化學(xué)反應(yīng)工程教案17化工13胡江良

1、化學(xué)反應(yīng)工程 課程教案課次17課時(shí)2課 型（請打）理論課 討論課 實(shí)驗(yàn)課 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(jì)算教學(xué)目的、要求（分掌握、熟悉、了解三個(gè)層次）：1. 掌握流化床的基本概念； 2. 掌握流化床的工藝計(jì)算；教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)：重點(diǎn)：固定床催化反應(yīng)器的特點(diǎn)、類型和設(shè)計(jì)要求。難點(diǎn)：一維擬均相理想流動(dòng)模型對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。教 學(xué) 基 本 內(nèi) 容方法及手段7.1流化床的基本概念流態(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)通過床層的流體流量較小

2、時(shí)，顆粒受到的升力（浮力與曳力之和）小于顆粒自身重力時(shí)，顆粒在床層內(nèi)靜止不動(dòng)，流體由顆粒之間的空隙通過。此時(shí)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。若顆粒受到的升力恰好等于自身重量時(shí)，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(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為固體的流態(tài)化，整個(gè)床層稱為流化床。曳力（表面曳力、形體曳力）曳力是流體對(duì)固體的作用力，而阻力是固體壁對(duì)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(qiáng)力扣除浮力部分引起。3).流化床類似液體的性狀（a） 輕的固體浮起；（b）表面保持水平；（

3、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(qiáng)流化床的優(yōu)點(diǎn)(1) 顆粒流動(dòng)類似液體，易于處理、控制；(2) 固體顆粒迅速混合，整個(gè)床層等溫；(3) 顆粒可以在兩個(gè)流化床之間流動(dòng)、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(diǎn)(1)氣體的流動(dòng)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(shí)間分布不均勻；(3)脆性顆粒易粉碎被氣流帶走；(4)顆粒對(duì)設(shè)備磨損嚴(yán)重；(5)對(duì)高溫非催化操作，顆粒易于聚集和燒結(jié)流化床的工

4、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(tái)高13米，截面積12平方米的煤氣發(fā)生爐開始運(yùn)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

5、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(rèn)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p185 為散式流態(tài)化為聚式流態(tài)化濃相段和稀相段（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(gè)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?，F(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(jì)或

6、安裝上存在問題，使流體通過分布板進(jìn)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）在流化床內(nèi)徑較小而床高與床徑比較大時(shí)，氣泡在上升過程中因聚并而增大，氣泡有可能占據(jù)整個(gè)床層截面，氣流將床層一節(jié)節(jié)地往上做柱塞式推動(dòng)，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(diǎn)：p1867.2流化床的工藝計(jì)算1、指根據(jù)已知?dú)怏w流量及催化劑用量，計(jì)算反應(yīng)器的床層內(nèi)徑以及反應(yīng)器的床層高度。1 初始流化速度：顆粒開始流化時(shí)的氣流速度（氣體向上運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的曳力）（床層體積）×（固體顆粒分率）×（

7、顆粒密度），即： 將上式與固定床壓降方程(ergun方程)相結(jié)合，可得臨界流化速度計(jì)算式。 ergun方程：(s-顆粒外表面利用系數(shù)）與考慮固定床壓降時(shí)的方程對(duì)照：可以看出所作簡化。前一項(xiàng)為粘滯力損失，后一項(xiàng)為動(dòng)能損失。合并兩式并整理：低雷諾數(shù)時(shí)，粘滯力損失占主導(dǎo)，忽略后一項(xiàng)： 解得：高雷諾數(shù)時(shí)，動(dòng)能損失占主導(dǎo)，忽略前一項(xiàng)：高雷諾數(shù)時(shí)，動(dòng)能損失占主導(dǎo)，忽略前一項(xiàng)：解得對(duì)中等雷諾數(shù)，兩項(xiàng)都要考慮。計(jì)算出臨界流化速度后要進(jìn)行驗(yàn)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(duì)顆粒的曳力與顆粒的重量相等，顆粒會(huì)被流體帶走： cd-曳力系數(shù)對(duì)于單顆粒，有半經(jīng)驗(yàn)公式： 以上計(jì)算是針對(duì)一個(gè)

8、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。 ut=fu re<10時(shí)，f1 re>10時(shí)，re-f見下圖 3 反應(yīng)器內(nèi)徑的計(jì)算vg：氣流的體積流量m3s-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(jì)算催化劑在床層中堆積高度稱靜床層高度(l0)。在通入氣體到起始流化時(shí)，床高lmfl0。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(yuǎn)大于靜床層高度。關(guān)于濃相段床高的計(jì)算

9、通常用計(jì)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(jì)算而得，也可由下述經(jīng)驗(yàn)方程估算。6、床層總高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）之間的熱量傳遞。2)、由于流化床中顆粒處于高度運(yùn)動(dòng)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(rèn)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515，因此傾向于使用垂直管。5)、顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)和床高對(duì)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)l對(duì)給熱系數(shù)nu起最主要的影響， nu與ln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(shí)給熱系數(shù)大；講解作業(yè)、討論題、思考題：1、名詞解釋流化床、移動(dòng)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(