1、1第十章第十章 流化床反应器流化床反应器10.1流化床反应器的特点及结构流化床反应器的特点及结构10.2流化床反应器内的流体流动流化床反应器内的流体流动10.3流化床的传热流化床的传热10.4流化床反应器的构件流化床反应器的构件10.5流化床主体尺寸的确定流化床主体尺寸的确定210.1流化床反应器的特点及结构流化床反应器的特点及结构 流体自下而上通过固体颗粒床层，到流体速度增加到一定程度时，颗粒被流体托起作悬浮运动，这种现象叫固体流固体流态化。态化。利用流态化技术进行化学反应的装置叫流化床反应器。流化床反应器。10.1.110.1.1流化床反应器的工业应用及特点流化床反应器的工业应用及特点 流
2、化床反应器在工业中的应用可分为催化过程催化过程和非催化过非催化过程程两大类。1.1.催化过程催化过程 催化过程的主要特点是固体颗粒为催化剂。催化剂的活性随反应而下降，需取出再生或补充新的催化剂以维持器内催化剂的平均活性。2.2.非催化过程：如矿物加工非催化过程：如矿物加工3 图10-1SOD型流化催化裂化装置 4图10-2萘氧化反应器 5图10-3制取环氧乙烷的流化反应器 6图10-4乙炔与醋酸合成醋酸乙烯反应器 7图10-5工业石灰石煅烧炉 8与固定床反应器相比流化床具有以下优点：(1)从对催化剂的要求对催化剂的要求看，流化床可采用小颗粒小颗粒且粒度范围粒度范围较宽的催化剂，从而增大了气固相
3、间的接触面积。(2)从传热上传热上看，催化剂颗粒之间、床层与器壁及换热器壁之间的给热系数大给热系数大，传热速率加快，所需传热面积较小，床层床层温度均匀温度均匀。(3)从传质传质上看，由于催化剂颗粒和流体处于剧烈搅动状态，气固相界面不断更新，使传质系数增大传质系数增大；加之催化剂粒度小，单位体积催化剂具有很大的表面积，使传质速率加快传质速率加快。(4)从操作操作上看，从床层中取出颗粒和加入取出颗粒和加入新的颗粒都很方便方便，对于催化剂易于失活的反应，可使反应过程和催化剂再生过程连续化，且易于实现自动控制易于实现自动控制。(5)从生产规模生产规模上看，流化床传热良好，设备结构简单，投资省，适合于大
4、规模大规模生产。9(1)由于颗粒的剧烈湍动，造成固体颗粒与流体的严重返混严重返混，导致反应物浓度下降，转化率下降。(2)对气固流化床，常发生气体短路与沟流短路与沟流，严重降低了气固相接触效率气固相接触效率，使反应转化率下降。(3)催化剂颗粒之间的剧烈碰撞，造成催化剂破破碎率增大碎率增大，增加了催化剂的损耗损耗，需增设回收装置。(4)由于催化剂颗粒与器壁的剧烈碰撞，易于造成设备及管道的磨蚀设备及管道的磨蚀，增大了设备损耗设备损耗。流化床反应器的缺点 10流化床反应器的应用 流化床反应器适用于热效应大热效应大的反应 要求有均一均一的催化反应温度反应温度并需要精确精确控制温度的反应 催化剂使用寿命短
5、及有爆炸危险的场合 不适用于要求转化率高的场合和要求催化剂床层有温度分布场合1110.1.2流化床反应器的类型及结构流化床反应器的类型及结构*流化床反应器的类型流化床反应器的类型*1.1.按固体颗粒是否在系统内循环分类按固体颗粒是否在系统内循环分类 分为单器流化床和双器流化床 2.2.按床层外形分类按床层外形分类 分为圆筒形和圆锥形流化床 3.3.按反应器层数分类按反应器层数分类 分为单层流化床和多层流化床 4.4.按床层中是否设置内部构件分类按床层中是否设置内部构件分类 分为自由床和限制床 12 气体分布装置气体分布装置包括气体预分布器和气体分布板两部分。其作用是使气体均匀分布，以形成良好的
