流化床反应器的设计 HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】
丙烯腈流化床反应器的设计 学院：化工与药学院 班级: 2012化学工程与工艺1、2班 学生姓名：翟鹏飞肖畅裴一歌 徐嘉星廖鹏飞田仪长 指导教师: 张丽丽 完成日期： 2015年12月10日 指导教师评语： _______________________________________________ ________________________________________________ ________________________________________________ 成绩: 教师签名:
目录 1 设计生产能力及操作条件 (1) 2 操作气速的选择 (1) 3 流化床床径的确定 (1) 3.1 密相段直径的确定 (1) 3.2 稀相段直径的确定 (2) 3.3 扩大段直径的确定 (2) 4 流化床床高 (2) 4.1 流化床的基本结构 (2) 4.2 催化剂用量及床高 (3) 5 床层的压降 (4) 6 选材及筒体的设计 (4) 7 封头的设计 (5) 8 裙座的选取 (5) 9 水压试验及其强度校核 (5) 10 旋风分离器的计算 (5)
11 主反应器设计结果 (6)
丙烯腈流化床反应器的设计 1 设计生产能力及操作条件 反应温度为：440℃ 反应压力为：1atm 丙烯腈氨氧化法催化剂选用：sac-2000 催化剂粒径范围为：44～88μm 催化剂平均粒径为：50μm 催化剂平均密度为：1200kg/m3 催化剂装填密度为：640kg/m3 催化性能：丙烯腈单收>78.0%；乙腈单收<4.0%；氢氰酸单收<7.0% 耐磨强度<4.0wt% 接触时间：10s 流化床反应器设计处理能力：420.5kmol/h 2 操作气速的选择 流化床的操作气速U =0.6m/s，为防止副反应的进行，本流化床反应器设计 密相和稀相两段，现在分别对其直径进行核算。
流化床反应器的简介及其工业应用 1 流化床反应器概述 流化床反应器是一种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。 按照床层的外形分类，可分为圆筒形和圆锥形流化床。圆筒形流化床反应器结构简单，制造容易，设备容积利用率高。圆锥形流化床反应器的结构比较复杂，制造比较困难，设备的利用率较低，但因其截面自下而上逐渐扩大，故也具有很多优点：1、适用于催化剂粒度分布较宽的体系由于床层底部速度大，较大颗粒也能流化，防止了分布板上的阻塞现象，上部速度低，减少了气流对细粒的带出，提高了小颗粒催化剂的利用率，也减轻了气固分离设备的负荷。这对于在低速下操作的工艺过程可获得较好的流化质量。2、由于底部速度大，增强了分布板的作用床层底部的速度大，孔隙率也增加，使反应不致过分集中在底部，并且加强了底部的传热过程，故可减少底部过热和烧结现象。 3、适用于气体体积增大的反应过程气泡在床层的上升过程中，随着静压的减少，体积相应增大。采用锥形床，选择一定的锥角，可适应这种气体体积增大的要求，使流化更趋平稳。 按照床层中是否设置有内部构件分类，可分为自由床和限制床。床层中设置内部构件的称为限制床，未设置内部构件的称为自由床。设置内部构件的目的在于增进气固接触，减少气体返混，改善气体停留时间分布，提高床层的稳定性，从而使高床层和高流速操作成为可能。许多流化床反应器都采用挡网、挡板等作为内部构件。对于反应速度快、延长接触时间不至于产生严重副反应或对于产品要求不严的催化反应过程，则可采用自由床，如石油炼制工业的催化裂化反应器便是典型的一例。 流化床反应器的优点 流化床内的固体粒子像流体一样运动，由于流态化的特殊运动形式，使这种反应器具有如下优点： 1、由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大（可高达3280~16400m2/m3），有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。 2、由于颗粒在床内混合激烈，使颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致，床层与内浸换热表面间的传热系数很高[200～400W/（m2?K）]，全床热容量大，热稳定性高，这些都有利于强放热反应的等温操作。这是许多工艺过程的反应装置选择流化床的重要原因之一。 流化床反应器的缺点 1、气体流动状态与活塞流偏离较大，气流与床层颗粒发生返混，以致在床层轴向没有温度差及浓度差。加之气体可能成大气泡状态通过床层，使气固接触不良，使反应的转化率降低。因此流化床一般达不到固定床的转化率。
