已沉析下来，只有被重力分离下来的颗粒都已沉析下来，只有带出速度小于操作气速的颗粒才会一直被带带出速度小于操作气速的颗粒才会一直被带走，因此，以上区域颗粒的含量接近于恒定，走，因此，以上区域颗粒的含量接近于恒定，这一高度称为这一高度称为( (沉降沉降) )分离高度分离高度( (T.D.H.T.D.H.) )这一高
15、度就是这一高度就是旋风分离器的第一级入口位旋风分离器的第一级入口位置置 2 . 16 . 020)(01. 0)(0015. 0)()( gtpgtptppeududuudgdK n扩大段扩大段在流化床顶部安装一个扩大段，使气速降在流化床顶部安装一个扩大段，使气速降低，让更多的粒子沉析下来，从而减轻了旋低，让更多的粒子沉析下来，从而减轻了旋风分离器的负荷风分离器的负荷 n旋风分离器旋风分离器 7.2 流化床中的传热和传质流化床中的传热和传质 n床层与外壁间的给热床层与外壁间的给热 n床层与浸没于床内的换热面之间的给热床层与浸没于床内的换热面之间的给热 垂直管垂直管 水平管水平管 n颗粒与流体间
16、的传质颗粒与流体间的传质 n气泡与乳相间的传质气泡与乳相间的传质 7.3 流化床反应器的模拟和放大流化床反应器的模拟和放大 n数学模型数学模型 常见模型常见模型 两相模型两相模型：气相：气相-乳相；上流相（气乳相；上流相（气+固）固）-下流相（气下流相（气+固）；固）； 气泡相气泡相-乳相；乳相； 三相模型三相模型：气泡相：气泡相-上流相（气上流相（气+固）固）-下流相（气下流相（气+固）；固）；气泡相气泡相-气泡云气泡云-乳相；乳相； 四区模型四区模型：气泡区：气泡区-泡晕区泡晕区-乳相上流区乳相上流区-乳相下流区乳相下流区 流动模式流动模式 气相气相：平推流：平推流 乳相乳相：平推流、全混流、部分返混流、环流、或对其流动：平推流、全混流、部分返混流、环流、或对其流动模式不加考虑等模式不加考虑等 n流化床反应器的开发与放大流化床反应器的开发与放大 催化剂性能催化剂性能 操作条件操作条件 床层结构床层结构
