流化床反应器的设计知识讲解

流化床反应器的设计(shèjì)第一页，共31页。一、固体(gùtǐ)流态化基本概念

二、流化床反应器三、流化床反应器中的传质(chuánzhì)和传热四、流化床反应器的参数(cānshù)及其工艺计算五、流化床的数学模型第二页，共31页。一、固体(gùtǐ)流态化基本概念:1、流态化：固体粒子像流体一样进行流动的现象。除重力作用外一般(yībān)是依靠气体或液体的流动来带动固体颗粒运动的。固体(gùtǐ)流态化分为几种形式如下：（a)固定床(b)临界流化床(c)流化床(d)气流输送床第三页，共31页。1、流态化的形式(xíngshì)第四页，共31页。1、流态化的形式(xíngshì)（1）散式流化床:①颗粒均匀地分布在整个流化床。②随着流速增加床层均匀膨胀。③床内孔隙率均匀增加。④床层上界面(jièmiàn)平稳，压降稳定、波动(2)聚式流化床:聚式流态化出现在流-固密度差较大的体系。2.散式流化床和聚式流化床第五页，共31页。1、流态化的形式(xíngshì)以气泡形式夹带(jiādài)少量颗粒穿过床层向上运动的不连续的气泡称为气泡相颗粒浓度与空隙率分布较为均匀(jūnyún)且接近初始流态化状态的连续相，称为乳化相。散式流化床聚式流化床第六页，共31页。1、流态化的形式(xíngshì)①一般情况(qíngkuàng)两种流化床的判别：3.两种流化(liúhuà)态的判别散式流化床聚式流化床颗粒与流体之间的密度差是它们主要区别气固流化为聚式流化液固流化为散式流化第七页，共31页。1、流态化的形式(xíngshì)②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(qíngkuàng)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：研究(yánjiū)表明：为散式流化为聚式流化第八页，共31页。二、流化床反应器（FluidizedBed）流化床反应器是：利用气体或液体自下而上通过固体颗粒(kēlì)床层而使固体颗粒(kēlì)处于悬浮运动状态,并进行气固相反应或液固相反应的反应。在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。第九页，共31页。1、概述(ɡàishù)流化床反应器广泛应用于气固催化反应器，由于流化床反应器具有传热性能好、温度均匀的特点，已成为强放热反应或对温度特别敏感的反应过程重要设备。如成功应用于萘催化氧化制备(zhìbèi)邻苯二甲酸酐、丙烯氨氧化制备(zhìbèi)丙烯腈等。第十页，共31页。2.流化床反应器的工作(gōngzuò)原理催化剂在气流的作用下呈流态化。被处理的气体由下部进气管进入(jìnrù)，经过流化床发生催化反应，在经高温过滤器分离催化剂后，由排气管排放。为防止催化剂颗粒堵塞过滤器，从上部喷入某种气体进行周期性反吹清灰。流化床内还设有列管式换热器，以控制反应温度。第十一页，共31页。3、流化床反应器的特点(tèdiǎn)结构简单(jiǎndān)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第十二页，共31页。4、流化床反应器的结构(jiégòu)流化床反应器类型按固体颗粒(kēlì)是否在系统内循环分（1）单器流化床（2）双器流化床按床层的外型分(1)圆筒形(2)圆锥形按床层中是否置有内部构件分(1)自由床(2)限制床按反应器内层数的多少分(1)单层(2)多层第十三页，共31页。反应器主体(zhǔtǐ)流化床反应器主要由壳体、内部构件、换热装置(zhuāngzhì)、气固分离装置(zhuāngzhì)组成。第十四页，共31页。三、流化床反应器中的传质(chuánzhì)和传热流化床反应器中的传质(chuánzhì)颗粒与流体(liútǐ)间的传质气泡与乳化相间的传质1、流化床反应器中的传质第十五页，共31页。（1）颗粒与流体间的传质①气体(qìtǐ)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。②乳化相中的气体(qìtǐ)与颗粒接触良好，而气泡中的气体(qìtǐ)与颗粒接触较差。气泡云③关键是确定(quèdìng)其传质系数kG。第十六页，共31页。由于流化床反器中的反应实际上是在乳化(rǔhuà)相中进行的，所以气泡与乳化(rǔhuà)相间的气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，对于选择合理的床型和操作参数都相关。（2）气泡与乳化相间(xiāngjiàn)的传质相间(xiāngjiàn)传质的途径，气泡→气泡晕→乳相第十七页，共31页。理想流体的流化床压降与流速(liúsù)固定床阶段：如图AB段压力降△P随着(suízhe)流速u的增加而增加流化床阶段(jiēduàn)：如图DE段所示床层的压力降保持不变。流体输送阶段：压降与流化速度无关。压降第十八页，共31页。实际(shíjì)流化床的压降与流速：颗粒之间由于相互接触，部分颗粒可能有架桥、嵌接等情况(qíngkuàng)，造成开始流化时需要大于理论值的推动力才能使床层松动，即形成较大的压力降。原因(yuányīn)：第十九页，共31页。2、流化床反应器中的传热(chuánrè)具有温度分布均匀和传热速率高的特点，特别(tèbié)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。传热(chuánrè)的三种基本形式：①固体颗粒之间的传热(chuánrè)②固体颗粒与流体之间的传热(chuánrè)③床层与换热面之间的传热(chuánrè)第二十页，共31页。临界流化(liúhuà)速度umf（小颗粒(kēlì)）（大颗粒(kēlì)）由上式看出，影响临界流化速度的因素有：①颗粒直径②颗粒密度③流体黏度四、流化床反应器的参数及其工艺计算1、气体流速第二十一页，共31页。

实际操作气速u0①选定依据是流化(liúhuà)数即u0/umf，通常为1.5~10②还可以按照u0/ut=0.1~0.4原则选取，所用气体流速一般在0.15~0.5左右。带出速度(sùdù)ut第二十二页，共31页。2、流化床床反应器的工艺(gōngyì)计算首先(shǒuxiān)选型再确定床高床径，内部(nèibù)构件最后计算压力降①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第二十三页，共31页。②流化床的直径(zhíjìng)—气体(qìtǐ)的体积流量,—反映(fǎnyìng)器直径,—放映器的绝对温度(K)和绝对压力(Pa)—以T、p计的表观气流,第二十四页，共31页。③流化床的床高：(1)临界(línjiè)流化床高(2)流化床高床层膨胀(péngzhàng)比R空隙(kòngxì)率

和

为临界状态和实际操作条件下床层的平均密度。第二十五页，共31页。3.流化床反应器压力降计算(jìsuàn)流化床反应器压力降气体(qìtǐ)分布板压力降流化床压力降分离(fēnlí)设备压力降第二十六页，共31页。4、气体(qìtǐ)分布板（1）分布(fēnbù)板的类型第二十七页，共31页。（2）分布板的作用①具有均匀分布气流的作用，同时(tóngshí)其压降要小。②能使流化床有一个良好的起始流态化状态。③操作过程中不易被堵塞和磨蚀。（3）分布(fēnbù)板的压力降计算开孔率；阻率系数(xìshù)，其值在1.5-2.5第二十八页，共31页。（4）设计或选择分布板的基本要求气体分布均匀，防止积料，结构简单(jiǎndān)，材料节省，压降合理。5、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(chuánrè)，控制气泡聚并，改变气-固相流动和接触状况，减少颗粒带出。第二十九页，共31页。建立数学模型的目的是要定量地分析(fēnxī)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。模型的类别（1）简单均相模型全混流模型(móxíng)活塞(huósāi)流模型{