3 釜式反应器 3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应： 325325+→+CH COOC H NaOH CH COONa C H OH 该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l ，反应速率常数等于5.6l/mol.min 。要求最终转化率达到95%。试问： （1） （1） 当反应器的反应体积为1m 3时，需要多长的反应时间？ （2） （2） 若反应器的反应体积为2m 3，，所需的反应时间又是多少？ 解：（1）002220 00001()(1)110.95169.6min(2.83) 5.60.0210.95 ===?---= ?=?-??Af Af X X A A A A A A A A A A A dX dX X t C C R k C X kC X h (2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为2.83h 。 3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应： 223222+→++CH ClCH OH NaHCO CH OHCH OH NaCl CO 以生产乙二醇，产量为20㎏/h ，使用15%（重量）的NaHCO 3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为1.02。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h ，要求转化率达到95%。 （1） （1） 若辅助时间为0.5h ，试计算反应器的有效体积； （2） （2） 若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。 解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为80.5,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h 每小时需氯乙醇：0.326680.5 91.11/0.9530%?=?kg h 每小时需碳酸氢钠：0.326684 190.2/0.9515%?=?kg h 原料体积流量：091.11190.2275.8/1.02+==Q l h 氯乙醇初始浓度：00.32661000 1.231/0.95275.8?==?A C mol l 反应时间： 02000110.95 2.968(1) 5.2 1.23110.95===?=-?-??Af Af X X A A A A B A A dX dX t C h kC C kC X 反应体积：0(')275.8(2.9680.5)956.5=+=?+=r V Q t t l （2） （2） 反应器的实际体积：956.512750.75= ==r V V l f 3.3丙酸钠与盐酸的反应： 2525+?+C H COONa HCl C H COOH NaCl 为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于50℃等温下进行该 反应的实验。反应开始时两反应物的摩尔比为1，为了确定反应进行的程度，在不同的反应时间下取出10ml 反应液用0.515N 的NaOH 溶液滴定，以确定未反应盐酸浓度。不同反应时间下，NaOH 溶液用量如下表所示：
流化床反应器 流化床反应器 流化床反应器是一种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（见煤气化炉）；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。 1产品分类 按流化床反应器的应用可分为两类：一类的加工对象主要是固体,如矿石的焙烧,称为 固相加工过程；另一类的加工对象主要是流体，如石油催化裂化、酶反应过程等催化反应 过程，称为流体相加工过程。 2结构形式 流化床反应器的结构有两种形式：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。 3产品优缺点 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，而且易于控制，特别适用于强放热反应；③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。然而， 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 存在很明显的局限性：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，导致不适当的产品分布，阵低了目的产物的 收率；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。近年来，细颗粒和高气速的湍流流化床及高速流化床均已有工 业应用。在气速高于颗粒夹带速度的条件下，通过固体的循环以维持床层，由于强化了气 固两相间的接触，特别有利于相际传质阻力居重要地位的情况。但另一方面由于大量的固 体颗粒被气体夹带而出，需要进行分离并再循环返回床层，因此，对气固分离的要求也就 很高了。（见流态化、流态化设备）
