化学反应工程(第三版)第七章-流化床反应器

1、2021/3/271第七章第七章 流化床反应器流化床反应器2021/3/272 流态化流态化:固体粒子像流体一样进行流动的现象。固体粒子像流体一样进行流动的现象。 一、流态化的形式一、流态化的形式气泡气泡7.1 概述概述图图 7-1 流态化的各种形式流态化的各种形式2021/3/273结构简单传热效能高,床层温度均匀气固相间传质速率较高催化剂粒子小,效能高有助于催化剂循环再生催化剂和设备磨损大气流不均时气固相接触效率降低返混大,影响产品质量均一性石油催化裂化丙烯-氨氧化制丙烯腈萘氧化制邻苯二甲酸酐煤燃烧与转化金属提取和加工二、流化床反应器的特点二、流化床反应器的特点三、流化床反应器的重要应用三

2、、流化床反应器的重要应用2021/3/2747.2 流化床中的气、固运动流化床中的气、固运动 7.2.1 流化床的流体力学 二个特征速度:临界流化速度、带出速度（1）临界流化速度）临界流化速度 （umf） 刚刚能使粒子流化起来的气体刚刚能使粒子流化起来的气体空床流速空床流速。 确定确定umf的方法的方法 a. 实验测定实验测定gLAWppmfmft)(1 (（7-1）2021/3/275b. 经验关联式计算经验关联式计算临界流态化时临界流态化时,对床层受力平衡分析得对床层受力平衡分析得ppp1p2gVpmf)1 ( gVmf)1 ( 即即gLppmfmf)(1 (固定床中流动压降也可由欧根公式

3、计算固定床中流动压降也可由欧根公式计算因为因为整理得整理得式中式中, 是颗粒的形状系数是颗粒的形状系数,部分颗粒的部分颗粒的 值可由手册查取。值可由手册查取。 是临界是临界空隙率空隙率,其值与颗粒直径和形状等有关，也可由手册查取。若查不到，其值与颗粒直径和形状等有关，也可由手册查取。若查不到，可由以下二式估算。可由以下二式估算。SmfS（7-2）（7-1）gLAWppmfmft)(1 (23223)()1 (150175. 1pSmfmfmfpSmfmfmfmfduduLp233223)()1 (15075. 1gdududppmfpmfSmfmfpmfS2021/3/276式（式（7-5）代

4、入式（）代入式（7-2）可导出）可导出小颗粒小颗粒,ReP1000时时,欧根公式中第二项可忽略欧根公式中第二项可忽略,式（式（7-2）简化为）简化为:应用以上各式计算时要注意应用以上各式计算时要注意: a. 对具有一定筛分的颗粒要用调和平均直径对具有一定筛分的颗粒要用调和平均直径 。 1650)(2gdupPmf111 , 141323mfSmfmfS（7-5）7 .33)(0408. 07 .332/1232gdudppmfp（7-6）5 .24)(2gduppmf（7-7）（7-8）piipdxd/12021/3/277b. 雷诺数中特性尺寸是颗粒的直径雷诺数中特性尺寸是颗粒的直径,密度和

5、粘度是气体的物性。密度和粘度是气体的物性。udmfPPRec.计算所得到的计算所得到的 要代入到雷诺数中要代入到雷诺数中,检验选用的公式是否符合规检验选用的公式是否符合规定的范围。定的范围。（2）带出速度）带出速度 当气速增大到一定值时当气速增大到一定值时,流体对粒子的曳力与粒子的重力相等流体对粒子的曳力与粒子的重力相等,则则粒子将会被气流带走，此时气体的空床速度即带出速度，或称终端速粒子将会被气流带走，此时气体的空床速度即带出速度，或称终端速度。度。 颗粒的带出速度等于其自由沉降速度，对球形固体颗粒，可用以颗粒的带出速度等于其自由沉降速度，对球形固体颗粒，可用以下公式计算下公式计算:mfu式

