流化床反应器的设计ppt课件

1、1 目录目录v（一）流态化基本概念v（二）流化床反应器中的传质v（三）流化床反应器中的传热v（四）流化床反应器的主要参数及工艺计算v （五）流化床反应器的数学模型2（一）流态化的基本概念（一）流态化的基本概念v 1.固体流态化现象固体流态化现象v 将固体颗粒悬浮于运动的流体中，使颗粒具有类似于流体的某些宏观特性，这种流固接触状态称为固体流态化。v 固体流态化分为几种形式如下：v （a)固定床固定床 v (b)临界流化床临界流化床v (c)流化床流化床 v (d)气流输送床气流输送床3图图1-1不同流速时床层的变化不同流速时床层的变化4v2.散式流化床和聚式流化床散式流化床和聚式流化床v（1）散

2、式流化床）散式流化床:v 颗粒均匀地分布在整个流化床。v 随着流速增加床层均匀膨胀。v 床内孔隙率均匀增加。 v 床层上界面平稳，压降稳定、波动v (2) 聚式流化床聚式流化床:v 聚式流态化出现在流-固密度差较大的体系 。5散式流化床散式流化床聚式流化床聚式流化床以气泡形式夹带少量颗粒穿过以气泡形式夹带少量颗粒穿过床层向上运动的不连续的气泡床层向上运动的不连续的气泡称为气泡相称为气泡相 图图1-2流化床的类型流化床的类型返回返回63.两种流化态的判别液固流化为散式流化液固流化为散式流化v 一般情况两种流化床的判别一般情况两种流化床的判别：散式流化床散式流化床聚式流化床聚式流化床颗粒与流体之间

3、的颗粒与流体之间的密度差密度差是它们主要区别是它们主要区别气固流化为聚式流化气固流化为聚式流化7v特殊（压力较高的气固系统或者用较轻的液体流化较重的颗粒）情况下两种流化床判别： wilhelm和郭慕孙首先先用弗劳德数来区分两种流化态： gdupmfmfFr213. 0mfFr3.1mfFr研究表明：研究表明：为散式流化为散式流化为聚式流化为聚式流化8（二）流化床反应器中的传质（二）流化床反应器中的传质流化床反应器中的传质流化床反应器中的传质颗粒与流体间的传质颗粒与流体间的传质气泡与乳化相间的传质气泡与乳化相间的传质9（1）颗粒与流体间的传质）颗粒与流体间的传质 气体进入床层后，部分通过乳化相流

4、动，其余则以气泡形式通过床层。气体进入床层后，部分通过乳化相流动，其余则以气泡形式通过床层。 乳化相中的气体与颗粒接触良好，而气泡中的气体与颗粒接触较差。乳化相中的气体与颗粒接触良好，而气泡中的气体与颗粒接触较差。 原因是气泡中几乎不含颗粒，气体与颗粒接触的主要区域集中在气泡与气泡晕的相界面和原因是气泡中几乎不含颗粒，气体与颗粒接触的主要区域集中在气泡与气泡晕的相界面和尾涡处。尾涡处。10（2）气泡与乳化相间的传质气泡与乳化相间的传质 由于流化床反器中的反应实际上是在乳化相中进由于流化床反器中的反应实际上是在乳化相中进行的，所以气泡与乳化相间的气体交换作用非常重要。行的，所以气泡与乳化相间的气

5、体交换作用非常重要。相间传质速率与表面反应速率的快慢，对于选择合理相间传质速率与表面反应速率的快慢，对于选择合理的床型和操作参数都相关。的床型和操作参数都相关。返回返回11（三）流化床反应器中的传热（三）流化床反应器中的传热 （1）流化床反应器内的传热流化床反应器内的传热 流化床反应器具有温度分布均匀和传热速率高的特点，特别适于产生大量反应热的化学反流化床反应器具有温度分布均匀和传热速率高的特点，特别适于产生大量反应热的化学反应，同时换热器的传热面积可以减小，结构更紧凑。应，同时换热器的传热面积可以减小，结构更紧凑。 12（2）传热的三种基本形式：）传热的三种基本形式： 固体颗粒与固体颗粒之间

