第七章气固相催化反应流化床反应器

μ
umf： dP： ρ，ρP： Lmf： De ： μ：
初始流化速度 颗粒平均粒径 流体密度，颗粒密度 初始流化时的浓相段床高 流体的扩散系数 流体粘度
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浓相段和稀相段
• 当流体通过固体床层的空塔速度值高于 初始流化速度但低于逸出速度，颗粒在 气流作用下悬浮于床层中，所形成的流 固混合物称为浓相段。 • 在浓相段上升的气泡在界面上破裂，气 泡内颗粒以及受气泡挟带的乳化相中颗 粒将被抛向浓相段上方空间。这段空间 称为稀相段或称分离段。
流化床的缺点
• 1气体的流动状态难以描述，偏离平推 流，气泡使颗粒发生沟流，接触效率下 降； • 2颗粒在床层迅速混合，造成停留时间分 布不均匀； • 3脆性颗粒易粉碎被气流带走； • 4颗粒对设备磨损严重； • 5对高温非催化操作，颗粒易于聚集和烧 结。 8
流化床的工业应用
• 第一次工业应用： • 1922年 Fritz Winkler获德国专利，1926年 第一台高13米，截面积12平方米的煤气 发生炉开始运转。 • 目前最重要的工业应用： • SOD(Standard Oil Development Company) IV型催化裂化。
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散式流化和聚式流化
• （1）散式流态化 • 随着流体流量的加大，床层内空隙率增 大，颗粒之间间距加大，而颗粒在床层 中分布均匀，流体基本上以平推流形式 通过床层，人们称这种流化形式为散式 流态化。
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• （2）聚式流态化 • 在此类流态化形式中，床层明显地分成 两部分。其一是乳化相：固体颗粒被分 散于流体中，单位体积内颗粒量类似于 散式流化床的初始流化状态。其二是气 泡相：流体以气泡形式通过床层。
• 可以看出所作简化。
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• 前一项为粘滞力损失，后一项为动能损 失。 • 合并两式并整理： 2 3 ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ d u d u d ρ ρ 150(1 − ε mf ) ⎜ p g mf ⎟ 1.75 ⎜ p g mf ⎟ p ρ g (ρ s − ρ g ) ＋ =
3 φs2ε mf
⎜ ⎝
Δp × At = W = ( At Lmf )(1 − ε mf )( ρ s − ρ g ) Δp = (1 − ε mf )( ρ s − ρ g ) Lmf
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• 将上式与固定床压降方程(Ergun方程)相 结合，可得临界流化速度计算式。 • Ergun方程： 2 2 ⎛ 1 − ε B ⎞⎛ ρ g u0 ⎞ ( Δp 1 − ε B ) μu0 ⎟ ⎟⎜ = 150 + 1.75⎜
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
Re < 20
• 高雷诺数时，动能损失占主导，忽略前 一项：
d p ρ g umf 1.75 ⎛ ⎜ 3 ⎜ φsε mf ⎝ μ
3 ⎞ dp ρ g (ρ s − ρ g ) ⎟ = 2 ⎟ μ ⎠ 2
• 解得：
u
2 mf
φs d p ρ s − ρ g 3 = ε mf 1.75 ρ g
第七章
气固相催化反应流化床反应器
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• 流态化现象：使微粒固体通过与气体或 液体接触而转变成类似流体的操作。 • 固体颗粒层与流体接触的不同类型：
固 定 床 初 始 流 态 化 气体 聚式流态化 散式流态化 液体 流体流速增加
2
腾涌 稀相流态化
3
流化床的基本概念
• 当通过床层的流体流量较小时，颗粒受到的升力 （浮力与曳力之和）小于颗粒自身重力时，颗粒 在床层内静止不动，流体由颗粒之间的空隙通 过。此时床层称为固定床。 • 随着流体流量增加，颗粒受到的曳力也随着增 大。若颗粒受到的升力恰好等于自身重量时，颗 粒受力处于平衡状态，故颗粒将在床层内作上 下、左右、前后的激烈运动，这种现象被称为固 体的流态化，整个床层称为流化床。 4
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两种流态化的判别
• 一般认为液固流态化为散式流态化而气 固之间的流化状态多为聚式流态化。 • •
Frmf Re mf
ρ P ρ Lmf < 100 ρ De
为散式流态化 为聚式流态化
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Frmf Re mf
ρ P ρ Lmf > 100 ρ De
2 umf 弗鲁特数： Frmf = dP g d P umf ρ 雷诺准数： Re mf =
流化床类似液体的性状
• • • • • 轻的物体浮起； 表面保持水平； 固体颗粒从孔中喷出； 床面拉平； 床层重量除以截面积等于压强
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流化床的优点
• 1 颗粒流动类似液体，易于处理，控 制； • 2 固体颗粒迅速混合，整个床层等温； • 3 颗粒可以在两个流化床之间流动、循 环，使大量热、质有可能在床层之间传 递； • 4 宜于大规模操作； • 5 气体和固体之间的热质传递较其它方式 高； 7 • 6 流化床与床内构件的给热系数大。
Re > 1000
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• 对中等雷诺数，两项都要考虑。 • 计算出临界流化速度后要进行验算，看 雷诺数是否在适用范围之内。 • 2 带出速度（终端速度）： • 当流体对颗粒的曳力与颗粒的重量相 等，颗粒会被流体带走：
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床高 稀相段 浓相段 颗粒含量 浓相段和稀相段
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流态化的不正常现象
• 沟流：由于流体分布板设计或安装上存 在问题，使流体通过分布板进入浓相段 形成的不是气泡而是气流，称沟流。沟 流造成气体与乳化相之间接触减少，传 质与反应效果明显变差。 • 节流（腾涌）计算
• 1 初始流化速度： • －－颗粒开始流化时的气流速度 • （气体向上运动时产生的曳力）＝（床 层体积）×（固体颗粒分率）×（颗粒 密度），即：
L
3 εB
(φ d )
s p
2
⎜ ε 3 ⎟⎜ φ d ⎟ ⎝ B ⎠⎝ s p ⎠
• 与考虑固定床压降时的方程对照：
2 ⎞⎛ 1 − ε B ⎞⎛ ρ g um ⎞ dP ⎛ 150 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ =⎜ + 1.75 ⎟ 3 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ dl ⎝ Re m ⎠⎝ ε B ⎠⎝ d s ⎠
μ
⎟ φ ε3 ⎜ ⎠ s mf ⎝
μ
⎟ ⎠
μ2
• 低雷诺数时，粘滞力损失占主导，忽略 后一项：
d p ρ g u mf 150(1 − ε mf ) ⎛ ⎜ 2 3 φs ε mf ⎜ ⎝ μ
3 ⎞ dp ρ g (ρ s − ρ g ) ⎟= 2 ⎟ μ ⎠
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• 解得：
3 φs2 d p2 (ρ s − ρ g ) ⎛ ε mf ⎜ umf＝ ⎜1− ε 150 μ mf ⎝