第七章酶反应器的类型与选择 ◆用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。 ◆按照结构的不同分为: 搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR）、鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR )、填充床式反应器(packed column reactor, PCR )、流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR)、膜反应器(Membrane Reactor, MR)等； ◆酶反应器的操作方式可以分为分批式反应(batch )、连续式反应(continuous )和流加分批式反应(feeding batch ); ◆将反应器的结构和操作方式结合一起，对酶反应器进行分类， 连续搅拌罐反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）、分批搅拌罐反应器（Batch Stirred Tank Reactor, BSTR）等。 1.酶反应器的类型
1.1搅拌罐式反应器： ◆搅拌罐式反应器(stirred tank reactor, STR)是有搅拌装置的一种反应器(图8-1，8-2所示)。◆在酶催化反应中是最常用的反应器。它由反应罐，搅拌器和保温装置组成。 ◆搅拌式反应器的操作方式可以根据需要采用分批式（batch）、流加分批式(feeding batch)和连续式(continuous)三种。与之对应的有分批搅拌罐式反应器和连续搅拌罐式反应器之分。 (1)分批搅拌罐式反应器： 图8-1 分批搅拌罐式反应器 (2)搅拌罐式反应器： 连续搅拌罐式反应器（continuous stirred tank reactor ,CSTR）的结构示意图如图8-2 图8-2 连续搅拌罐式反应器示意图 1.2填充床式反应器： 填充床式反应器(packed column reactor, PCR)是一种用于固定化酶进行催化反应的反应器。如图8-3所示。
流化床反应器 fluidized bed reactor(FBR) : 一种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。 流态化过程： 当流体向上流过颗粒床层时，其运动状态是变化的。流速较低时，颗粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙中通过。当流速增加到某一速度之后，颗粒不再由分布板所支持，而全部由流体的摩擦力所承托。此时，对于单个颗粒来讲，它不再依靠与其他邻近颗粒的接触而维持它的空间位置，相反地，在失去了以前的机械支承后，每个颗粒可在床层中自由运动；就整个床层而言，具有了许多类似流体的性质。这种状态就被称为流态化。颗粒床层从静止状态转变为流态化时的最低速度，称为临界流化速度。 流化床的性质： （1）在任一高度的静压近似于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重量； （2）无论床层如何倾斜，床表面总是保持水平，床层的形状也保持容器的形状； （3）床内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔口中排出；（4）密度高于床层表观密度的物体在床内会下沉，密度小的物体会
浮在床面上； （5）床内颗粒混合良好，因此，当加热床层时，整个床层的温度基本均匀。 一般的液固流态化，颗粒均匀地分散于床层中，称之为“散式”流态化；一般的气固流态化，气体并不均匀地流过颗粒床层，一部分气体形成气泡经床层短路逸出，颗粒则被分成群体作湍流运动，床层中的空隙率随位置和时间的不同而变化，因此这种流态化称为“聚式”流态化。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，而且易于控制，特别适用于强放热反应。但另一方面，由于返混严重，可对反应器的效率和反应的选择性带来一定影响。再加上气固流化床中气泡的存在使得气固接触变差，导致气体反应得不完全。因此，通常不宜用于要求单程转化率很高的反应。此外，固体颗粒的磨损和气流中的粉尘夹带，也使流化床的应用受到一定限制。为了限制返混，可采用多层流化床或在床内设置内部构件。这样便可在床内建立起一定的浓度差或温度差。此外，由于气体得到再分布，气固间的接触亦可有所改善。 近年来，细颗粒和高气速的湍流流化床及高速流化床均已有工业应用。在气速高于颗粒夹带速度的条件下，通过固体的循环以维持床层，由于强化了气固两相间的接触，特别有利于相际传质阻力居重要地位的情况。但另一方面由于大量的固体颗粒被气体夹带而出，需要
第七章 流化床反应器 1.所谓流态化就是固体粒子像_______一样进行流动的现象。（流体） 2.对于流化床反应器，当流速达到某一限值，床层刚刚能被托动时，床内粒子就开始流化起来了，这时的流体空线速称为_______。（起始流化速度） 3.对于液—固系统的流化床，流体与粒子的密度相差不大，故起始流化速度一般很小，流速进一步提高时，床层膨胀均匀且波动很小，粒子在床内的分布也比较均匀，故称作_______。（散式流化床） 4.对于气—固系统的流化床反应器，只有细颗粒床，才有明显的膨胀，待气速达到_______后才出现气泡；而对粗颗粒系统，则一旦气速超过起始流化速度后，就出现气泡，这些通称为_______。（起始鼓泡速度、鼓泡床） 5.对于气—固系统的流化床反应器的粗颗粒系统，气速超过起始流化速度后，就出现气泡，气速愈高，气泡的聚并及造成的扰动亦愈剧烈，使床层波动频繁，这种流化床称为_______。