6、的传热固体颗粒与固体颗粒之间的传热 固体颗粒与流体间的传热固体颗粒与流体间的传热 床层与器壁或换热器表面的传热床层与器壁或换热器表面的传热 这三种传热的基本形式中，前两种传热速度比后一种要大得多，所以要提高整个流化床的这三种传热的基本形式中，前两种传热速度比后一种要大得多，所以要提高整个流化床的传热速度，关键就在于提高后一种传热速度。传热速度，关键就在于提高后一种传热速度。返回返回13（四）流化床反应器的参数及其工艺计算（四）流化床反应器的参数及其工艺计算 v 理想流体的流化床压降与流速 固定床阶段：如图固定床阶段：如图AB段压力降段压力降P随着流速随着流速u的增加而增加的增加而增加 。流化床

7、阶段：如图流化床阶段：如图DE段所示床层的压力降保持不变段所示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。流体输送阶段：流体的压力降与流体在空管道中相似。 图图1-3流化床压降流化床压降-流速关系流速关系14v 实际流化床的压降与流速：图图1-4实际流化床的实际流化床的P-u关系图关系图15v 临界流化速度（起始流化速度，也称最低流化速度）：颗粒层由固定床转化为流化床时流体的表现速度，用表示。 对于小颗粒： mfuffppmfgdu1650)(2)20(eR16对于大颗粒： )1000(eRffppmfgdu5 .24)(2用上述各式计算时,应将所得 值代入 中，

8、检验其是否符合规定范围。如不符合，应重新选公式计算。mfuffmfpudRe17v实际流化床与理想流化床差异的原因：实际流化床与理想流化床差异的原因：v形成的原因是固定床阶段，颗粒之形成的原因是固定床阶段，颗粒之v间由于相互接触，部分颗粒可能有架桥、嵌接等情况，造成开始流化时需要大于间由于相互接触，部分颗粒可能有架桥、嵌接等情况，造成开始流化时需要大于v理论值的推动力才能使床层松动，即形成较大的压力降。理论值的推动力才能使床层松动，即形成较大的压力降。18v计算临界流化速度的经验或半经验关联式很多，下面再介绍一种便于应用而有准确的介绍公计算临界流化速度的经验或半经验关联式很多，下面再介绍一种便

9、于应用而有准确的介绍公式：式：v 06. 088. 094. 082. 1)(00923. 0fffppmfdum/s式中只适用于式中只适用于Re10,即较细颗粒。即较细颗粒。由上式看出，影响临界流化速度的因素有：由上式看出，影响临界流化速度的因素有：颗粒直径颗粒直径 颗粒密度颗粒密度 流体黏度流体黏度19v气泡上升速度是气泡的重要参数之一。流化床单个气泡的上升速度气泡上升速度是气泡的重要参数之一。流化床单个气泡的上升速度 可取：可取：bru21)(711. 0ebrgdu在实际床层中，出现成群上升的气泡时，上升速度一般用下式计算：21)(711. 0emfbrgduuued 为气泡的当量直径

10、是与球形顶盖气泡体积相等的球形直径单位为m。20v颗粒带出速度，也称终端速度。用颗粒带出速度，也称终端速度。用“ ”表示表示tu21)(34Dffpptgdu对于球形颗粒等速沉降时，可得出下式：对于球形颗粒等速沉降时，可得出下式：21D阻力系数，是阻力系数，是 的函数。对球形粒子：的函数。对球形粒子：fftpeuudRttDRe2421Re10tD43. 0D)4 .0(Ret)500Re4 . 0(t)10*2Re500(5t式中22分别代入式，得：ffptgdu18)(2pfffptdgu3/122)(22542/1)(1 . 3ffpptgdu)4 . 0(Re t)500Re4 . 0

11、(t)10*2Re500(5t23对于非球形粒子，D可用非对应的经验公式计算，或者查阅相应的图表对于上面的公式还可以考察对于大,小颗粒流化范围的影响对细粒子，当对细粒子，当4 . 0Re 对大颗粒，对大颗粒， 当当1000Re 6.91mftuu72.8mftuu24v2.流化床床反应器的工艺计算 再确定床高床径，内部构件最后计算压力降选型：主要应根据工艺过程特点来考虑，即化学反应特点、颗粒或催化剂的特性、对产品的要求即生成规模。v 首先选型25 5210013. 1273360041pTuDQRupTQupTQDR982800132.4360027310013.145气体的体积流量气体的体积

