《反应工程》第七章 流化床反应器
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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。
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。
《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案第二章均相反应动力学基础2-4三级气相反应2NO+O22NO2,在30℃及1kgf/cm2下反应,已知反应速率常数2kC=2.65×104L2/(mol2 s),若以rA=kppApB表示,反应速率常数kp应为何值?解:原速率方程rA=dcA2cB=2.65×104cAdt由气体状态方程有cA=代入式(1)2-5考虑反应A课所以kp=2.65×104×(0.08477×303) 3=1.564后当压力单位为kgf/cm2时,R=0.08477,T=303K。
答p p 2rA=2.65×10 A B =2.65×104(RT) 3pApBRT RTp表示的动力学方程。
解:.因,wwnAp=A,微分得RTVdaw案24网pAp,cB=BRTRT3P,其动力学方程为( rA)=dnAn=kA。
试推导:在恒容下以总压VdtVδA=3 1=21dnA1dpA=VdtRTdt代入原动力学方程整理得wdpA=kpAdt设初始原料为纯A,yA0=1,总量为n0=nA0。
反应过程中总摩尔数根据膨胀因子定义δA=n n0nA0 nA若侵犯了您的版权利益,敬请来信通知我们!Y http://.cn.co(1)mol/[L s (kgf/cm2) 3]m(1)则nA=nA01(n n0)δA1(P P0)δA(2)恒容下上式可转换为pA=P0所以将式(2)和式(3)代入式(1)整理得2-6在700℃及3kgf/cm2恒压下发生下列反应:C4H10发生变化,试求下列各项的变化速率。
(1)乙烯分压;(2)H2的物质的量,mol;(3)丁烷的摩尔分数。
解:P=3kgf/cm2,(1)课MC4H10=58,(2)w.krC2H4=2( rC4H10)=2×2.4=4.8kgf/(cm2 s)PC4H10=PyC4H101 dpC4H10= P dt2.4-1==0.8 s 3w(3)nC4H10=nyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10)yC4H10dnH2dtdnH2dt=hdaw后n0=nC4H10,0=δC4H10rC4H10=反应开始时,系统中含C4H*****kg,当反应完成50%时,丁烷分压以2.4kgf/(cm2 s)的速率dyC4H10dt答1rCH=2.4224wdnC4H10dt案116×1000=2000mol582+1 1==21网dyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10) dt=2000×(1+2×1×0.5)×0.8=3200 mol/s若侵犯了您的版权利益,敬请来信通知我们!Y http://.cno2C2H4+H2,dP=k[(δA+1)P0 P]=k(3P0 P)dtm(3)dpA1dP= dtδAdt2-9反应APS,( r1)=k1cA , ( r2)=k2cp,已知t=0时,cA=cA0 ,cp0=cS0=0, k1/k2=0.2。
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)mf t u u /10.流化床反应器中的操作气速是根据具体情况定的,一般取流化数0Umf 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_______。
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 mff 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 204)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、减少颗粒带出)21.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,但很少使用水平构件,它对颗粒和气体的上下流动起一定的阻滞作用,从而导致床内产生明显的_______梯度和_______梯度。
(温度、浓度)22.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,但很少使用水平构件,它对颗粒和气体的上下流动起一定的_______作用,从而导致床内产生明显的温度梯度和浓度梯度。
(阻滞)23.气—固相反应系统的流化床反应器中,由于上升气泡的尾涡中夹带着颗粒,它们在途中不断的与周围的颗粒进行着交换,大量的颗粒被夹带上升,这种循环相当剧烈,所以自由床中的颗粒可认为是_______的。
(全混)24.气—固相反应系统的流化床存在着_______、_______、_______及_______四类区域。
(气泡区、泡晕区、上流区、回流区)25.当气流连续通过流化床的床层时,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,这种现象称为_______。
(场析)26.当气流连续通过流化床的床层时,床层内那些带出速度_______操作气速的颗粒将不断被带出去,这种现象称为场析。
(小于)27.如果在流化床反应器的出口处要加二级旋风分离系统作为回收装置时,旋风分离器的第一级入口理应安置在_______处。