（聚式流化床） 6.对于气—固系统的流化床反应器，气泡在上升过程中聚并并增大占据整个床层，将固体粒子一节节向上推动，直到某一位置崩落为止，这种情况叫_______。（节涌） 7.对于流化床反应器，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，则粒子会被气流带出，这一速度称为_______。（带出速度或终端速度） 8.对于流化床反应器，当气速增大到某一定值时，流体对粒子的_______与粒子的_______相等，则粒子会被气流带出，这一速度称为带出速度。（曳力、重力） 9.流化床反应器的mf t u u /的范围大致在10～90之间，粒子愈细，比值_______，即表示从能够流化起来到被带出为止的这一范围就愈广。（愈大） 10.流化床反应器中的操作气速0U 是根据具体情况定的，一般取流化数mf U U 0在_______范围内。（1.5～10） 11.对于气—固相流化床，部分气体是以起始流化速度流经粒子之间的空隙外，多余的气体都以气泡状态通过床层，因此人们把气泡与气泡以外的密相床部分分别称为_______与_______。（泡相、乳相） 12.气—固相反应系统的流化床中的气泡，在其尾部区域，由于压力比近傍稍低，颗粒被卷了进来，形成了局部涡流，这一区域称为_______。（尾涡） 13.气—固相反应系统的流化床中的气泡在上升过程中，当气泡大到其上升速度超过乳相气速时，就有部分气体穿过气泡形成环流，在泡外形成一层所谓的_______。（气泡云） 14.气—固相反应系统的流化床反应器中的气泡，_______和_______总称为气泡晕。（尾涡、气泡云） 15.气—固相反应系统的流化床中，气泡尾涡的体积W V 约为气泡体积b V 的_______。（1/3） 16.气—固相反应系统的流化床，全部气泡所占床层的体积分率b δ可根据流化床高f L 和起 始流化床高mf L 来进行计算，计算式为=b δ_______。（f mf f L L L -） 17.在气—固相反应系统的流化床中设置分布板，其宗旨是使气体_______、_______、_______和_______为宜。（分布均匀、防止积料、结构简单、材料节省） 18.在流化床中设计筛孔分布板时，可根据空床气速0u 定出分布板单位截面的开孔数 or N =_______。（or or u d u 20 4） 19.在流化床中设计筛孔分布板时，通常分布板开孔率应取约_______，以保证一定的压降。（1%） 20.在流化床中为了传热或控制气—固相间的接触，常在床内设置内部构件，以垂直管最为常用，它同时具有_______，_______并甚至_______的作用。（传热、控制气泡聚、减少颗粒
流化床简介 按照床层的外形分类可分为圆筒形和圆锥形流化床。圆筒形流化床反应器结构简单，制造容易，设备容积利用率高。圆锥形流化床反应器的结构比较复杂，制造比较困难，设备的利用率较低，但因其截面自下而上逐渐扩大，故也具有很多优点： 1、适用于催化剂粒度分布较宽的体系由于床层底部速度大，较大颗粒也能流化，防止了分布板上的阻塞现象，上部速度低，减少了气流对细粒的带出，提高了小颗粒催化剂的利用率，也减轻了气固分离设备的负荷。这对于在低速下操作的工艺过程可获得较好的流化质量。2、由于底部速度大，增强了分布板的作用床层底部的速度大，孔隙率也增加，使反应不致过分集中在底部，并且加强了底部的传热过程，故可减少底部过热和烧结现象。 3、适用于气体体积增大的反应过程气泡在床层的上升过程中，随着静压的减少，体积相应增大。采用锥形床，选择一定的锥角，可适应这种气体体积增大的要求，使流化更趋平稳。 按照床层中是否设置有内部构件分类可分为自由床和限制床。床层中设置内部构件的称为限制床，未设置内部构件的称为自由床。设置内部构件的目的在于增进气固接触，减少气体返混，改善气体停留时间分布，提高床层的稳定性，从而使高床层和高流速操作成为可能。许多流化床反应器都采用挡网、挡板等作为内部构件。对于反应速度快、延长接触时间不至于产生严重副反应或对于产品要求不严的催化反应过程，则可采用自由床，如石油炼制工业的催化裂化反应器便是典型的一例。 按照反应器内层数的多少分类可分为单层和多层流化床。对气固相催化反应主要采用单层流化床。多层式流化床中，气流由下往上通过各段床层，流态化的固体颗粒则沿溢流管从上往下依次流过各层分布板，如用于石灰石焙烧的多层式流化床的结构。 按是否催化反应分类分为气固相流化床催化反应器和气固相流化床非催化反应器两种。以一定的流动速度使固体催化剂颗粒呈悬浮湍动，并在催化剂作用下进行化学反应的设备是气固相流化床催化反应器，它是气固相催化反应常用的一种反应器。而在气固相流化床非催化反应器中，是原料直接与悬浮湍动的固体原料发生化学反应。
