化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)案17[化工13]_胡江良

1、完美 WORD格式化學(xué)反應(yīng)工程課程教案17課時2課 型理論課討論課課次（請打?qū)嶒炚n 習(xí)題課）其他授課題目（教學(xué)章、節(jié)或主題） ：第 7 章 氣固相催化反應(yīng)流化床反應(yīng)器7.3 流化床反應(yīng)過程的計算教學(xué)目的、要求（分掌握、熟悉、了解三個層次）：1. 掌握流化床的基本概念；2. 掌握流化床的工藝計算；教學(xué)重點及難點：重點：固定床催化反應(yīng)器的特點、類型和設(shè)計要求。難點：一維擬均相理想流動模型對反應(yīng)器進行設(shè)計計算。教學(xué)基本內(nèi)容方法及手段7.1 流化床的基本概念講解流態(tài)化現(xiàn)象：使微粒固體通過與氣體或液體接觸而轉(zhuǎn)變成類似流體的操作。固體顆粒層與流體接觸的不同類型：7.1.1 流化床的基本概念1） 當(dāng)通過床層

2、的流體流量較小時，顆粒受到的升力 （浮力與曳力之和）小于顆粒自身重力時，顆粒在床層內(nèi)靜止不動，流體由顆粒之間的空隙通過。此時床層稱為固定床。2） 隨著流體流量增加，顆粒受到的曳力也隨著增大。若顆粒受到的升專業(yè)知識分享完美 WORD格式力恰好等于自身重量時，顆粒受力處于平衡狀態(tài)，故顆粒將在床層內(nèi)作上下、 左右、前后的激烈運動， 這種現(xiàn)象被稱為固體的流態(tài)化，整個床層稱為流化床。曳力（表面曳力、形體曳力）曳力是流體對固體的作用力，而阻力是固體壁對流體的作用力，兩者是作用力與反作用力的關(guān)系。表面曳力由作用在顆粒表面上的剪切力引起，形體曳力由作用在顆粒表面上的壓強力扣除浮力部分引起。3). 流化床類似液

3、體的性狀（ a ） 輕的固體浮起；（ b ）表面保持水平；（ c ）固體顆粒從孔中噴出；（ d ）床面拉平；（ e ）床層重量除以截面積等于壓強流化床的優(yōu)點(1) 顆粒流動類似液體，易于處理、控制；(2) 固體顆粒迅速混合，整個床層等溫；(3) 顆?？梢栽趦蓚€流化床之間流動、循環(huán)，使大量熱、質(zhì)有可能在床層之間傳遞；(4) 宜于大規(guī)模操作；(5) 氣體和固體之間的熱質(zhì)傳遞較其它方式高；(6) 流化床與床內(nèi)構(gòu)件的給熱系數(shù)大。流化床的缺點專業(yè)知識分享完美 WORD格式(1) 氣體的流動狀態(tài)難以描述，偏離平推流，氣泡使顆粒發(fā)生溝流，接觸效率下降；(2) 顆粒在床層迅速混合，造成停留時間分布不均勻；(3

4、) 脆性顆粒易粉碎被氣流帶走；(4) 顆粒對設(shè)備磨損嚴重；(5) 對高溫非催化操作，顆粒易于聚集和燒結(jié)流化床的工業(yè)應(yīng)用? 第一次工業(yè)應(yīng)用：? 1922 年 Fritz Winkler 獲德國專利， 1926 年第一臺高 13 米，截面積 12 平方米的煤氣發(fā)生爐開始運轉(zhuǎn)。? 目前最重要的工業(yè)應(yīng)用：?SOD(Standard Oil Development Company) IV型催化裂化。散式流態(tài)化和聚式流態(tài)化P185（ 1）散式流態(tài)化隨著流體流量的加大，床層內(nèi)空隙率增大，顆粒之間間距加大，而顆粒在床層中分布均勻， 流體基本上以平推流形式通過床層， 人們稱這種流化形式為散式流態(tài)化。（ 2）聚式