6、中式中, xi颗粒各筛分的重量百分数颗粒各筛分的重量百分数; dPi颗粒各筛分的平均直径颗粒各筛分的平均直径; d1,d2 上、下筛目的尺寸。上、下筛目的尺寸。2/ )( 2121ddddddPiPi或2021/3/278 存在大量颗粒的流化床中存在大量颗粒的流化床中,粒粒子沉降会互相干扰子沉降会互相干扰,按单个粒子计按单个粒子计算的带出速度需校正。算的带出速度需校正。ttuFu0校正式中式中,校正系数校正系数F0可由右图查取。可由右图查取。4 . 0 18)(2eppptRgdu500 0.4 )(22543122eppptRdgu200000 500 )(1 . 321eppptRgdu注

7、意注意:以上各式求得的以上各式求得的ut也都需代入到也都需代入到Rep中检验。中检验。（7-14）（7-15）（7-16）2021/3/2796 .9177147）式（）式（mftuu讨论讨论:流化床的操作气速流化床的操作气速72. 887167）式（）式（mftuu （i）流化床中,气体操作流速的下限是umf,上限是ut。小颗粒大颗粒（ii）细颗粒床层中,气体操作流速的范围更宽。（iii）实用操作气速的确定a. 流化数105 . 10mfuub.4 . 01 . 00tuu2021/3/2710（3）流化床的膨胀比 流化床的体积与起始流化时床层体积之比。 膨胀比是流化床反应器设计的重要参数,

8、影响因素比较多,如颗粒的尺寸、物性,流体的流速和物性，床层尺寸和内部构件的形式等。右图反映了气速和床径对膨胀比的影响。由图可见，气速越大，床径越小则膨胀比越大。R值一般在1.152之间。 fmffmfmffLLR11（7-20）2021/3/2711解解:算术平均值算术平均值（小颗粒）（小颗粒）（7-7）（7-7） 例题例题p2021/3/2712,由式（由式（7-14）由带出速度的校正系数图由带出速度的校正系数图,查得查得F0=1,故不需校正。故不需校正。2021/3/27137.2.2 气泡及其行为气泡云气泡云（1）气泡的结构 气泡 气泡晕 （气泡云+尾涡） 气泡晕中粒子浓度与乳化相相同,

9、包在气泡周围,伴随着气泡一起上升。 流化床层由固体颗粒密集区域（乳化相）和固体颗粒很少的区域（气泡相）组成,气泡的结构和行为是分析流化床特性和建立数学模型的基础。（2）气泡的速度 气泡上升速度是影响气泡相与乳化相之间传质和传热的重要因素。根据不同的模型和实验数据,整理出一些经验公式。 7-102021/3/2714a. 单个气泡上升速度单个气泡上升速度scm)(gd.u/bbr/ 711021式中式中, db气泡直径气泡直径, ,cm cm ; ; g g 重力加速度重力加速度, ,980 cm/s980 cm/s2 2。b. b. 气泡群上升速度气泡群上升速度scm)(gd.uuu/bmfb

10、/ 7110210 事实上床层内气泡大小是不均匀的事实上床层内气泡大小是不均匀的,且是不断长大的且是不断长大的,有人提出有人提出一些不同的经验式。由于气泡行为的复杂性一些不同的经验式。由于气泡行为的复杂性,现有的经验公式都存在现有的经验公式都存在一定的局限性。一定的局限性。c. 气泡中气体的穿流量气泡中气体的穿流量scmRuqbmf/ 332式中式中,Rb气泡半径气泡半径,cm。（7-28）（7-29）2021/3/2715mfmffuu/（3）气泡云与尾涡（i）气泡云相对厚度二维床）( 2fbrfbrbCuuuuRR三维床）( 23fbrfbrbCuuuuRR式中, 为乳相中真实气速。三维床