第七章生物反应器的放大与控制 生物工程技术的最终目标是为人类提供服务，创造社会和经济效益。因此，一个生物工程产品必须经历从实验室到规模化生产直至成为商品的一系列过程，其研究开发包含了实验室的小试，适当规模中试和产业规模化生产等几个阶段。随着生物产品的生产规模增大，生物加工过程中的关键设备——生物反应器也逐渐增大。生物反应器的放大是生物加工过程的关键技术之一。 从小型的实验室生物反应器到生产规模的生物反应器，离不开工艺条件和参数优化。这时，就要对生物反应器的多项参数进行检测，利用自动化技术实现生物反应过程的最优控制。 本章就生物反应器的放大与计算、生物反应过程的参数检测与控制作一阐述。 第一节生物反应器的放大 生物反应过程的工艺和设备改进的研究，首先在小型设备中进行，然后再逐渐放大到较大的设备中进行。然而在实践中往往是小罐中获得的规律和数据，常常不能在大罐中再现。这就涉及反应器放大的问题。生物反应器的放大是指将研究设备中的优化的培养结果转移到高一级设备中加以重演的技术，实际上也兼具生物反应过程放大的含义。它是生物技术开发过程中的重要组成部分，也是生物技术成果得以实现产业化的关键之一。 反应器的放大涉及内容较多。除涉及微生物的生化反应机制和生理特性外还涉及化工放大方面的内容，诸如：反应动力学，传递和流体流动的机理等。因此，它是一个十分复杂的过程。 目前反应器的放大方法主要有：经验放大法、因次分析法、时间常数法和数学模拟法。 一、经验放大法 经验放大法是依据对已有生物反应器的操作经验所建立起的一些规律而进行放大的方法。这些规律多半是定性的，仅有一些简单的、粗糙的定量概念。由于该法对事物的机理缺乏透彻的了解，因而放大比例一般较小，并且此法不够精确。但是对于目前还难进行理论解析的领域，还要依靠经验放大法。对于生物反应器来说，到目前为止，应用较多的方法也是根据经验和实用的原则进行反应器的放大和设计。下面介绍一下具体的经验放大原则： （一）几何相似放大 生物反应器的尺寸放大大多数是利用几何相似原则放大。所谓的几何相似指的是两台设备的几何形状完全相似。在几何相似放大中，放大倍数实际上就是反应器体积的增加倍数，即： （7-1） （7-2） 和（7-3） 式中——反应器的高度，m； ——反应器的内径，m； ——反应器的体积，m3； 下标“1”——-模型反应器；
流化床反应器的设计 The final edition was revised on December 14th, 2020.
年产万吨烯烃流化床反应器设计 1 操作工艺参数 反应温度为：450℃ 反应压力为：(绝压) 操作空速为：1~5h-1 MTO成型催化剂选用Sr-SAPO-34 催化剂粒径范围为：30～80μm 催化剂平均粒径为60μm 催化剂颗粒密度为1500kg/m3 催化剂装填密度为 750kg/m3 催化性能：乙烯收率，%；丙烯收率，%；总收率，%。 水醇质量比为 甲醇在450℃下的粘度根据常压下气体粘度共线图查得为μ 甲醇450℃下的密度根据理想气体状态方程估算为m3 甲醇处理量：根据催化剂的催化性能总受率为%，甲醇的用量=烯烃质量×（32/14）/烯烃的生产要求是35000t/a，甲醇的量为89385/a。 2 操作气速 最小流化速度计算
mf U R = 1000 p d ep ρ μ >mf U R = 20 p d ep ρ μ <当流体流过颗粒床层的阻力等于床层颗粒重量时，床层 中的颗粒开始流动起来，此时流体的流速称为起始流化速度，记作U mf 起始流化速度仅与 流体和颗粒的物性有关，其计算公式如下式所示： 对于 的小颗粒 ()2U 1650p p mf d g ρρμ -= （1） 对于的大颗粒 ()1/2 d U 24.5p p mf g ρρρ??-=?? ???? （2） 式中：d p 为颗粒的平均粒径；ρp ，ρ分别为颗粒和气体的密度；μ为气体的粘度假设颗粒的雷诺数R ep <20，将已知数据代入公式（1）， 校核雷诺数： 将U mf 带入弗鲁德准数公式作为判断流化形式的依据散式流化， F rmf ＜；聚式流化，F rmf ＞。 代入已知数据求得 根据判别式可知流化形式为散式流化。 颗粒的带出速度Ut 床内流体的速度等于颗粒在流体中的自由沉降速度（即颗粒的重力等于流体对颗粒的曳力）时，颗粒开始从床内带出，此时流体的速度成为颗粒的带出速度U t 其最大气速不能超过床层最小颗粒的带出速度U t ，其计算公式如下式所示： 当U R = 0.4 d p t ep ρ μ <时， 2U 18d g p p t ρρμ??- ???= （3）
mf U R = 1000 p d ep ρ μ > 年产3.5 万吨烯烃流化床反应器设计 1 操 作工艺参数 反应温度为：450℃ 反应压力为：0.12MPa(绝压) 操作空速为：1~5h -1 MTO 成型催化剂选用Sr-SAPO-34 催化剂粒径范围为：30～80μm 催化剂平均粒径为60μm 催化剂颗粒密度为1500kg/m 3 催化剂装填密度为 750kg/m 3 催化性能：乙烯收率，67.1wt%；丙烯收率，22.4wt%；总收率，89.5wt%。 水醇质量比为0.2 甲醇在450℃下的粘度根据常压下气体粘度共线图查得为24.3μPa.s 甲醇450℃下的密度根据理想气体状态方程估算为0.54kg/m 3 甲醇处理量：根据催化剂的催化性能总受率为89.5wt%，甲醇的用量=烯烃质量×（32/14）/0.895 烯烃的生产要求是35000t/a ，甲醇的量为89385/a 。 2 操作气速 2.1 最小流化速度计算 当流体流过颗粒床层的阻力等于床层颗粒重量时，床层中的颗粒开始流动起来，
