第六章 流化床反应器

概述流化床反应器（fluidizedbedreactor）是利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。在用于气固系统时，又称沸腾床反应器流化床反应器在现代工业中的早期应用为20世纪20年代出现的粉煤气化的温克勒炉，但现代流化反应技术的开拓，是以40年代石油催化裂化为代表的。目前，流化床反应器已在化工、石油、冶金、核工业等部门得到广泛应用。流化床反应器通常为一直立的圆筒型容器，容器下部一般设有分布板，细颗粒状的固体物料装填在容器内，流体向上通过颗粒层，当流速足够大时，颗粒浮起，呈现流化状态。由于气固流化床内通常出现气泡相和乳化相，状似液体沸腾，因而流化床反应器亦称为沸腾床反应器。第六章流化床反应器流化床反应器类型按固体颗粒是否在系统内循环分（1）单器流化床（2）双器流化床按反应器的外型分(1)圆筒形(2)圆锥形按床层中是否置有内部构件分(1)自由床(2)限制床按反应器内层数的多少分(1)单层(2)多层流化床反应器有两种主要形式：①有固体物料连续进料和出料装置，用于固相加工过程或催化剂迅速失活的流体相加工过程。例如催化裂化过程，催化剂在几分钟内即显著失活，须用上述装置不断予以分离后进行再生。②无固体物料连续进料和出料装置，用于固体颗粒性状在相当长时间（如半年或一年）内，不发生明显变化的反应过程。流化床反应器结构反应器主体扩大段分离段（气泡相或稀相）浓相段（乳相或密相）锥底与固定床反应器相比，流化床反应器的优点是：①可以实现固体物料的连续输入和输出；②流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，可在最佳温度点操作,而且易于控制，特别适用于强放热反应；③颗粒比较细小，有效系数高，可减少催化剂用量；④压降恒定，不易受异物堵塞；⑤便于进行催化剂的连续再生和循环操作，适于催化剂失活速率高的过程的进行，石油馏分催化流化床裂化的迅速发展就是这一方面的典型例子。流化床反应器的优点由于流态化技术的固有特性以及流化过程影响因素的多样性，对于反应器来说，流化床又存在粉明显的局限性：①由于固体颗粒和气泡在连续流动过程中的剧烈循环和搅动，无论气相或固相都存在着相当广的停留时间分布，物料的流动更接近于理想混合流，返混较严重。导致不适当的产品分布，降低了目的产物的收率；为了限制返混，常采用多层流化床或在床内设置内部构件。反应器体积比固定床反应器大，并且结构复杂。对设备精度要求较高；②反应物以气泡形式通过床层，减少了气-固相之间的接触机会，降低了反应转化率；③由于固体催化剂在流动过程中的剧烈撞击和摩擦，使催化剂加速粉化，加上床层顶部气泡的爆裂和高速运动、大量细粒催化剂的带出，造成明显的催化剂流失；④床层内的复杂流体力学、传递现象，使过程处于非定常条件下，难以揭示其统一的规律，也难以脱离经验放大、经验操作。流化床反应器的缺点工业生产中常见流化床反应器形式循环流化床烟气脱硫装置鼓泡流化床反应器第一节固体流态化的基本特征流态化——固体粒子象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粒子运动的。流态化的形成：流体自下而上流过催化剂床层时，根据流体流速的不同，床层经历三个阶段：当流体流速很小时,固体颗粒在床层中固定不动,此时为固定床阶段。当气速进一步加大时，床层高度逐渐增加，固体颗粒悬浮在气体中并随气体运动而上下翻滚，此时为流化床阶段，称为流态化现象。开始流化的最小气速称为临界流化速度umf当流体速度更高时，固体颗粒就不能沉降下来，正常的流化状态被破坏，整个床层的粒子被气流带走,床层上界面消失,床层处于气流输送阶段。此时的速度称为带出速度，也称最大流化速度ut或终端速度。