流化床反應(yīng)器的設(shè)計概論

1、流化床反應(yīng)器的設(shè)計概念焦 作 大 學 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計）題 目：流化床反應(yīng)器的設(shè)計概論 姓 名：常青雪 年 級： 1205062 院 系： 化工與環(huán)境工程學院 專 業(yè)： 化學工程 指導(dǎo)老師： 付金峰 完成時間： 2015年5月19日目錄第一章 概述21.1 流態(tài)化基本概念21.1.1 概念21.1.2流態(tài)化現(xiàn)象41.1.3散式流態(tài)化和聚式流態(tài)化51.1.4流化態(tài)過程中的不正常現(xiàn)象7第二章 流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及其工藝計算92.1 理想流體的流化床的流化速度92.1.1臨界硫化速度92.1.2操作流化速度92.1.2流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)112.2 流化床反應(yīng)器的床型133.1 傳質(zhì)概率與傳質(zhì)

2、微分方程163.1.1 混合物組成的表示方法163.1.2 傳質(zhì)的通量173.2質(zhì)量傳遞的基本方式183.2.1 分子傳質(zhì)183.2流化床的傳熱21第四章 數(shù)據(jù)處理及結(jié)論234.1數(shù)據(jù)處理234.1.1 質(zhì)量衡算234.1.2能量衡算234.2.2流化床反應(yīng)器的開發(fā)與放大25致謝31參考文獻32第 1 頁 共 33 頁第一章 概述 流化床反應(yīng)器比較適用于強烈放熱、催化劑易于失活的有機反應(yīng)過程。在流化床反應(yīng)器中工業(yè)催化劑除具有良好的活性、產(chǎn)品選擇性和穩(wěn)定性外，還必須滿足一定的粒度分布要求并具有良好的硫化性能和耐磨性。流化床反應(yīng)器的傳質(zhì)、傳熱效果好，升溫降溫時溫度分布穩(wěn)定，催化劑可以連續(xù)再生，反應(yīng)

3、器單位產(chǎn)量大，單位投資抵等優(yōu)點。1.1 流態(tài)化基本概念1.1.1 概念 一般指固體流態(tài)化，又稱假液化，簡稱流化，它是利用流動流體的作用，將固體顆粒群懸浮起來，從而使固體顆粒具有某些流體表觀特征，利用這種流體與固體間的接觸方式實現(xiàn)生產(chǎn)過程的操作，稱為流態(tài)化技術(shù)，屬于粉體工程的研究范疇。流態(tài)化技術(shù)是一種強化流體(氣體或液體)與固體顆粒間相互作用的操作，如在直立的容器內(nèi)間歇地或連續(xù)地加入顆粒狀固體物料，控制流體以一定速度由底部通入，使其壓力降等于或略大于單位截面上固體顆粒的重量，固體顆粒即呈懸浮狀運動而不致被流體帶走。優(yōu)點：（1） 傳熱效能高，而且床內(nèi)溫度易于維持均勻這對于熱效應(yīng)大而對溫度又很敏感的

4、過程是很重要的，因此特別被應(yīng)用與氧化，裂解、焙燒以及干燥等各種過程。（2） 大量固體粒子可方便地往來輸送這對于催化劑迅速失活而需隨時再生的過程（如催化裂化）來說，正是能否實現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵。此外，單純作為粒子的輸送手段，在各行業(yè)中也得到廣泛應(yīng)用。（3） 由于粒子細，可以消除內(nèi)擴散阻力，能充分發(fā)揮催化劑的效能。但流化床也有一些缺點，如：（1）氣流狀態(tài)不均，不少氣體以氣泡狀態(tài)經(jīng)過床層，氣固兩相接觸不夠有效，在要求達到到轉(zhuǎn)化率時，這種狀況更為不利。（2）粒子運動基本上是全混式，因此停留時間不一。在以粒子為加工對象時，可影響產(chǎn)品質(zhì)量的均一性，且轉(zhuǎn)化率不高；另外粒子的全混也造成氣體的部分返混，影響