11、）( 3322bmffmfRuRuqb（7-39）（7-40）注意:气泡云的实际厚度为RCRb。（ii） 气泡中气体的穿流量二维床）( 44bmffbmfRuRuq（7-41）（7-42）2021/3/2716（iii）尾涡的体积分率1wwbwwwaaVVVfbwwVVa/式中,（7-43） 由图7-11可见,fw与颗粒的粒径、形状等因素有关。图图 7-11 尾涡体积与粒径的关系尾涡体积与粒径的关系2021/3/2717bmfmfbmfbuuuauuuu00)1 (（iv）气泡云、气泡晕与气泡的体积比bccVVa/wcbwcaaVVVa/ )(（7-45）（v）气泡占床层的体积分率 假设假设:

12、进入床层的气流分为两个部分,一部分是以ub流动的气泡,另一部分则以umf在乳相中流动。床层达到临界流态化以后,床层高度增加的部分完全是气泡所作的贡献。对气流进行物料衡算（7-46）故)1 (0bbmfbbauuu（7-47）或fmffbLLL 2021/3/2718bwmfmfbmfmfmfcVVugdu/)(711. 0/3)1 (2/1（4）床层中各部分的颗粒含量与气泡体积之比（i）气泡中的颗粒含量全部气泡的总体积全部气泡中颗粒的体积b（7-48）,01. 0001. 0b通常可忽略。（ii）气泡晕中的颗粒含量（7-49）（iii）乳相中的颗粒含量因为气泡晕中的情况与乳相相同,即相当于临界

13、流化状态,将式（7-40）关系引入,可导得:bwcmfcVVV )1 (（7-50）bcbbmfbcbfe)1)(1 ()1 (（7-51）2021/3/27197.2.3 乳相的动态乳相的动态 乳相是指床层中气泡相之外的区域。该区域内颗粒密集,是发生化学反应的主要场所。（1）床层中颗粒的流动 在上升气泡作用下,乳相中的颗粒形成上下循环和杂乱无章的随机运动。这种运动促使颗粒快速混合均匀。图图7-12 颗粒运动示意图颗粒运动示意图注意注意:颗粒运动规律与床层结构有关。 浅床层:中心下降,外围上升。 深床层:中心上升,外围下降。 在按装挡板或挡网等内部构件的床层中,颗粒的自由运动受到阻碍，其行程变

14、得更加复杂。2021/3/2720（2）粒度及粒度分布的影响 根据颗粒粒度大小对床层流化性的能影响,将颗粒分为4类。 A类:细颗粒,粒度范围20100m。 B类:较粗颗粒,粒度范围40500m。 C类:易黏结颗粒，粒度范围600m。 确定颗粒粒度的原则: a. 颗粒粒径应在A类或B类范围内。 b. 颗粒应具有适当的粒度分布。讨论讨论:为何流化床中颗粒要有一定的为何流化床中颗粒要有一定的粒度分布粒度分布?图图 7-7 根据流化特性的粒子分类根据流化特性的粒子分类2021/3/2721（3）乳相中的气体流动状况 流化床中,大部分气体以气泡形式通过床层,乳化相中气量很少,甚至可忽略，但它的返混对化学

15、反应的影响往往并不能被忽略。 乳化相中气体流动较复杂,存在位置随机变化的向上流区域和回流区域。 向上流区域:以umf速度向上流动的气体; 回流区域:被大于umf速度向下回流的颗粒所吸附和裹夹的气体。 定常态操作时床层截面上平均上流与回流量大致恒定。当气速增大时,回流量相应增大。当流化数u0/umf611时,乳化相中气体回流量将超过上流量，净流量成为向下流动的了。2021/3/27227.2.4 分布板与内部构件分布板与内部构件 一、分布板一、分布板 （1）分布板的类型）分布板的类型图图 7-14 分布器的若干形式分布器的若干形式2021/3/2723（2）设计或选择分布板的基本要求 气体分布均

16、匀,防止积料, 结构简单,材料节省，压降合理。Bdpp%20%10OcmH352二、内部构件 （1）种类 垂直管、水平管、多孔板、水平挡网、斜片百叶窗挡板,等。 （2）作用 传热,控制气泡聚并,改变气-固相流动和接触状况，减少颗粒带出。2021/3/27247.3.1 床层与外壁间的传热床层与外壁间的传热 床层内传热床层内传热主要包括:固体颗粒之间、颗粒与流体之间、床层与换热面之间的传热。因床内温度均一,前二项可忽略。 床层与换热面之间的传热系数由下式定义TAhqww（7-61） 该式是由大量实验数据关联得到的该式是由大量实验数据关联得到的,适用面较广适用面较广,误差小于误差小于 50%。7.