(分离高度)28.在流化床反应器中,当达到某一高度以后,能够被重力分离下来的颗粒都以沉积下来,只有带出速度小于操作气速的那些颗粒才会一直被带上去,故在此以上的区域颗粒的含量就近乎恒定了,这一高度称作_______。
(分离高度)29.描述流化床的数学模型,对于气、乳两相的流动模式一般认为气相为_______,而对乳相则有种种不同的流型。
(平推流)30.描述流化床的数学模型,对于气、乳两相的流动模式一般认为_______相为平推流,而对_______相则有种种不同的流型。
(气、乳)31.描述流化床的数学模型,按照模型考虑的深度而分的第Ⅱ级模型中,各参数值均为恒值,不随床高而变,但与气泡的大小_______。
(有关)32.描述流化床的数学模型,按照模型考虑的深度而分的第Ⅱ级模型中,各参数值均为_______,不随床高而变,但与气泡的大小有关。
(恒值)33.描述流化床的数学模型,按照模型考虑的深度而分的第Ⅱ级模型中,各参数值均为恒值,不随_______而变,但与气泡的大小有关。
(床高)34.描述流化床的数学模型,按照模型考虑的深度而分的第Ⅰ级模型中,各参数值均为恒值,不随床高而变,但与气泡的大小_______。
(无关)35.描述流化床的数学模型,按照模型考虑的深度而分的第Ⅲ级模型中,各参数均与气泡的大小_______,而气泡大小则沿_______而变。
(有关、床高)36.描述流化床的气泡两相模型,以0U 的气速进入床层的气体中,一部分在乳相中以起始流化速度mf U 通过,而其余部分(mfU U -0)则全部以_______的形式通过。
(气泡)37.描述流化床的气泡两相模型,以0U 的气速进入床层的气体中,一部分在乳相中以起始流化速度mf U 通过,而其余部分_______则全部以气泡的形式通过。
[(mf U U -0)]38.描述流化床的气泡两相模型,气泡相为向上的_______式流动,其中无催化剂粒子,故不起反应,气泡大小均一。
(平推)39.描述流化床的气泡两相模型,反应完全在乳相中进行,乳相流动状况可假设为_______或_______。
(全混流、平推流)40.描述流化床的气泡两相模型,反应完全在_______相中进行,乳相流动状况可假设为全混流或平推流。
(乳)41.描述流化床的气泡两相模型,气泡与乳相间的交换量Q 为_______与_______之和。
(穿流量q、扩散量)42.描述流化床的鼓泡床模型,它相当于mf U U /0_______时,乳相中气体全部下流的情况,工业上的实际操作大多属于这种情况。
(>6~11)43.描述流化床的鼓泡床模型,由于气速较大,因此该模型假定__________________________________,_____________________________,这样只需计算气泡中的气体组成便可算出反应的转化率。
(床顶出气组成完全可用气泡中的组成代表,而不必计及乳相中的情况)44.流化床反应器的开发和放大,国内外都有许多成功的经验,但一般都是从_______、_______、_______方面进行考虑和改进的。
(催化剂性能、操作条件、床层结构)45._______是指同时存在两个或更多相态的反应系统所进行的反应过程。
(多相反应过程)46.多相反应过程是指同时存在_______相态的反应系统所进行的反应过程。
(两个或更多)47.当前用于描述气—液两相流相间传质的模型有两大类:一是按_______来处理的双膜模型;一是按_______处理模型,如溶质渗透模型和表面更新模型。
(稳态扩散、非稳态扩散)48.当前用于描述气—液两相流相间传质的模型有两大类:一是按稳态扩散来处理的_______;一是按非稳态扩散处理模型,如_______和_______。
(双膜模型、溶质渗透模型、表面更新模型)49.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。
(B)A.0.1~0.4B.1.5~10C.10~15D.0.4~1.550.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t u U 0在_______范围内。
(A)A.0.1~0.4B.1.5~10C.10~15D.0.4~1.551.在流化床反应器中,气泡的尾涡体积w V 约为气泡体积b V 的_______。
(B)A.1/4 B.1/3 C.2/3 D.1/252.下列哪一项不属于流化床反应器按深度而分的第Ⅱ级模型的特点_______。
(C)A.各参数均为恒值B.参数值不随床高而变C.参数值与气泡大小无关D.参数值与气泡大小有关53简述聚式流化床的形成?答: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。
54.简述鼓泡床的形成?答: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,待气速达到起始鼓泡速度后才出现气泡;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,这些通称为鼓泡床。
55.简述描述流化床的特征流速的定义?答:特征流速为起始流化速度和带出速度。
1)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。
2)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。
56.简述流化床反应器中节涌床的特点?答:对于气—固系统,床径很小,而床高与床径比较大时,气泡在上升过程中可能聚并增大甚至达到占据整个床层截面的地步,将固体粒子一节节的往上柱塞式的推动,直到某一位置而崩落为止,这种情况为节涌,此时的流化床为节涌床。