5、反應(yīng)速度和造成副反應(yīng)的增加。（3）粒子的磨損和帶出造成催化劑的損失，并要求設(shè)置旋風分離器等粒子回收系統(tǒng)。 因此是否選用流態(tài)化，確定怎樣的操作條件，都應(yīng)當是在考慮了上述這些缺點，并結(jié)合反應(yīng)的動力學特征加以斟酌后才能正確決定。1.1.2流態(tài)化現(xiàn)象 流化是一種利用流動流體的作用使固體顆粒群懸浮，從而使固體顆粒床層具有流體的某些表觀特征的過程。當流體自容器下部經(jīng)多孔分布板進入堆放固體顆粒的床層時，由于流體的流動及其與顆粒表面的摩擦，造成了流體通過床層的壓降。隨顆粒的性質(zhì)、床層幾何尺寸及流體速度不同，壓降的大小也不相同，因而形成了不同類型的床層。這種現(xiàn)象稱為流態(tài)化現(xiàn)象。1 流化床階段 流體流速較低時，流

6、體從靜止顆粒間的空隙流動，固體顆粒之間不發(fā)生相對運動，猶如前述流體由上而下通過的固定床，所以這時的床層稱為固定床，當流速逐步增大，床層變松，少量顆粒在一定區(qū)間內(nèi)振動或游動，床層高度稍有膨脹，這時的床層為膨脹床。固定床階段的床層壓降隨流體的流速增加而增大。2 流化床階段 流體流速繼續(xù)增大，床層繼續(xù)膨脹、增高、顆粒間空隙增大。當流體通過床層的壓降大致等于單位面積上床層顆粒的重量，且壓降保持不變時，固定顆粒懸浮在向上流動的流體中，床層開始流華，此時流體的流速稱為臨街流化流速。流化床具有流體的性質(zhì)，懸浮的顆粒仍具有一個明顯上界面。3 傳送階段 再將流體流速增大到一定值時，流化床的上界面消失，顆粒被流體

7、夾帶流出，這時變?yōu)轭w粒的輸送階段（可實現(xiàn)氣力輸送或液力輸送），相應(yīng)的流速稱為帶出速度，其值等于顆粒在流體中的沉降速度。輸送階段的壓降也隨流速的增加而增大。1.1.3散式流態(tài)化和聚式流態(tài)化1.1.3.1散式流態(tài)化 定義：若流化床中固體顆粒均勻地分散在流體中，床層各處空隙率大致相等，床層有穩(wěn)定的上界面，這種流化稱為散式流化。在流體與固體之間密度差別較小的情況下的情況可發(fā)生散式流化，這種流態(tài)化現(xiàn)象多發(fā)生在液、固系統(tǒng)中。散式流化是生產(chǎn)中最為理想的流化狀態(tài)。特點:l 顆粒均勻分布在流體中，并在各方向上作隨機運動；l 床層表面平穩(wěn)且清晰；l 床層隨流體表觀流速的增加而均勻膨脹；l 床內(nèi)孔隙率均勻增加；l

8、床層上界面平穩(wěn)壓降穩(wěn)定波動。1.1.3.2聚式流態(tài)化聚式流態(tài)化出現(xiàn)在流固密度差較大的體系床層內(nèi)出現(xiàn)組成不同的兩個相，即含顆粒甚少的不連續(xù)氣泡相，以及含顆粒較多的連續(xù)乳化相。乳化相的氣固運動狀況和空隙率，與起始流化狀態(tài)相近。通過床層的流體，部分從乳化相的顆粒間通過，其余以氣泡形式通過床層。增加流體流量時，通過乳化相的氣量基本不變，而氣泡量相應(yīng)增加。氣泡在分布板上生成，在上升過程中長大；小氣泡會合并成大氣泡；大氣泡也會破裂成小氣泡。氣泡上升至床面時破裂，使床面頻繁地波動起伏，同時將一部分固體顆粒拋撒到界面以上，形成一個含固體顆粒較少的稀相區(qū)；與此相對應(yīng)，床面以下的床層稱為濃相區(qū)。氣泡的運動即使床層

9、中的顆粒劇烈運動，也影響到氣固間的均勻接觸。美國學者R.H.威海姆和中國學者郭慕孫提出用下式計算的弗勞德數(shù)作為流態(tài)化類型的判據(jù)：  流態(tài)化 式中 umf為起始流化速度；dP為粒徑；g為重力加速度。Fr>1時為聚式流態(tài)化，F(xiàn)r<1時為散式流態(tài)化。一般情況下，液固系統(tǒng)為散式流態(tài)化，氣固系統(tǒng)為聚式流態(tài)化。 床層中出現(xiàn)氣泡是聚式流態(tài)化的基本特征：l 較小的氣泡呈球形，較大的氣泡呈帽形；l 氣泡的中心是基本上不含顆粒的空穴；l 氣泡的外層稱為暈，這是滲透著氣泡氣流的乳化相；l 泡底有尾渦區(qū)，稱為尾跡。 尾跡的體積約為氣泡體積的20%30%。在氣泡上升過程中，尾跡中的顆粒不