mf U R = 20 p d ep ρ μ <此时 流体的流速称为起始流化速度，记作U mf 起始流化速度仅与流 体和颗粒的物性有关，其计算公式如下式所示： 对于的小颗粒 ()2U 1650p p mf d g ρρμ -= （1） 对于的大颗粒 ()1/2 d U 24.5p p mf g ρρρ??-=?? ???? （2） 式中：d p 为颗粒的平均粒径；ρp ，ρ分别为颗粒和气体的密度；μ为气体的粘度假设颗粒的雷诺数R ep <20，将已知数据代入公式（1）， 校核雷诺数： 将U mf 带入弗鲁德准数公式作为判断流化形式的依据散式流化， F rmf ＜0.13；聚式流化，F rmf ＞0.13。 代入已知数据求得 根据判别式可知流化形式为散式流化。 2.2 颗粒的带出速度Ut 床内流体的速度等于颗粒在流体中的自由沉降速度（即颗粒的重力等于流体对颗粒的曳力）时，颗粒开始从床内带出，此时流体的速度成为颗粒的带出速度U t 其最大气速不能超过床层最小颗粒的带出速度U t ，其计算公式如下式所示： 当U R = 0.4 d p t ep ρ μ <时， 2U 18d g p p t ρρμ??- ???= （3）
3-1 在反应体积为3 1m 的间歇操作釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生成丙二醇 32232COHCHOHCH H →+O H COCHCH H 该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下的速率常数为0.981 -h ，原料液中环 氧丙烷的浓度为 2.1kmol/3 m ，环氧丙烷的最终转化率为90%。若辅助时间为0.65h ，一天24h 连续生产，试求丙二醇的日产量为多少？ 解 3223 2COHCHOHCH H →+O H COCHCH H ( A ) ( B ) 一级反应 h x k C C k t Af Af A 35.29 .011ln 98.0111ln 1ln 10=-=-== h m h m t t V v /3 1)65.035.2(13 300=+=+= 丙二醇日产量=Af A x C v 0024 =天/12.159.01.23 1 24kmol =??? kmol k /g 76M B = 丙二醇日产量天/kg 2.111492.11576Q =?= 3-2一个含有A 和B 液体)/0.04m ol c /10.0c (B00 L L mol A ==、 以体积流量2L/min 流入容积V R =10L 的全混流反应器，物料在最佳的条件下进行反应A →2B+C 。已知由反应器流出的物料中含有A 、B 和C ， L mol c Af /04.0=。试求：在反应器条件下，A 、B 和C 的反应速率？ 解 空时 min 5min /2100===L L v V R τ
min 5/)04.01.0(00L mol C C r r C C Af A Af Af Af A -= -= =-τ τ min /012.0?=L mol min)/(024.02?==L mol r r Af Bf min) /(012.0?==L mol r r Af Cf 3-3 一个液相反应： A+B →R+S 其中，m in) /(71 ?=mol L k ，m in)/(32 ?=mol L k 。 反应是在一个容积为120L 的稳态全混流反应器中进行的，两条加料线，一个保持2.8mol/L 反应物A 的加料浓度，另一个保持1.6mol/L 反应物B 的加料浓度，两条线分别以等体积速率进入反应器，要求指定组分转化率为75%。求每条线的加料流量？假设反应器密度为常数。 解 S R 1k 2 k +??←+? →?B A 因B 的浓度低，所以为指定组分，两条线混合后两组份的浓度各降一半， 因此，有： %751x 0 0=- =-= B Bf B Bf B Bf c c c c c L mol c Bf /2.0= L mol X C C c Bf B A Af /8.075.08.04.100=?-=-= 因此， S R 1k 2 k +??←+? →?B A 出口 初始 1.4 0.8 0 0 L mol c Af /8.0= 反应掉 0.6 0.6 生成 0.6 0.6 L mol c Bf /2.0=
流化床反应器 流化床反应器是一种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（见煤气化炉）；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。 1产品分类 按流化床反应器的应用可分为两类：一类的加工对象主要是固体,如矿石的焙烧,称为固相加工过程；另一类的加工对象主要是流体，如石油催化裂化、酶反应过程等催化反应过程，称为流体相加工过程。 2结构形式 流化床反应器的结构有两种形式：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。 3产品优缺点 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，而且易于控制，特别适用于强放热反应；③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。