流化床反应器.

第七章流化床反应器流化床中的两相运动流化床中的传热和传质流化床反应器的模拟和放大7.1流化床中的两相运动概述颗粒的流化特性特征流速气泡及其行为分布板与内部构件乳相动态颗粒的带出和扬析一、概述床层颗粒运动形态–流体自下而上流过床层，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形•固定床•起始流化•散式流化（膨胀床）•聚式流化（鼓泡床）•节涌床•湍流床•气流输送床层的划分–依据颗粒浓度，分为上下两部分•上部：稀相床•下部：密相床/浓相床流化床反应器的优点–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–大量固体颗粒可方便地往来运输•用于催化裂化–粒子细，可消除内扩散阻力，充分发挥催化剂的效能流化床反应器的缺点–气流状况不均，有大量气泡产生，气-固两相接触不够有效，达到高转化率较困难–粒子运动全混式，停留时间不均一，以粒子为加工对象时，产品质量不一–粒子磨损，带出造成粒子损失，需加旋风分离器等粒子回收系统二、颗粒的流化特性Geldart颗粒分类法以颗粒密度、粒径划分；–A、B：适用于流化，A类颗粒流化性能最好。•A：100~500μm，0.2~0.4g/cm3•B：200~2000μm，0.5~5g/cm3–C：颗粒过细，粒间有粘附性，易沟流，不适用于流化；•dp50μm，ρp2g/cm3–D：颗粒过大，适用于喷动床；•dp1000μm，ρp0.5g/cm3三、特征流速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速–采用测定床层压降变化的方法来确定起始流化速度（最小流化速度）–流化床的压降计算公式–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起始流化速度（最小流化速度）–起始流化速度计算公式•床层空隙率εmf和颗粒形状系数φs–查表或查图得到–近似地取：•由此，前面的三个方程式可写为•对小粒子•对大粒子•上述各式中，计算结果需用来检验111,141323mfsmfmfs21232])(0408.07.33[gdudppmfp20Re,1650)(2pppmfgdu1000Re,5.24)(2pppmfgdumfppudRe带出速度–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–粒子的力平衡223)4(21)(6tpDppudgCd200000Re500,43.0500Re4.0,Re104.0Re,Re2421pDppDppDCCCCD称为曳力系数对球形粒子带出速度–对球形粒子–而对非球形粒子：–上述各式中，计算结果需用来检验200000Re500,])(1.3[500Re4.0,])(2254[4.0Re,18)(2131222ppptppptppptgdudgugdu353102Re05.0,117,220102Re102,88.131.505.0Re,Re065.08431.024pDpsDppsDpCCgC表教材中mfppudRe操作气速–一般而言，流化床的操作气速范围为：–对细粒子–对大粒子–可见，–一般，取流化数•可取tmfuuu06.91,4.0Remftpuu72.8,1000Remftpuu90~10mftuu10~5.10mfuusmu/5.0~15.00四、气泡及其行为气泡结构–气泡•气泡相–（气泡+气泡云+尾涡）或（气泡+气泡晕）–气泡以外的密相床•乳（浊）相气泡速度和大小–单个–气泡群–床径、分布板对ub有影响–气泡大小21)(711.0bbrdgu210)(711.0bmfbdguuu7.074072713.021.131)()(5.1128.1)0684.01()(272.01853.0nAUUggUUdlUUdtmfmfbmfb气泡云与尾涡–气泡云相对厚度•二维床•三维床–式中，Rc、Rb分别为气泡云和气泡的半径。–尾涡体积–全部气泡占床层的体积分率mfmffbruuufbrfbrbcuuuuRR2)(fbrfbrbcuuuuRR2)(331bmVVbmfmfbmffmffbuuuuuuuLLL00)1(气泡中的粒子含量（粒子体积与气泡体积之比）–气泡中•可忽略不计–气泡晕中–乳相中：•粒子体积与气泡体积之比re满足：01.0~001.0全部气泡的总体积全部气泡中粒子体积br])(711.03[)1(21bwmfmfbmfmfmfcVVudgurbbmfbfcberrr)1)(1(1五、分布板与内部构件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–型式•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–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，可能形成一股喷射流，使得在近分布板区，气-固接触剧烈，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250mm的高度左右分布板–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压降，一般取–通常分布板开孔率取：~1%；•设计过程OcmHPPPdbd235%,20~10且'8172240RedpttCud小孔阻力系数图教材21')2(ddorPCu开孔率单位面积上的开孔数）::(4020ororordroruuNuduN内部构件–垂直管、水平管、多孔板、水平挡网、斜片百叶窗挡板等六、乳相动态颗粒–全混式气流–气泡区、泡晕区、上流区、回流区七、颗粒的带出和扬析扬析–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不断被带出去的现象扬析速度扬析常数WwKdtdwAet17~4,0nuKne扬析常数–实验关联式沉降分离高度（T.D.H.）–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走，因此，以上区域颗粒的含量接近于恒定，这一高度称为(沉降)分离高度(T.D.H.)–这一高度就是旋风分离器的第一级入口位置2.16.020)(01.0)(0015.0)()(gtpgtptppeududuudgdK扩大段–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，从而减轻了旋风分离器的负荷旋风分离器7.2流化床中的传热和传质床层与外壁间的给热床层与浸没于床内的换热面之间的给热–垂直管–水平管颗粒与流体间的传质气泡与乳相间的传质7.3流化床反应器的模拟和放大数学模型–常见模型•两相模型：气相-乳相；上流相（气+固）-下流相（气+固）；气泡相-乳相；•三相模型：气泡相-上流相（气+固）-下流相（气+固）；气泡相-气泡云-乳相；•四区模型：气泡区-泡晕区-乳相上流区-乳相下流区–流动模式•气相：平推流•乳相：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流化床反应器的开发与放大–催化剂性能–操作条件–床层结构