10、斷脫落，并不斷引入新的顆粒。氣泡上升到床面時發(fā)生破裂，尾跡中的顆粒撒于床面，返回乳化相中。1.1.4流化態(tài)過程中的不正?，F(xiàn)象1.1.3.1奔涌 騰涌是當氣泡直徑增大到接近于床層直徑時的流態(tài)化現(xiàn)象。騰涌有兩種形式: 直徑接近于床徑的氣泡沿床上升,顆粒從氣泡邊緣下降； 氣泡呈柱塞狀，一段段床層由氣泡推動著上升，當氣泡到達床界面時，氣泡破裂，床層塌落，顆粒成團或分散下落。 騰涌嚴重影響流體與顆粒的相互接觸，并加速顆粒和設(shè)備的磨損。顆粒粗及高徑比大的床層，容易發(fā)生騰涌。1.1.3.2溝流 溝流是指床層中出現(xiàn)通道，大量流體經(jīng)此短路流過，使床層其余部分仍處于固定床狀態(tài)（死床），嚴重地影響到流體與固體間的均

11、勻接觸。導(dǎo)致溝流的原因有：l 分布板的設(shè)計不當；l 顆粒細而密度大,形狀不規(guī)則;顆粒有粘附性或含濕量較大。1.1.4流態(tài)化技術(shù)的進展流態(tài)化技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用，首推1926年在德國工業(yè)化的煤氣化溫克勒爐。1942年在美國建成第一套石油餾分流化床催化裂化反應(yīng)裝置，這是流態(tài)化技術(shù)應(yīng)用的巨大成功。隨后流態(tài)化技術(shù)進入許多領(lǐng)域。中國于50年代中期，在南京永利寧廠，成功地應(yīng)用流化床作為硫鐵礦的焙燒爐。目前，流化床在化工、石油、冶金、輕工和環(huán)保等部門得到了廣泛應(yīng)用。隨著流態(tài)化技術(shù)的發(fā)展，人們對流態(tài)化現(xiàn)象的認識逐步深入。從40年代末對流化床總體性狀的研究，發(fā)展到應(yīng)用兩相流體力學、流變學、統(tǒng)計學和計算機技術(shù)等對床

12、層內(nèi)部性狀作深入研究。近來的研究發(fā)現(xiàn),當粒徑為20100m的顆粒在比它的沉降速度大510倍的氣速下流態(tài)化,并且在旋風分離器和床層間作大量循環(huán)時，所形成的流化床稱為高速流化床。與一般流化床相比，高速流化床中氣固接觸大為改善，受到廣泛重視。第二章 流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及其工藝計算2.1 理想流體的流化床的流化速度2.1.1臨界硫化速度 臨界流態(tài)化速度Umf時流態(tài)化操作的最低流速，也是流態(tài)化數(shù)學模型的基本參數(shù)之一。確定臨界流態(tài)化速度的最好辦法莫過于實驗測定。小型流態(tài)化床可以用金屬或玻璃制造。為了測定數(shù)據(jù)可靠，此流態(tài)化床的分布需保證流體均勻分布，測定時的狀態(tài)宜盡量模擬實際生產(chǎn)條件。用降低流速法使床

13、層自流態(tài)化床緩慢復(fù)原至固定床，同時記下相應(yīng)的氣體流速和床層壓降，在雙對數(shù)坐標紙上標繪得到曲線。如果通過固定床區(qū)和流態(tài)化床區(qū)的點各自劃線，這兩條直線的交點既是臨界流態(tài)化點，其橫坐標的值即臨界流態(tài)化速度Umf。2.1.2操作流化速度 關(guān)于操作速度Uf的選定，沒有一個嚴格的、統(tǒng)一的標準。經(jīng)典流態(tài)化的速度范圍是在臨界流態(tài)化速度與自由沉降速度之間，即Umf<Uf<Ui。這個速度范圍隨流體和顆粒的特性（Ar數(shù)）不同而有很大差別。由已知的流體力學關(guān)系式可知：對于大顆粒，或Ar>106 ,Ui/Umf=7-8對于小顆粒，或Ar<1, Ui/Umf=64-92 式中：Ar流體和顆粒的特性