5、流態(tài)化在此類流態(tài)化形式中，床層明顯地分成兩部分。其一是乳化相：固體顆粒被分散于流體中，單位體積內(nèi)顆粒量類似于散式流化床的初始流化狀態(tài)。其二是氣泡相：流體以氣泡形式通過床層。兩種流態(tài)化的判別一般認為液固流態(tài)化為散式流態(tài)化而氣固之間的流態(tài)化多為聚式流態(tài)化 P185PLmf100Fr mf RemfDePLmf100Frmf RemfD e為散式流態(tài)化為聚式流態(tài)化2弗魯特數(shù)： FrmfumfdPg雷諾準數(shù)： RemfdPumf專業(yè)知識分享完美 WORD格式umf：初始流態(tài)化速度dP：顆粒平均粒徑 ， P：流體密度，顆粒密度Lmf：初始流態(tài)化時的濃相段床高De：流體的擴散系數(shù) ：流體粘度濃相段和稀相段

6、（P185-186 ）1). 當(dāng)流體通過固體床層的空塔速度值高于初始流化速度但低于逸出速度 (p188) ，顆粒在氣流作用下懸浮于床層中，所形成的流固混合物稱為濃相段。2). 在濃相段中上升的氣泡在界面上破裂，氣泡內(nèi)顆粒以及受氣泡挾帶的乳化相中顆粒將被拋向濃相段上方空間。這段空間稱為稀相段或稱分離段。整個流化床反應(yīng)器由濃相段和稀相段組合而成。3) 流態(tài)化的不正常現(xiàn)象在流態(tài)化操作中溝流和節(jié)涌是聚式流化床兩種常見的不正常操作情況。溝流：由于流體分布板設(shè)計或安裝上存在問題，使流體通過分布板進入濃相段形成的不是氣泡而是氣流，稱溝流。溝流造成氣體與乳化相之間接觸減少，傳質(zhì)與反應(yīng)效果明顯變差。節(jié)涌（騰涌）

7、在流化床內(nèi)徑較小而床高與床徑比較大時，氣泡在上升過程中因聚并而增大，氣泡有可能占據(jù)整個床層截面，氣流將床層一節(jié)節(jié)地往上做柱塞式推動，在上升到某一位置而崩落，流化床的正常操作被破壞。這種現(xiàn)象稱節(jié)涌（騰涌）。流化床反應(yīng)器的特點：P1867.2 流化床的工藝計算1 、指根據(jù)已知氣體流量及催化劑用量，計算反應(yīng)器的床層內(nèi)徑以及反專業(yè)知識分享完美 WORD格式應(yīng)器的床層高度。1 初始流化速度：顆粒開始流化時的氣流速度（氣體向上運動時產(chǎn)生的曳力）（床層體積）（固體顆粒分率）（顆粒密度），即：p AtW ( At Lmf )(1 mf )( sg ) gpmf )( sg ) g(1Lmf? 將上式與固定床壓

8、降方程 (Ergun 方程 )相結(jié)合，可得臨界流化速度計算式。? Ergun 方程： (s-顆粒外表面利用系數(shù)）22p150 1Bu01.75 1Bgu0323sd pLBsdpB與考慮固定床壓降時的方程對照：dP1501 Bg um2dl1.753dsRemB可以看出所作簡化。前一項為粘滯力損失，后一項為動能損失。合并兩式并整理：mfdp g umf1.75 dp g umf2150 1dp3gsg g2332smfs mf低雷諾數(shù)時，粘滯力損失占主導(dǎo)，忽略后一項：150 1mfdp gumfdp3gsg232s mf? 解得：高雷諾數(shù)時，動能損失占主導(dǎo)，忽略前一項：專業(yè)知識分享完美 WOR