17、3 流化床中的传递过程流化床中的传递过程36. 0002 . 0204 . 076. 004 . 016. 0fmfmfPPpPSPPPwLLuuugduccudcdh（7-59）式中,Aw 传热面积;T 床层与壁面间的平均温差。 hw 给热系数,可用经验关联式或关联图计算。（i）关联式计算2021/3/2725（7-62）式中,Lh 换热面高度; dt 床层直径; 无因次量,由图7-25查取。 设计时,可取以上两式分别计算,然后选取其中较小的hw值计算传热量。3.7.2 床层与浸没于床内的换热面之间的传热床层与浸没于床内的换热面之间的传热 也有许多经验关联式也有许多经验关联式,此处仅以垂直管

18、为例。此处仅以垂直管为例。)/)(/(44. 0exp5 . 71)/()1/()/(pspthpppsfpwccdLccdh（7-63）单位单位:s/cm2应用范围应用范围:（ii）关联图计算66. 08 . 023. 0043. 0)1 (01844. 0pPPSPPfRPwccudccdh2201010/udP平均偏差平均偏差:20%图图 7-25 器壁给热系数关联图器壁给热系数关联图2021/3/2726 cR 管子距床中心位置的校正系数,可由下图查取。 由图可见,将垂直管安装于距床层中心1/3半径处,传热系数较高。rR 图图 7-26 cRr/R关联图关联图2021/3/2727解解

19、:（1）计算器壁给热系数（2）计算床层中心垂直管壁给热系数查图7-25得,0 . 1102)4 . 0)(5 . 0)(101 (540udP4108将 及有关数据代入式（7-62）计算得)W/(m 7642Khw床层中心:cR=1,将数据代入式（7-63）计算得 04. 15 . 01000003. 1088. 110349. 05 . 0003. 1)7 . 01)(1 (01844. 066. 08 . 023. 043. 0Pwdh2021/3/2728)W/(m 0 .256 4 .36372. 12Khw在 r/R=1/2 处,查图7-26得 cR=1.72,故)W/(m 363.

20、4 )101/()0349. 0(04. 124Khw故2021/3/27297.3.3 颗粒与流体间的传质颗粒与流体间的传质 流化床中主要考虑粒子与流体间的传质,关键是确定其传质系数kG。计算的经验关联式可由文献查取,应用时要注意公式的适用条件和范围。（7-66）适用条件和范围: 液-固流化床a. b. 适用条件和范围: 液-固和气-固流化床5 . 00320)05. 081. 0(udDukpG0.630.43 ; 1000100 ； 50050Dudp43. 00320) 1 . 06 . 0(udDukpG0.750.43 ; 2000.60 ； 2000500Dudp（7-67）20

21、21/3/27307.3.4 气泡与乳相间的传质气泡与乳相间的传质 相间传质的途径,见图7-27。 气泡 气泡晕 乳相设气泡在 dt 时间内在床层上升 dl 距离,以单位气泡体积为基准的组分A的传递速率为:budldt/图图 7-27 相间交换示意图相间交换示意图)()(1AcAbbbcAbAbAbbccKdldcudtdnV)()(AeAcbceccK)()(AeAbbbeccK（7-68）bceK )(由式（7-68）可导得总括交换系数 与相间交换系数 与 的关系如下:bbeK )(bbcK )(bcebbcbbeKKK)(1)(1)(1（7-69）2021/3/2731单个气泡与外界交换