12、流量,hm /3RDpT,Qu反映器直径反映器直径, m放映器的绝对温度放映器的绝对温度(K)和绝对压力和绝对压力(Pa)以以T、p计的表观气流计的表观气流,sm/流化床的直径：流化床的直径：26流化床的床高：流化床的床高：（1）临界流化床高(2)流化床高(3)稳定段高度mfLfLDL)1 (42mfPRFmfDWL（根据床层膨胀比（根据床层膨胀比R R可求出）可求出）mffRLL床层膨胀比的定义床层膨胀比的定义: :mmffmfmffLLR)11 ( 和和 为临界状态和实际操作条件下床层的平均密为临界状态和实际操作条件下床层的平均密度。度。mmfm273.流化床反应器压力降计算流化床反应器压

13、力降计算v流化床反应器压力降气体分布板压力降气体分布板压力降流化床压力降流化床压力降分离设备压力降分离设备压力降28 气体分布板的类型与作用气体分布板的类型与作用29v作用：v具有均匀分布气流的作用，同时其压降要小。 v能使流化床有一个良好的起始流态化状态。 v操作过程中不易被堵塞和磨蚀。30分布板的压力降计算v流体通过分布板的压降可用床内表观速度的速度头倍数来表示：流体通过分布板的压降可用床内表观速度的速度头倍数来表示：guCpfDD222807.9DpDC分布板压降，分布板压降，PaPa；开孔率；开孔率；阻率系数，其值在阻率系数，其值在1.5-2.51.5-2.531v分布板的临界压力降v

14、 临界压降是指分布板能起到均匀布气并具有良好稳定性的最小压降，它与分布板下面的气体引入及分布板上床层有关。v分布板的压力降分为布气临界压降布气临界压降和稳定性临界压降。稳定性临界压降。guPfdcD218000)(2开孔率小于开孔率小于1%径向流径向流速趋于均匀。速趋于均匀。32五五 流化床的数学模型流化床的数学模型 建立数学模型的目的是要定量地分析影响流化床性能的各个参数之间的数建立数学模型的目的是要定量地分析影响流化床性能的各个参数之间的数学关系，解决反应器放大和控制以及相关的最优化问题。学关系，解决反应器放大和控制以及相关的最优化问题。7.4.1 模型的类别模型的类别 （1）简单均相模型

15、）简单均相模型全混流模型全混流模型活塞流模型活塞流模型（2）两相模型）两相模型气泡相（活塞流）气泡相（活塞流） 乳化相（活塞流）乳化相（活塞流）气泡相（活塞流）气泡相（活塞流） 乳化相（全混流）乳化相（全混流）（3）三相模型）三相模型气泡相气泡相 气泡云气泡云乳化相乳化相气泡相气泡相上流相（气上流相（气+固）固） 下流相（气下流相（气+固）固）33以上各种模型，大多数以气泡直径作为模型参数，根据气泡直径是否可变分为以下几种情以上各种模型，大多数以气泡直径作为模型参数，根据气泡直径是否可变分为以下几种情况：况： （1）各参数为常数，不随床高变化，也与气泡状况无关；）各参数为常数，不随床高变化，也与气泡状况无关； （2）各参数为常数，不随床高变化，用一恒定不变的当量气泡直径作为模型的可调参）各参数为常数，不随床高变化，用一恒定不变的当量气泡直径作为模型的可调参数。数。 （3）各参数与气泡大小有关，气泡大小随床高变化。）各参数与气泡大小有关，气泡大小随床高变化。 迄今为止，已提出很多流化床数学模型，也有一些应用的实例与实际情况比较符合，迄今为止，已提出很多流化床数学模型，也有一些应用的实例与实际情况比较符合，但尚无一个被公认为可普遍使用的数学模型。下面以两种比较典型的两相模型和鼓泡床模但尚无一个被公认为可普遍使用的数学模