6、起始流化条件，同时支承固体颗粒。内部构件内部构件有水平构件和垂直构件之分，主要用来破碎气泡，改善气固接触，减少返混，从而提高反应速度和反应转化率。流化床的换热装置换热装置可以装在床层内，也可以采用夹套式换热。作用是用来及时取出或供给热量。气体离开床层时总要夹带部分细小的催化剂颗粒，气固分离气固分离装置装置的作用是回收这部分细粒使其返回床层。常用的气固分离装置有内过滤器和旋风分离器两种。流化床反应器的结构流化床反应器的结构*流化床反应器由壳体、气体分布装置、内部构件、换热装置、流化床反应器由壳体、气体分布装置、内部构件、换热装置、气固分离装置等组成。气固分离装置等组成。1310.2.1固体流态化
7、的形成固体流态化的形成图10-6流态化现象1410.2.2流态化的类型及特征流态化的类型及特征 1.理想流态化理想流态化*（1）有一个明显的临界流化点临界流化点及临界流化临界流化速度速度umf，当流速达到umf时，整个床层开始流态化；（2）流态化床层的压降为一常数压降为一常数；（3）流态化床层具有一个平稳的床层界面平稳的床层界面；（4)流态化床层的空隙率均匀空隙率均匀，不因床层的位置变化。152.散式流态化和聚式流态化散式流态化和聚式流态化 颗粒分布均匀颗粒分布均匀的流态化称为散式流态化散式流态化，一般液固流化床接近于散式流态化。散式流态化的特性接近于理想流态化。理想流态化。聚式流态化聚式流态
8、化是一个特殊的两相物系，处于流化态的颗粒群是连续的，称连续相，气泡是分散的，叫分散相。(1)空床气速大于umf后床层进入流化状态，此时流化床没有没有一个固定的上界面一个固定的上界面，它以每秒数次的频率上下波动；(2)床层压降也随之上下波动波动，在DE1和DE2曲线之间波动，其平均值用DE线表示，如图10-7所示；(3)床层分为两相分为两相 16图10-7聚式流态化的-u0关系17图10-8两相流化示意图 183.不正常流化不正常流化图10-9不正常流化状态1910.2.3流化床的压降流化床的压降 对于一达到临界流速的流化床层，忽略其他摩擦。重力=浮力气固摩擦力LmfAt(1-mf)p g=Lm
9、fAt(1-mf)f gAtpmf 当空床气速超过临界流化速度时 床层总压降可按床层静压降考虑 对于气固流化床，f p，可忽略不计。gLpfpmfmfmf)(1(gLpfpfff)-)(1(gLPPfff+=gLppfpfff)-)(1(.2010.2.4流化速度流化速度 1.临界流化速度临界流化速度21对于小颗粒：121650)(gdufppmf上式适用于临界雷诺数Remf20的情况 对于粗颗粒，当Remf 1000时 2/15.24)(ffppmfgdu临界流化速度还常用经验式李伐公式计算 06.088.094.082.1)(00923.0fffppmfdu该式适用于临界雷诺数Remf 5
10、的情况 当Remf5时，所求得的umf应加以校正 22图10-11临界流化速度的修正系数 232.带出速度带出速度 当气速略大于颗粒的自由沉降速度时，颗粒沉降不下来而被流体带出。开始把颗粒带出的速度称为带出速度。对于球形球形颗粒，当Re0.4时，ffpptdu835.1)(2对于Ret0.4的情况，要进行校正.校正的方法：先由上式求出t的近似值tu，再求出tttptud=Re，由Ret查图10-12得校正系数FD.实际带出速度为=tDtuFu24对于非球形非球形颗粒，因它比同体积的球形颗粒具有更大的表面积，故求出的ut应再乘以校正系数。065.08431.0=sgC图10-12带出速度的校正系