然而，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，流化床又存在很明显的局限性：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，导致不适当的产品分布，阵低了目的产物的收率；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。近年来，细颗粒和高气速的湍流流化床及高速流化床均已有工业应用。在气速高于颗粒夹带速度的条件下，通过固体的循环以维持床层，由于强化了气固两相间的接触，特别有利于相际传质阻力居重要地位的情况。但另一方面由于大量的固体颗粒被气体夹带而出，需要进行分离并再循环返回床层，因此，对气固分离的要求也就很高了。（见流态化、流态化设备） 相关文献 流化床反应器应用于高温煤气脱硫的研究进展-科技情报开发与经济-2011年第4期(21) PE流化床反应器床高和床重的测量及控制-合成树脂及塑料-2011年第2期(28) 曝气生物流化床反应器COD降解动力学分析-铁路节能环保与安全卫生-2011年第4期(1)
循环流化床 流化床反应器的优点 流化床内的固体粒子像流体一样运动，由于流态化的特殊运动形式，使这种反应器具有如下优点： 1、由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大（可高达3280~16400m2/m3），有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。 2、由于颗粒在床内混合激烈，使颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致，床层与内浸换热表面间的传热系数很高[200～400W/（m2?K）]，全床热容量大，热稳定性高，这些都有利于强放热反应的等温操作。这是许多工艺过程的反应装置选择流化床的重要原因之一。 3、流化床内的颗粒群有类似流体的性质，可以大量地从装置中移出、引入，并可以在两个流化床之间大量循环。这使得一些反应—再生、吸热—放热、正反应—逆反应等反应耦合过程和反应—分离耦合过程得以实现。使得易失活催化剂能在工程中使用。 4、流体与颗粒之间传热、传质速率也较其它接触方式为高。 5、由于流—固体系中孔隙率的变化可以引起颗粒曳力系数的大幅度变化，以致在很宽的范围内均能形成较浓密的床层。所以流态化技术的操作弹性范围宽，单位设备生产能力大，设备结构简单、造价低，符合现代化大生产的需要。流化床反应器的缺点 1、气体流动状态与活塞流偏离较大，气流与床层颗粒发生返混，以致在床层轴向没有温度差及浓度差。加之气体可能成大气泡状态通过床层，使气固接触不良，使反应的转化率降低。因此流化床一般达不到固定床的转化率。 2、催化剂颗粒间相互剧烈碰撞，造成催化剂的损失和除尘的困难。 3、由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的磨损严重。 虽然流化床反应器存在着上述缺点，但优点是主要的。流态化操作总的经济效果是有利的，特别是传热和传质速率快、床层温度均匀、操作稳定的突出优点，对于热效应很大的大规模生产过程特别有利。 综上所述，流化床反应器比较适用于下述过程：热效应很大的放热或吸热过程；要求有均一的催化剂温度和需要精确控制温度的反应；催化剂寿命比较短，
第七章生物反应器习题 1.何谓恒化器，何谓恒浊器，二者有何区别？ 2.某一酶促反应可以米氏方程表达，已知Km = 0.03mol/ L, r m=13 mol /(L?min),底物流量F = 10L/ min, 入口底物浓度S in= 10mol /L，底物的95%转化为产物，计算以下反 应器条件下所需反应器体积：（1）CSTR 条件下；（2）CPFR 条件下。 3． 初始浓度为0.1mol /m3的麦芽糖在酶的作用下加水水解生成葡萄糖， 底物流量 F = 0.002m3/ s ，转化率χ = 80%，反应符合米氏反应规律， r max= 4.39 ×10 -3mol/( m3?s) ,K =1.03mol /m3。求（1）采用单级CPFR 反应器时 所需体积；（2）采用单级CSTR 反应器时所需体积；（3）其他条件不变，采用两个CSTR 反应器时的反应体积；比较上述3 种情况。 4．利用海藻酸钙凝胶包埋法固定化葡萄汁酵母，采用填充床式反应器，连续加入葡萄糖底 =0.80的反应器。生物反应可采用米氏方程物，产物为乙醇。试设计一确定保转化率χ 2 来描述，已知， K′= 1.74 ×102mol /m3。空隙率为0.4; 入口处底物浓度为S in =10mol /m3；底物流量F = 5.0×10-3m3/ s 。 5. 带有挡板的通用式发酵罐，罐直径D1=0.5m，安装涡轮搅拌器，转速为150rpm，若以单位体积搅拌功率一定，放大至D2=1.5m，问大型罐涡轮搅拌器的转速N2 为多少？另外，若两罐内的液体循环速度相同，N2 为多少？假定以上各状态反应液均为湍流状态。 6. 有一发酵产品，采用具有六弯叶涡轮搅拌器的通用式发酵罐进行实验。经小罐到大罐逐步放大，试验证明：这种发酵能有效地采用单位体积等功率地放大方法。最后在500L 中间规模试验发酵罐中，得到最高产率时地工艺条件是：搅拌转速为300r/min；风量比 0.3m3/（m3?min），并测得在通风情况下得功率消耗为0.53kW。现放大到10m3，求大罐的工艺条件。罐的装填系数为0.7。