14、常數(shù)； Umf臨界硫化速度，m/s; Uf操作速度，m/s; Ui自由沉降速度，m/s; Ar處于中間的物系，Uf/Umf隨Ar的變化較大。因此，物系不同，操作速度Uf亦有所不同，即應(yīng)采用不同的流化數(shù)n，一般按下列關(guān)系確定：對于大顆粒，n=26；對于小顆粒，n=630.操作速度選取的原則為：1) 對于Ar>1000的物料，n值應(yīng)取小，一般取n=26；對于Ar<1000的物料，n值可取大，一般取年=610。2) 當粒度分布較寬時，采用的操作速度既要盡可能保證大粒度的流態(tài)化，同時又要使吹出量盡可能減少，適宜用較低的氣速。3) 反應(yīng)速度慢，空間速度小的過程，可用較低的氣泡。4) 反應(yīng)的熱

15、效應(yīng)不大時，可采用較低氣速。5) 粒度易自磨碎，用較低的氣速比較適合。反之，可用較高的氣速。6) 顆粒流化性能好，需要的床層高度比較時，采用較低的氣速比較合適。 應(yīng)當指出，上述討論是屬于一般性的，實際情況要復(fù)雜得多，對操作速度的要求往往存在著矛盾，這就要求設(shè)計得權(quán)衡利弊，合理抉擇。2.1.2流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu) 流化床一般是由殼體、氣體分布裝置、內(nèi)部構(gòu)件、換熱器、氣固分離裝置和固體顆粒的加卸裝置所組成?，F(xiàn)對各部分的結(jié)構(gòu)和作用作簡要介紹。 2.1.2.1殼體殼體由頂蓋、筒體和底蓋組成，筒體多為圓筒形，頂蓋多為橢圓形，底蓋可為圓錐形。殼體的上部為氣固分離空間，它的直徑往往比筒體的直徑大，內(nèi)部裝有氣固分

16、離裝置。殼體的中間部分是流化和反應(yīng)的基本空間，在此空間設(shè)置有內(nèi)部構(gòu)件和換熱裝置。殼體最下部是氣體分布空間，安置著氣體分布裝置。2.1.2.1氣體分布裝置 氣體分布裝置的作用是使進入床層的氣體均勻分布，以造成良好的起始流化條件，同時要具有一定的強度以支撐床層中的固體顆粒。氣體分布裝置包括預(yù)分布器和分布板兩部分。預(yù)分布器設(shè)置的目的是使進床氣體不產(chǎn)生偏流現(xiàn)象，如反應(yīng)氣進口可做成向下彎曲的形式，使氣體首先沖向圓錐形的底蓋，然后再折回流向分布板。分布板是均勻分布氣體的關(guān)鍵部件，制造分布板的基本要求是要使氣體均勻分布，阻力小，不漏不堵，制造和操作方便，具有良好的熱穩(wěn)定性和耐磨性等。分布板大致有篩板型，側(cè)流

17、型（錐帽側(cè)縫型）、密孔型和填料型，目前有的較多的是錐帽側(cè)縫型。2.1.2.3內(nèi)部構(gòu)件 流化床的內(nèi)部構(gòu)件的作用是改善床層中氣固兩相的接觸、減少軸向返混，改善流化質(zhì)量以提高反應(yīng)效率。其形式主要有擋網(wǎng)、擋板、垂直管束或充填物等。擋網(wǎng)一般用金屬絲網(wǎng)；擋板一般用大孔篩板或百葉窗式擋板，目前常用的是百葉窗式擋板；垂直管束擋板是將管束垂直插入床層內(nèi)，它可起到改善硫化質(zhì)量的作用，也可起到傳熱構(gòu)件的作用。2.1.2.4換熱器 其作用是供給或移走熱量，使流化床反應(yīng)維持在所要求的溫度范圍內(nèi)。一般可在床層的外殼設(shè)夾套或在床層內(nèi)設(shè)換熱器。在流化床層內(nèi)設(shè)置換熱器時，除考慮反應(yīng)器的換熱要求以外，還要考慮對床層流化的影響。換