一、固体流态化现象ΔP5003002001005012umf1050100空床流速u0㎝/s固定床流化床夹带开始ΔP=W/At斜率=1流态化现象流化床反应器fluidizedreactorLLfLLfL0LLmf流体流体流体流体流体流体固定床起始流化膨胀床（散式）鼓泡床（聚式）气流输送节涌二、流化床反应器中颗粒的分类颗粒的形状，尺寸和密度对其流态化的性能影响极大。Geldart提出：对于气固流态化，根据不同的颗粒密度和粒度，颗粒可分为A、B、C、D四类。•A类颗粒，称为细颗粒。粒度较小，在30～100μm之间，密度ρP1400kg/m3。适于流化，A类（细）颗粒形成鼓泡床后，密相中气、固返混较严重，床层中生成的气泡小，特别适于催化过程。•B类颗粒，称为粗颗粒。粒度较大，在100～600μm之间，密度ρP＝1400kg/m3～4000kg/m3。适于流化，密相中气、固返混较小。砂粒是典型的B类颗粒。•C类为超细颗粒，粒间有粘附性，颗粒间易团聚，气体容易产生沟流，不适用于流化床。•D类为过粗颗粒，流化时，易产生大气泡和节涌，操作难以稳定，只在喷动床中才能较好流化。三、流化床反应器的流型及基本特征•起始流态化：固体开始流化时流体空床线速度为起始流化速度，umf一般很小。•散式流态化：当流速高于最小流化速度时，随着流速的增加，得到的是平稳的、逐渐膨胀的床层，固体颗粒均匀地分布于床层各处，床面清晰可辨，略有波动，但相当稳定，床层压降的波动也很小且基本保持不变。既使在流速较大时，也看不到鼓泡或不均匀的现象。称为散式流态化。这种床层称为散式流化床，或膨胀床、均匀流化床。特别是液固系统，常表现为散式流化床，故又称液体流化床。•聚式流态化：当流速进一步提高到起始鼓泡速度Umb时，床层从低部出现鼓泡，整个床层中气泡不断产生和破裂，床层压降的波动明显增加，颗粒不是均匀地分散于床层中，而是程度不同的一团一团聚集在一起作不规则的运动。这种现象称为聚式流态化。这种床层称为聚式流化床或鼓泡床。床面以下的部分为密相床（又称乳相）（密相床中形如水沸，故又称沸腾床），床面上的部分为稀相床（又称气泡相）。说明：对于固体颗粒粒度及密度都比较大的B类颗粒，床层不经历散式流态化阶段，umf即Umb•节涌流化床：气泡在上升过程中不断聚并增大，当气泡直径大到与床径相等，将床层分为几段，变成一段气泡和一段颗粒的相互间隔状态。此时颗粒层被气泡像活塞一样向上推动，达到一定高度后气泡破裂，引起部分颗粒的分散下落。这种现象在实验室或中试流化床中，当床高与床径比较大时，可能出现，在工业规模的大床中，一般不会出现。•湍动流态化：随着气速的加大，流化床中湍动程度也跟着加剧，压力脉动的幅值减小，此时的流化床叫湍动床。•快速流态化：在湍动流态化下继续提高气速，颗粒从连续的床层变为分散的颗粒，而气体则从分散的气泡转变为连续的气流，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。此时的流态化称为快速流态化。此种情况下，如果有新的颗粒不断补充进入床层底部，操作就可以不断维持下去，相应的流化床称为快速流化床或循环流化床。有的也叫过渡流化床。第二节流化床的特征速度一、流化床的压降与流速的关系ΔP5003002001005012umf1050100空床流速u0㎝/s固定床流化床夹带开始ΔP=W/At斜率=1固定床阶段，压力降△P随着流速u的增加而增加。流化床阶段，床层的压力降保持不变。流体输送阶段，流体的压力降与流体在空管道中相似。流化床压降—流速关系（△P-u关系图）△P-u关系图的应用：•观察流化床的压力降变化可以判断流化质量。•如：正常操作时，压力降的波动幅度一般较小，波动幅度随流速的增加而有所增加。在一定的流速下，如果发现压降突然增加，而后又突然下降，表明床层产生了节涌（腾涌）现象。形成气栓时压降直线上升，气栓达到表面时料面崩裂，压降突然下降，如此循环下去。这种大幅度的压降波动破坏了床层的均匀性，使气固接触显著恶化，严重影响系统的产量和质量。有时压降比正常操作时低，说明气体形成短路，床层产生了沟流现象。