流化床反应器是一种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。 Fluidized bed reactor is a kind of reactors that make use of gas or liquid through granular solid layer to make the solid particles in a state of suspension movement, and conduct reaction process of gas-solid or liquid-solid reactor process.When fluidized bed reactor is used in gas-solid system, it also called ebullient bed reactor. 流化床反应器的结构有两种形式：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。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内，不发生明显变化的反应过程。 The structure of the fluidized bed reactor has two forms: (1)It contains a continuous feeding and discharging device with solid materials which is used in solid phase processing procedure or fluid phase processing procedure where catalyst deactivates quickly. (2)It doesn't contain a continuous feeding and discharging device with solid materials which is used in the reaction process that the properties of solid particles have no obvious changes in a long time. 流化床反应器的结构型式很多,但一般均由床层壳体、内部装置、换热装置、气固分离装置等组成。 There are a lot of the structural types of fluidized bed reactor.However, it generally consist of bed shell, internal device, the heat exchange device, gas-solid separation device, etc. （一）床层壳体。 床层壳体的作用是装载固体颗粒和保证流态化在所规定的范围内进行,这是最基本的作用。 (1) bed shell:The function of bed shell is to load solid particles and guarantee fluidization conduct within the prescribed scope,which is the most basic role. （二）内部装置。 内部装置包括气体分布器和内部构件，它们的作用主要是改善流化床的流化态。 (2) the internal device:Internal devices including gas distributor and internals, whose role is mainly to improve the fluidization states of fluidized bed. 1、气体分布器 气体分布器是流化床的主要构件之一。它具有支承催化剂、均布气体、气体整流、稳定操作,强化传热传质等作用。一般流化床气体分布器设计的要求是结构简单,阻力小,不漏料、不堵塞、制造方便等。 1, the gas distributor The gas distributor is one of the most primary components of fluidized bed. It has function of supported catalyst, uniform gas, gas rectifier, stable operation, strengthen the heat and mass transfer, and so on. General fluidized bed gas distributor design’s requirement is simple structure, small resistance, no leakage, no jam, easy fabrication, etc. 2、内部构件 内部构件的作用在于破碎并限制气泡长大,减少气固体返混,改变气体固体颗粒在床中的停留时间分布。流化床反应器的内部构件主要形式有管束（垂直管