18、熱器有管式和箱式兩種，常用的管式換熱器是垂直管，均勻布置垂直管相當于縱向分割床層，可限制大尺寸的空穴，破壞氣泡的成長；箱式換熱器是由蛇管組合而成，換熱面積大，便于拆裝。2.1.2.5氣固分離裝置 由于顆粒之間、顆粒與器壁和內(nèi)部構(gòu)件間的碰撞與磨損，使固體顆粒被粉化。當氣體離開流化床后夾帶有不少的細粒和粉塵，若帶出反應(yīng)器外即造成損失，又會污損后工序或是產(chǎn)品的質(zhì)量，有時候還會堵塞管路或后續(xù)設(shè)備。故要求氣體在離開反應(yīng)器之前要分離反應(yīng)器之前和回收這部分細粒，常用的氣固分離裝置有兩種。（1） 設(shè)置沉降分離段。在流化層的上方留有較大的分離空間，并且直徑要比流化層處直徑大。由于分離段直徑較大而使氣速降低，因此

19、在床層中被拋散和氣流夾帶的顆粒可借助重力而降落至流化床。（2） 設(shè)置收塵器。在筒體的上部安裝收塵器，常用收塵器的結(jié)構(gòu)形式有旋風分離器和過濾器。其中，旋風分離器是流化床中常用的主要設(shè)備之一，利用離心力的作用，能將顆粒收集并返回床層，從而可使床層在細顆粒和高氣速下操作時，不至于有太多的夾帶損失。過濾器常是在若干根多孔管外包商絲網(wǎng)或玻璃布而制成，當含塵氣體通過時，粉塵即被過濾掉。過濾管的分離效率高，但阻力大，網(wǎng)孔易堵塞，檢修不方便。2.2 流化床反應(yīng)器的床型 為了適應(yīng)生產(chǎn)的發(fā)展和不同化學反應(yīng)的需要，因而有各種不同類型的流化床催化反應(yīng)器，常用的床型有以下幾種。 1.圓筒形流化床 這種床型無內(nèi)部構(gòu)件，結(jié)

20、構(gòu)簡單，制作方便，設(shè)備利用率高，床層內(nèi)混合均勻，是應(yīng)用較廣的床型之一。它適用于熱效應(yīng)不大，接觸時間長，副反應(yīng)少的反應(yīng)過程。 2.錐形流化床 床層的橫截面積由下而上逐漸增大，二氣體的流速則逐漸減小。錐形流華床宜于氣體體積增大的反應(yīng)，適用于固體顆粒大小不一（或粒度分布較寬，或催化劑易破碎）的物料，大顆粒在床層的下部，因氣速不會停落至分布板上成死床，小顆粒在流速不大的床層上部，減少細顆粒的帶出。 3.設(shè)有內(nèi)部部件的流化床 是生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的一種床型，床層內(nèi)設(shè)有擋板或換熱器，或兩者兼而有之，既可限制氣泡的增大和減少物料返混，又可通過換熱來控制一定的溫度。這種床型適用于熱效應(yīng)大，又需控制溫度在一定范圍內(nèi)

21、，物料返混較輕的反應(yīng)過程。 4.雙體式流化床 它是由反應(yīng)器和再生器兩部分組成。反應(yīng)器內(nèi)進行流化床催化床催化反應(yīng)，再生器內(nèi)使催化劑恢復(fù)活性，這樣催化劑不斷地在反應(yīng)器與再生器之間循環(huán)運動，故這種床型特別適用于催化劑活性降低快，而再生又較容易的反應(yīng)過程。在流化過程中，用空氣將反應(yīng)器內(nèi)結(jié)炭的催化劑（失去活性）經(jīng)提升管引入再生器，在再生器中燒掉催化劑表面的炭，使催化劑被加熱而且恢復(fù)活性。再生后的催化劑被油氣經(jīng)另一提升管回送到反應(yīng)器內(nèi)進行裂解反應(yīng)。在反應(yīng)器和再生器內(nèi)氣固相處于流化狀態(tài)，在提升管內(nèi)則是氣力輸送。在這一流態(tài)化過程中催化劑不僅起到了加速反應(yīng)的作用，還起到了傳熱介質(zhì)的作用。第三章 反應(yīng)器中的傳質(zhì)及