流化床压降的计算在UOUmf时，（流速较低），压降与气速成正比关系。床层内的颗粒处于静止状态。当流速增大，床层内流体的压力降增大到与静床压力相等时，按理粒子应开始流动起来了，但由于床层中原来挤紧着的粒子先要被松动开来，需要稍大一点的压降。等到粒子一旦已经松动，压降又恢复到之值。随后流速进一步增加。则△P不变。其计算公式为：式中：Lmf—临界流化床高;εmf—临界流化床的空隙率;ρp和ρg—分别为颗粒及流体的密度二、特征流速1、临界流化速度也称起始流化速度、最低流化速度，是指刚刚能够使颗粒流化起来的气体空床流速（也叫表观速度）。也即颗粒层由固定床转为流化床时流体的气体空床流速，用umf表示。实际操作速度常取临界流化速度的倍数（又称流化数）来表示。临界流化速度对流化床的研究、计算与操作都是一个重要参数，确定其大小是很有必要的。确定临界流化速度最好是用实验测定，也可用经验公式计算。影响临界流化速度的因素：颗粒直径、颗粒密度、流体粘度等。ρp和ρg—分别为颗粒及流体的密度μ为流体粘度1820940880060695..ppgmf..gd()u.常用的经验公式：2、起始鼓泡速度Umb（1）对B类和D类颗粒（大颗粒），当气体空床线速度（即表观气速）超过临界流化速度时，床层即已进入鼓泡流化床。此时：Umf＝Umb（2）对A类颗粒（较小和较轻颗粒），当气体空床线速度（即表观气速）超过临界流化速度Umf时，还会经历一个散式流态化阶段，然后进入鼓泡流化床。此时流化床的Umb可按Geldart提出的计算式计算，即下式：40.90.14.12510()ggmbmfsgpuugdpd式中：为颗粒的调和平均直径；上式中，各物性参数的单位是kg、m、s制3、颗粒带出速度（终端速度）：颗粒带出速度是流化床中流体速度的上限，当流体速度大于固体颗粒在流体中的沉降速度时，颗粒粒子将被气流带出床层，这个速度叫做带出速度ut，或称终端速度。近似地等于粒子的自由沉降速度。当气速达到某一定值时，流体对粒子的曳力与粒子重力相等，则粒子会被带走。这一带出速度等于粒子的自由沉降速度。对球形粒子作力平衡：2332()6642ftpspfDSpudgdgCd式中：DSC为单颗粒的曳力系数/tpepudRS0.424/epDepRCR当：时　　1/2S0.450010/epDepRCR当：时　55002100.43epDRC当：时　这样，可得到ut计算式：2()0.418psfeptgdRu当时　1/20.52()0.450015psfepeptfdgRRu当时　1/23.1()500sfeptfdpgRu当时，实际流化床气速的选取：实际生产中，操作气速是根据具体情况确定的。流化数u/umf一般在1.5～10的范围内，也有高达几十甚至几百的。另外也有按u/ut=0.1～0.4左右来选取的。通常采用的气速在0.15～0.5m/s。对热效应不大、反应速率慢、催化剂粒度小、筛分宽、床内无内部构件和要求催化剂带出量少的情况，宜选用较低气速。反之，则宜用较高的气速。在气—固流化床中，当UOUmf时，部分气体以气泡形式通过床层，就好像气体成泡状通过液体层一样。另一部分气体以临界流化速率Umf流经粒子之间的空隙。通常把气泡与气泡以外的密相床部分分别称作气泡相和乳相。第三节流化床中的气泡及其行为单个气泡：顶部球形，尾部内凹。在尾部由于压力比近旁稍低，使一部分粒子被卷了进去。形成局部涡流——尾涡。一、气泡的结构气体经分布板进入床层后，一部分与固体颗粒混合构成乳化相，另一部分不与固体颗粒混合而以气泡状态在床层中上升，这部分气体构成气泡相。气泡在上升中，因聚并和膨胀而增大，同时不断与乳化相间进行质量交换，即将反应物组分传递到乳化相中，使其在催化剂上进行反应，又将反应生成的产物传到气泡相中来。所以气泡不仅是造成床层运动的动力，又是授受物质的储存库，可见其行为自然成为影响反应结果的一个决定性因素。气泡上升速度是气泡的重要参数之一。为了研究气泡的上升速度，实验室中常采用在