22、组分A的量为式中,穿流量)(2AcAbbcbAbcckdqdtdn 扩散传质系数由下式估算:4/54/12/13285. 55 . 4)6/()(bbmfbbcbbbcdgDdudkdqK22433bbduRuqmfmf(cm/s) )/(975. 04/12/1bbcdgDk（7-71）（7-70）（7-42）式（7-70）与式（7-68）比较,可得（7-72）213278. 6)/()(bbmfebbcbccebceduDVddSkKbceK )(（7-73）式中,De 气体在乳相中的扩散系数,其值在之间。DDmf2021/3/2732解:（1）scmgdubbr/4 .70)10980(

23、711. 0)(711. 02/12/1cmdscmub10,/5014/54/12/14/54/12/124. 11098039. 085. 5102 . 05 . 485. 55 . 4)(sdgDduKbbmfbbcscmuuuubrmfb/2 .754 .702 . 0501213213899. 0102 .756 . 039. 078. 678. 6)(sduDKbbmfebce6 . 0mf1521. 0899. 0124. 11/1)(1)(1/1)(sKKKbcebbcbbe2021/3/2733cmdscmub20,/50（2）scmubr/6 .99)20980(711.

24、02/114/54/12/1529. 02098039. 085. 5202 . 05 . 4)(sKbbescmub/4 .1046 .992 . 051213374. 0204 .1046 . 039. 078. 6)(sKbce1219. 0374. 01529. 01/1)(sKbbe气泡直径对相间交换系数的影响较为显著气泡直径对相间交换系数的影响较为显著,气泡直径增大气泡直径增大,相间相间交换系数减小。交换系数减小。2021/3/2734cmdscmub10,/500（3）scmubr/4 .70)10980(711. 02/114/54/12/124. 11098039. 085.

25、 5102 . 05 . 4)(sKbbescmub/2 .1204 .702 . 050121314. 1102 .1206 . 039. 078. 6)(sKbce1595. 014. 1124. 11/1)(sKbbe气速对总括交换系数的影响较小。气速对总括交换系数的影响较小。讨论讨论:提高相间交换系数的措施提高相间交换系数的措施?2021/3/2735 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解决反应器放大和控制以及相关的最优化问题。化问题。7.4.1

26、 模型的类别模型的类别 （1）简单均相模型）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上流相（气上流相（气+固）固） 下流相（气下流相（气+固）固）气泡相气泡相 气泡云气泡云乳化相乳化相 其它还有气泡模型、四区模型等其它还有气泡模型、四区模型等,有些模型还考虑了分布器和自有些模型还考虑了分布器和自由空间等的影响。由空间等的影响。7.4 流化床的数学模型2021/3/2736 以上各种模型以上各种

27、模型,大多数以气泡直径作为模型参数大多数以气泡直径作为模型参数,根据气泡直径根据气泡直径是否可变分为以下几种情况是否可变分为以下几种情况: （1）各参数为常数）各参数为常数,不随床高变化，也与气泡状况无关不随床高变化，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）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。泡直径作为模型的可调参数。 （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

28、际情况比较符合，但尚无一个被公认为可普遍使用的数学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型为例，介绍模型。下面以两种比较典型的两相模型和鼓泡床模型为例，介绍建立数学模型的思路。建立数学模型的思路。2021/3/27377.4.2 两相模型两相模型（1）物理模型）物理模型 如图如图7-28所示。所示。（2）基本假设）基本假设图图 7-28（7-79）2021/3/2738（3）模型参数）模型参数 模型参数为气泡直径模型参数为气泡直径,根据基本假定可导出其表达式。根据基本假定可导出其表达式。 设单位体积床层中气泡个数为设单位体积床层中气