22、傳熱過程3.1 傳質(zhì)概率與傳質(zhì)微分方程3.1.1 混合物組成的表示方法1) 質(zhì)量濃度：單位體積混合物中某組分的質(zhì)量。 組分A：=mA/v 混合物：=(1+2+n)2) 物質(zhì)的量濃度c：單位體積混合物中某組分的物質(zhì)的量。 組分A：cA=mA/V 混合物：C=（C1+C2+Cn）3) 質(zhì)量分數(shù)a：混合物中某組分的質(zhì)量與混合物總質(zhì)量之比 組分A：aA=mA/m 混合物：（a1+a2+an）=14) 摩爾分數(shù)x：混合物中某組分的物質(zhì)的量和混合物中總物質(zhì)的量之比。 組分A：xA=nA/n 混合物:x1+x2+xn=15) 質(zhì)量比X：混合物總某組分質(zhì)量與惰性組分質(zhì)量的比值。 組分A：X=mA/(m-mA)

23、 質(zhì)量比與質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系：xA=aA/(1-aA)6) 摩爾比X：混合物中某組分質(zhì)量與惰性組分質(zhì)量的比值。 組分A：xA=nA/（n-nA） 摩爾比與摩爾分數(shù)的關(guān)系：xA= xA/(1- xA) 3.1.2 傳質(zhì)的通量傳質(zhì)通量：單位時間通過垂直于傳質(zhì)反向上單位面積的物質(zhì)量。傳質(zhì)通量等于傳質(zhì)速度與濃度的乘積。傳質(zhì)通量常用質(zhì)量通量、摩爾通量表示。3.1.2.1 以絕對速度表示的傳質(zhì)通量質(zhì)量通量：nA=AuA nB=BuB混合物的總質(zhì)量通量：n=nA+nB=AuA+BuB=u u=（AuA+BuB）/ 質(zhì)量平均速度的定義式摩爾通量：nA=cAuA nB=cBuB混合物的總摩爾通量：n=nA+nB=c

24、AuA+cBuB=cu uM=（cAuA+cBuB）/c 3.1.2.2 以擴散速度表示的傳質(zhì)通量質(zhì)量通量：jA=A（uA-u） jB=B（uB-u）摩爾通量：Ja=cA（uA-uM） Jb=cB（uB-uM）混合物：j=jA+jB J=Ja+Jb3.1.2.3以主體流動速度表示的傳質(zhì)通量質(zhì)量通量：A組分：Au=（AuA+BuB）A/=aA（nA+nB） B組分：Bu=aB（nA+nB）摩爾通量：A組分：cAuM=（cAuA+cBuB）cA/c=xA(nA+nB) B組分：cBuM=xB(nA+nB)3.2質(zhì)量傳遞的基本方式分為分子傳質(zhì)和對流傳質(zhì)3.2.1 分子傳質(zhì)3.2.1.1 分子擴散現(xiàn)象

25、 如圖所示。A分子向右運動，B分子向左運動。左右兩室交換的分子數(shù)雖相等，但因左室A濃度高，故在同一時間內(nèi)A分子進入右室較多而返回左室較少， 其凈結(jié)果是物質(zhì)A自左向右傳遞。同理，物質(zhì)B自右向左傳遞。兩種物質(zhì)各自沿其濃度降低的方向傳遞。 上述擴散過程將一直進行到整個容器中A、B兩種物質(zhì)的濃度完全均勻為止，此時通過任一截面物質(zhì)A、B的凈的擴散通量為零，但擴散仍在進行，只是左右兩方向物質(zhì)的擴散通量相等，系統(tǒng)處于擴散的動態(tài)平衡中。 當流體內(nèi)部存在某一組分的濃度（或分壓）差時，憑借分子的無規(guī)則熱運動使該組分由高濃處向低濃處遷移的過程，稱為分子擴散或分子傳質(zhì)，簡稱擴散。3.2.1.2 費克（Fick）定律描

26、述分子擴散的通量或速率的方程。 jA=-DABdA/dz； jB=DBAdB/dz JA=-DABdcA/dz； JB=DBAdcB/dz 式中：jA組分A的質(zhì)量通量，kg/（m2s） dA/dz組分在傳質(zhì)方向上的質(zhì)量濃度梯度，（kg/m3）/m DAB組分A在B中的擴散系數(shù)，m2/s JA組分A的摩爾通量，kmol/(m2s) dcA/dz組分在傳質(zhì)方向上的摩爾濃度梯度，（kmol/m3）/m3.2.1.3 等分子反向擴散 因兩容器中氣體總壓相同，所以A、B兩組分相互擴散的量nA和nB必然相等，故稱為等摩爾反方向擴散。即：JA = JB 在擴散過程，雖然A、B兩組分發(fā)生變化，但混合氣體總壓不