9、D格式223s dpsgmfumf 1 mf150Re2高雷諾數(shù)時，動能損失占主導(dǎo)，忽略前一項：1.75 dp g umf2dp3gsg32s mf解得2sdpsg 3Re 1000umf1.75mfg對中等雷諾數(shù)，兩項都要考慮。計算出臨界流化速度后要進行驗算，看雷諾數(shù)是否在適用范圍之內(nèi)。2 逸出速度（終端速度）：當(dāng)流體對顆粒的曳力與顆粒的重量相等，顆粒會被流體帶走： 31gdp226 dpsg2 CD g 4ut4 Ar , Ar3p) 阿基米德數(shù)可整理成 : CD Rep2dp g (23? CD- 曳力系數(shù)對于單顆粒，有半經(jīng)驗公式：CD24Re 2對應(yīng)dp2sg gReu1821104

10、s23CD2Re 500對應(yīng)ggdp1uRe2225dp12CD0.43500Re20000對應(yīng)u 5.52sg? 以上計算是針對一個顆粒的，在流化床內(nèi)由于顆粒間有相互影響，故逸出速度由此速度值再加以校正而得。專業(yè)知識分享完美 WORD格式? u T=Fu? Re10 時， Re-F 見下圖? 3 反應(yīng)器內(nèi)徑的計算VG ：氣流的體積流量m 3 s-1dT：流化床內(nèi)徑mu：氣流的空塔流速m.s -1可見，流化床的內(nèi)徑取決于氣流的空塔氣速，而流化床的空塔氣速應(yīng)介于初始流化速度（也稱臨界流化速度）與逸出速度之間。即維持流化狀態(tài)的最低氣速與最高氣速之間。4 、濃相段高度的計算催化劑在床層中堆積高度稱靜

11、床層高度( L0 )。在通入氣體到起始流化時，床高Lmf L0 。若繼續(xù)加大氣量，床層內(nèi)產(chǎn)生一定量的氣泡，濃相段床高 ( Lf )遠大于靜床層高度。關(guān)于濃相段床高的計算通常用計算床層空隙率( f)來獲得。令床層膨脹比R5 、 稀相段床高的估算稀相段也稱分離段，主要是用來保證床內(nèi)因氣泡破裂而挾帶固體顆粒重新回到濃相段所需空間。稀相段床高可由化工原理中非均相分離過程計算而得，也可由下述經(jīng)驗方程估算。6 、床層總高專業(yè)知識分享完美 WORD格式L= Lf+ L27 、流化床的熱傳遞1) 、流化床的熱量傳遞過程大體可分為：固體顆粒之間的熱量傳遞；氣體與固體之間的熱量傳遞；床層與床壁（包括換熱器）之間的

12、熱量傳遞。2) 、由于流化床中顆粒處于高度運動狀態(tài)，而固體的導(dǎo)熱系數(shù)較大，因此傳熱速率很快。床層中溫度基本上可以認為是一致的。3) 、流化床傳熱小結(jié)4) 、水平管的給熱系數(shù)比垂直管低5 15 ，因此傾向于使用垂直管。5) 、顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)和床高對給熱系數(shù)影響不大；6) 、給熱系數(shù)隨顆粒比熱的增大而增大，隨粒徑的增大而降低；7) 、流體的導(dǎo)熱系數(shù)對給熱系數(shù)Nu 起最主要的影響，Nu 與n成正比， n=1/2-2/3。8) 、床層直徑的影響難于判定；9) 、床內(nèi)管徑小時給熱系數(shù)大；作業(yè)、討論題、思考題：1 、名詞解釋流化床、移動床、固定床、散式流化態(tài)、聚式流化態(tài)、濃相段、稀相段、節(jié)涌、溝流初始流化速度、逸出速度2 、簡答(1) 簡述流化床反應(yīng)器的特點 ?(2) 簡述流化床的熱量傳遞過程 ?參考資料（含參考書、文獻等）化學(xué)反應(yīng)工程（第二版），郭鍇， 化學(xué)工業(yè)出版社，2015年出版；化學(xué)反應(yīng)工程（第三版），陳甘棠，化學(xué)工業(yè)出版社，2011年出版；反應(yīng)工程（第三版），李紹芬主編，化學(xué)工業(yè)出版社， 2013年出版。教學(xué)反思：專業(yè)知識