1、.1第七章第七章 流化床反应器流化床反应器.2 流态化流态化就是固体颗粒像流体一样进行流动的现象。除重力作用外，一般是依靠气体或液体的流动来带动固体颗粒运动的。.3 P 500 300 200 100 50 1 2 umf 10 50 100 空床流速 u0 /s 固定床 流化床 夹带开始 P=W/At 斜率=1 LLf LLf L0 LLmf .5流态化可划分为以下几种形式：固定式 当流体向上流过颗粒床层时，如速度较低，则流体从粒间空隙通过时颗粒不动，这就是固定床。如流速渐增，则颗粒间空隙率将开始增加，床层体积逐渐增大，成为膨胀床。.6临界流态化 当流速达到某一限值，床层刚刚能被流体托动时，
2、床内颗粒就会开始流化起来了，这时的流体空床线速称为临界（或最小）流化速度。散式流态化对于液-固系统，流体与颗粒的密度相差不大，故临界流化速度一般很小，流速进一步提高时，床层膨胀均匀且波动很小，颗粒在床层内的分布也比较均匀，故称作散式流化床。聚式流态化对于气-固系统而言，情况与液-固系统很不相同，一般在气速超过临界气速后，将会出现气泡。气速愈高，气泡造成的扰动亦愈剧烈，使床层波动频繁，这种形态的流化床称聚式流化床或泡床。.7 节涌如果床径很小（如一般小试或中试中常见的那样）而床高与床径比较大时，气泡在上升过程中可能聚集并增大甚至达到占据整个床层截面的地步，将固体颗粒一节节地往上柱塞式地推动，直到
3、某一位置而崩落为止，这种情况叫做节涌节涌。但在大床中，这种节涌现象通常式不会发生的。气流输送当气速一旦超过了颗粒的带出速度（或称终端速度），粒子就会被气流所带走成为气输床，只有不断地补充新的颗粒进去，才能使床层保持一定的料面。.8 综上所述，可以看到从临界流态化开始一直到气流输送为止，反应器内装置的状况从气相为非连续相一直转变到气相成为连续相的整个区间都是属于流态化的范围，因此它的领域是很宽广的，问题也是很复杂的。流态化技术之所以得到如此广泛的应用，是因为它有一下一些突出的优点：传热效能高，而且床内温度易于维持均匀。大量固体颗粒可方便地往来输送。由于颗粒细，可以消除内扩散阻力，能充分发挥催化剂
4、的效能。.9但流化床也有一些不足之处不足之处：混合剧烈，存在相当宽的停留时间分布。气泡通过床层，减少了气-固相接触机会，降低了转化率。剧烈的碰撞、磨擦，加速了催化剂的粉化。流动现象的复杂性，揭示其内在规律性较难。在出口，需要旋风分离设备，回收催化剂。图图.117.2.1 流化床的流体力学（1）临界流化速度（umf）所谓临界流化速度指刚刚哪能使粒子流化起来的气体空床流速。可用测定空床层压降变化来确定。如图7-3。.127.2.1 流化床的流体力学流化床压降用下式计算：1.(7 1)mfmfptWpLgA 从图中实线的拐点就可定出固定最小流化速率umf。起始流化速率可用下式子计算：)27.(.11
5、5075.1233223gdududppmfpmfsmfmfpmfs.13 对于小颗粒，左侧第一项可略，大颗粒则第二项可略。另一个较准确的公式：上式适用于Repuf时，气泡内外由于气体环流而形成的气泡云变得明显起来，其相对厚度可以按下式来计算：RC及Rb分别为气泡云及气泡的半径。这里所谓的三维床就是一般的圆柱形床，而二维床则为截面狭长的扁形床。在气泡中，气体的穿流量q可以用下式表示:q=4umfRb=4ufmfRb (二维床)q=3umfRb=3uf mf Rb (三维床)2()brfcbbrfRRu uu u32()brfcbbrfRRuuuu.22气泡中的颗粒含量在气泡中，颗粒的含量是很小
6、的，如定义：rb=全部气泡中颗粒的体积/全部气泡的体积 rb值一般在0.0010.01左右，通常忽略不计。.237.3.1 床层与外壁间的给热 一般情况下，自由流化床是等温的，主要是床层与外壁间的传热以及床层与床中的换热器表面间的传热。流化床给热系数hw定义式：q=hwAwT.（7-59）式中Aw为传热面积；T为整个床高温度的积分平均值。在临界流化速度以上，hw随气速的增加而增大到一个极大值，然后下降，对不同体系，曲线形状相仿，其数值比空管和流化床中都高，如图7-24。)607.(.)(0fLWLdlTTTf .247.4.1 模型的类别 近二十年来，随着流化床中物理现象的逐步被认识，反应器的
7、数学模型的研究亦有很大的发展，加以归类，则大致如教材P220中表7-2中所示。表7-2中各模型的主要区别：l 选用的相l 气泡l 相的流况.257.4.2 两相模型（1）不考虑具体气泡的两相模型 如右图所示的那样由b(气泡），e（乳相）两相组成，在相间有气相交换。物料衡算如下。e相（扩散模型）：b 相（平推流式）：2(dc)dcELeeZf()-+r-N(c-c)=0 7-74be2L ududf ee（）eb2(dc)b-N()(c-c)=0 7-75d1ff（）.267.4.2 两相模型边界条件：而床层出口的气体浓度于是反应的转化速率便是dcL uef e0()(c-c)efdEZdce1
8、0dbf =c=c(进口浓度)(7-76)=c(c)(1)(c)0e1b1ff （7-77）0fc1cx （7-86）.27（2）气泡两相模型（Davidson Harrison模型）本模型的假设有：l 以u0有速度进入床层的气体中，一部分在乳相中以临界流化速度umf通过，其余部分（u0-umf）则全部以气泡的形式通过；l 床层从流化前的高度Lmf增高到流化时的Lf，完全是由于气泡的体积所造成；l 气泡相为向上的平推式流动，其中无催化剂粒子，故不起反应，气泡大小均一；l 反应完全在乳相中进行，乳相流况可假设为全混流或平推流；l 气泡与乳相间的交换量Q（体积/时间）为穿流量q与扩散之和:Q=q+kgS 式中，kg为气泡与乳相间的传质系数；S为气泡的表面积。.287.4.3 Levenspiel鼓泡床模型 右图是本模型的示意图，本模型假定床顶出气组成完全可用气泡中的组成代表，而不计乳相中的情况，因此只需计算气泡中气体组成便可计算出转化率。.29l 本模型也只用一个代表气泡直径为主要参数，选择一个适当db值，常可使本模型得到的结果与实验的结果吻合。既人理论基础，又十分简明，为本模型的优点。但事先如何确定这一db却没有可靠方案，只能作估计。也可用如图7-30所示那样的来估算，但这仍然没有把握，这一点也是本法的不足。l 本模型对流化数不大或气泡直径大的情况，误差也会较大。