29、泡个数为Nb,单个气泡体积为单个气泡体积为Vb,上升速上升速度为度为ubr。)(0mfttbbuuAdtdlAVN由基本假设由基本假设由基本假设由基本假设即即mfbrbbuuuVN0mfbrmffbbfLuuuLVNL)1 ()1 (02/10)(711. 0)(bmfmfffbrgduuLLLu20711. 01mfmfffbuuLLLgd整理得整理得（7-82） 以下以一级不可逆反应为例讨论流化床反应器的两相模型。以下以一级不可逆反应为例讨论流化床反应器的两相模型。2021/3/2739一、乳化相流况为全混流一、乳化相流况为全混流（1）数学模型对床层高度为l处的气泡作物料衡算因为乳化相是全

30、混流,ce为常数,故上式可直接积分。利用边界条件 l=0,cb=ci，积分上式得:按单位床层截面对乳化相作物料衡算 + + + =fLbbdlcQN0)1 (bbfecVNLckimfcuefbcQLNemfcu + = + + )(begbbbbbccSkqdldcVudtdcV（7-83）bbVuQleiebecccc/)(（7-84）kc是以乳相体积为基准定义的反应速率常数。cico(ce)o(cb)o2021/3/2740上式化简得式（式（7-83）式（式（7-85）和式（）和式（7-80）及式（）及式（7-81）联立可解得）联立可解得由床层出口总物料衡算（7-87）式中式中,有关符号

31、的定义如下有关符号的定义如下: )1 ()()1)(/bbfeceimfVuQleibbbVNLckccueccuVNbb（7-85）00000)()(emfbmfcucuucu（7-86）)1 ()1 (20XXXiZekZeZecc01uuZmfFpWkuLkkrmfc0(无量纲）)/(3 . 1)(34. 64/ 12/ 12/ 10bmfbbmfbfdgDugddLVuQLX（7-88）pkdtdnWrr12021/3/2741二、乳相为平推流二、乳相为平推流（1）数学模型）数学模型对床层任一处高度为对床层任一处高度为dl的一段床层作物料衡算的一段床层作物料衡算对床内高度为对床内高度为

32、l处单个气泡处单个气泡作物料衡算作物料衡算式中式中,kC是以床层乳化相体积为基准定义的反应速率常数。是以床层乳化相体积为基准定义的反应速率常数。运用式（运用式（7-88）定义的几个关系式代入物料衡算方程化简得模型方）定义的几个关系式代入物料衡算方程化简得模型方程如下程如下:0)1 ()(0bbecbmfemfVNckdldcuudldcu（7-89）)(begbbbbbccSkqdldcVudtdcV（7-83）0)1 (0)(febeebfbLcKdldcZdldcZccLXdldc（A）（B）2021/3/2742（2）边界条件）边界条件（3）模型求解）模型求解 式（式（A）和式（）和式（

33、B）联立）联立,消去消去ce得得:根据二阶常系数线性微分方程的通解得根据二阶常系数线性微分方程的通解得0)()1 (222bbfbfXckdldckXLdlcdZL（7-90）lmlmbeAeAc212100; 0dldc lcclbib（7-91）)1 (2)1 (4)()(,221ZLXkZkXkXmmf（7-92）式中式中,2021/3/2743A1、A2是积分常数。将边界条件代入式（是积分常数。将边界条件代入式（7-91）得）得:上式对上式对l求导求导,再代入式（再代入式（A）得）得将将 l=Lf 代入上面二式代入上面二式,可得到反应器出口处反应组分在气泡相和乳化可得到反应器出口处反应

34、组分在气泡相和乳化相中的浓度相中的浓度(cb)o和和(ce)o。对反应器出口处反应组分进行衡算得。对反应器出口处反应组分进行衡算得:代入有关浓度表达式得代入有关浓度表达式得)(122121lmlmibememmmcclmflmfieemmXLemmXLmmcc211221211100000)()(emfbmfcucuucu01202121011112uuXLmemuuXLmemmmccmffLmmffLmiff（7-94）2021/3/2744采用两种模型对臭氧分解反应的计算结果。采用两种模型对臭氧分解反应的计算结果。（7-94）（7-87）2021/3/27452021/3/2746解解:假设假设Re20,由式（由式（7-7）计算）计算umf