11、数25流化床的操作速度流化床的操作速度 选择操作气速应考虑以下因素*:a颗粒的磨损及带出损失、能量消耗、床层内传热、传质效果 b当采用颗粒的粒度分布粒度分布较宽时，操作速度应保证粗颗粒流粗颗粒流化化，同时又要尽量减少细颗粒的吹出量减少细颗粒的吹出量，所以可选较粗颗粒的umf大得不多的操作速度；c对于慢速反应慢速反应，空间速度不能太大，应选较低气速；d反应热效应不大热效应不大时，可采用较低气速；e颗粒的流化性能流化性能好，在低气速下不致产生沟流，且要求床高较低时，应采用较低气速。f操作速度的选定除根据上述原则外，最好通过实验来确定。26 为了确定操作速度，工业上常采用流化数流化数的概念，操作速度
12、与临界流化速度之比称为流化数，即 设计流化床时，可根据计算结果、经验数据并考虑各种因素的影响，经过反复计算和比；较经济效益，确定较合适的实际操作速度。mfuuk0=2710.3.110.3.1流化床反应器的传热过程分析流化床反应器的传热过程分析 流化床反应器的传热过程有三种基本形式流化床反应器的传热过程有三种基本形式*.固体颗粒与固体颗粒之间的传热固体颗粒与固体颗粒之间的传热 2.2.气体与固体颗粒之间的给热气体与固体颗粒之间的给热 3.3.床层与反应器器壁和内换热器壁之间的给热床层与反应器器壁和内换热器壁之间的给热 在上述传热过程中，前两种的给热速度比第三种要大得多，在上述传热过程中，前两种
13、的给热速度比第三种要大得多，要提高整个流化床的传热速率，关键在于提高床层与器壁要提高整个流化床的传热速率，关键在于提高床层与器壁之间的给热速率之间的给热速率 2810.3.2床层与器壁之间的给热床层与器壁之间的给热图10-13给热系数比较 291.流化床内换热器的结构型式流化床内换热器的结构型式1）单管式换热器2）鼠笼式换热器3）管束式换热器4）蛇管式换热器 303132332.床层对内换热器壁的传热机理床层对内换热器壁的传热机理图10-19床层对内换热管传热机理分析示意图343.床层对壁给热系数影响因素分析床层对壁给热系数影响因素分析*(1)操作速度的影响 (2)颗粒直径的影响 (3)挡板、
14、挡网的影响 (4)换热器位置对给热系数的影响 (5)颗粒与气体的物理性质对给热系数的影响 35图10-19气速对给热系数的影响36图4-20挡网对给热系数的影响373810.4.1气体分布板与预分布器气体分布板与预分布器 气体分布装置的作用气体分布装置的作用*（1）它必须具有均匀分布气体均匀分布气体的作用，同时其压降要小;（2）使流化床有一个良好的起始流化状态良好的起始流化状态，保证在分布板附近创造一个良好的气固接触条件，排除形成死床的可能；（3）支承板上的催化剂支承板上的催化剂，在长期操作过程中，分布板不被堵塞和磨蚀，停车时不漏料。391.分布板的型式和结构 工业上常用的气体分布板的型式概括
15、起来可分为直流式、侧流式、填充式、密孔板、直流式、侧流式、填充式、密孔板、旋流式喷嘴和分枝式分布器旋流式喷嘴和分枝式分布器等几种型式，其中每一种型式又包括多种不同的结构。40(a)直孔式分布板；（b)凹形分布板；（c）直孔泡帽分布板；41(d)填充式分布板；(e)侧缝式锥帽分布板；（f）侧孔式锥帽分布板；42(g)短管式分布板；43(h)混合短管式分布板 44(i)旋流式喷嘴45462.气体预分布器气体预分布器 分布板的下部，通常有一个倒锥形倒锥形的气室，进气管自侧向进入气室，在气室内气体流股进行粗略的重整粗略的重整后进入分布板。这种常用的进气结构是一种最简单的气体预分布器。有时还在气室内安同
16、心圆锥壳同心圆锥壳导向构件或填料层，使气体进入分布板前有一个大致均匀的分布，从而减轻分布板均匀布气的负荷减轻分布板均匀布气的负荷。4748495010.4.2内部构件内部构件 把分布板造成的良好起始流化条件扩展到床层起始流化条件扩展到床层。流化床的内部构件包括有旋风分离器的料腿及下料机构、换热器、溢流管和固体粒子循环管、进料用的内插喷嘴及专为破碎气泡、增进气固接触效率而设计的一切设施。用于改善气固接触效率的内部构件 有：1.1.水平构件水平构件(1)(1)挡板（网）的特性挡板（网）的特性 (2)(2)挡板（网）的结构挡板（网）的结构(3)(3)挡板（网）的直径挡板（网）的直径 2.2.垂直构件
17、垂直构件 3.3.复合构件复合构件51图4-30挡网 图4-31单旋导向挡板 52图10-32多旋导向挡板53图10-33斜片挡板的结构参数54图4-34垂直构件示意图55图4-35塔型立式构件 图4-36脊形构件结构示意图 5610.4.3气固分离装置气固分离装置 1.内过滤器内过滤器 2.内旋风分离器内旋风分离器图4-37内过滤器图 574-38旋风分离器结构示意图 5810.5.1流化床直径的确定流化床直径的确定04=uqDv床层直径可按气体处理量和操作速度由下式计算扩大段直径按下式计算 tvdduqD4=5910.5.2流化床层高度的确定流化床层高度的确定 1.1.浓相段高度浓相段高度
18、L Lf f（1 1）静床高）静床高L L0 0的计算的计算 （2 2）床层膨胀比的计算）床层膨胀比的计算 由与临界流化速度和操作速度相对应的床层空隙率和求得 床层膨胀比也可由图10-41查取，利用前面介绍的公式求出umf和ut,可由图查得比值LmfL；可由经验式直接求R 2.2.稀相段高度稀相段高度2h60 圆筒形流化床结构简单，制造容易，设备容圆筒形流化床结构简单，制造容易，设备容积利用率高。积利用率高。圆锥形流化床结构比较复杂，制作比较困难，圆锥形流化床结构比较复杂，制作比较困难，但由于它的截面自下而上逐渐扩大，也具有但由于它的截面自下而上逐渐扩大，也具有很多突出的优点。很多突出的优点。
19、1)1)可适应低气速条件下的操作。对于粒度分可适应低气速条件下的操作。对于粒度分布较宽的体系，圆锥床底部的高气速可保证布较宽的体系，圆锥床底部的高气速可保证粗颗粒的流化，顶部的低气速则可减少小颗粗颗粒的流化，顶部的低气速则可减少小颗粒的夹带，从而获得较好的流化质量。粒的夹带，从而获得较好的流化质量。61(2)(2)圆锥形流化床底部气体和固体颗粒的剧圆锥形流化床底部气体和固体颗粒的剧烈湍动，可使气体分布均匀，从而大大简化烈湍动，可使气体分布均匀，从而大大简化了气体分布板的设计。了气体分布板的设计。(3)(3)对于反应速度快和热效应大的反应，床对于反应速度快和热效应大的反应，床层底部的高速湍动可强化传热，使反应不至层底部的高速湍动可强化传热，使反应不至于过分集中在床层底部，防止了分布板处产于过分集中在床层底部，防止了分布板处产生死区、堵塞和烧结现象。生死区、堵塞和烧结现象。(4)(4)可适应气体体积增大的反应。反应过程可适应气体体积增大的反应。反应过程中气体在床中上升，随静压力的减小，体积中气体在床中上升，随静压力的减小，体积会相应增大，若反应为分子数增加的过程，会相应增大，若反应为分子数增加的过程，则气体体积会增大更多，采用圆锥床，可适则气体体积会增大更多，采用圆锥床，可适应这种体积增大的特点，使流化更趋平稳。应这种体积增大的特点，使流化更趋平稳。