27、變，即c=cA+cB=常數(shù)，因而dcA/dz= dcB/dz，根據(jù)菲克定律：JA=-DABdcA/dz= JB=DBAdcB/dz 故：DAB=DBA 該關(guān)系說明：對雙組分混合氣體，在進行等摩爾反方向分子擴散時，A在B和B在A中的分子擴散系數(shù)相等，以后以D表示。3.2.1.4 一組分通過另一停滯組分的擴散 2截面上有一層只允許A組分通過但不允許B組分通過的膜。由于在氣相主體與液面處存在A組分的分壓差，所以組分A將不斷向右進行分子擴散，并進入液相中去，而液相中無任何組分進入氣相，使得液面處總壓低于氣相主體，在此壓的作用下，混合氣體（A+ B）便會自動向2截面發(fā)生宏觀運動，稱為總體流動。 總體流動

28、的結(jié)果又使得液面附近B組分的分壓大氣相主體中B的分壓，因而組分B又將以分子擴散的方式向氣相主體移動。這樣實際的凈結(jié)果是A組分不斷向液面移動，對于組分B來講，隨總體流動向液面運動的同時又以相反方向進行分子擴散到氣相主體，實際上等于沒有運動，故稱為A組分通過停滯組分B的擴散。JA=cA(uA-uM)=-DABdcA/dz得cAuA=-DdcA/dz+cAuMnA=cAuA;cAuM=xA(nA+nB)nA=-DdcA/dz+ xA(nA+nB)同理：nA= -DdA/dz+ aA(nA+nB)據(jù)以上形式的得結(jié)論： 組分的實際通量=分子擴散通量+主體流動通量這是費克第一定律的一般表達式。 3.2流化

29、床的傳熱 流化床的優(yōu)點之一是傳熱效率高、床層溫度高均一。在一般情況下，自由流化床是等溫的。粒子與流體之間的溫差，除特殊情況之外，可以忽略不計，所以重要的是床層與內(nèi)壁間的傳熱及床層與浸沒于床中的換熱器表面間的傳熱。 流化床與外壁的給熱系數(shù)hw比空管及固定床中都高，一般在4001600J/hk左右。在起始流化速度以上，hw隨氣速的增加而增大到一個極大值，然后下降，像一個倒U形。對不同的體系，曲線的性狀相仿。確定hw所用的給熱系數(shù)的定義為：wW(T-Tw)/w 根據(jù)流化床與換熱表面間傳熱的許多研究結(jié)果，可以得出各種參數(shù)對給熱系數(shù)間的定性規(guī)律如下。 顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)及床高對沒有影響；顆粒的比熱增大，也增

30、大；粒徑增大，降低。這種影響對細顆粒的情況比較粗顆粒更甚；圓球形的及表面光滑的顆粒最大，因為它更容易流動；流體的導(dǎo)熱系數(shù)對具有最主要的影響，與n成正比例，1/22/3；床層直徑的影響較難判定；床內(nèi)管子的管徑細時大，因為它上面的顆粒群更易于更替下來；管子的位置對影響不太大，主要應(yīng)根據(jù)工藝上的考慮而定；但如管束排列過密，則降低；對水平管束來說，錯列的影響更大些；橫向擋板使可能達到的的最大值降低而相應(yīng)的氣速卻需要提高；分布板的開孔情況影響氣泡的數(shù)量和尺寸，在氣速小于最佳值時，增加孔數(shù)和孔徑將使與外壁面的值降低。第四章 數(shù)據(jù)處理及結(jié)論4.1數(shù)據(jù)處理當前化工領(lǐng)域做設(shè)計時都要用物料衡算出反應(yīng)器的尺寸，然后

31、根據(jù)反應(yīng)器的尺寸去設(shè)計，去矯正反應(yīng)器運行所出現(xiàn)的不必要的問題等等，更加完善設(shè)計方案。4.1.1 質(zhì)量衡算 W1+W2=W3+W4+W5+W6+W7式中： W1-參加反應(yīng)的物料的質(zhì)量，kg； W2-砂子的質(zhì)量，kg； W3-生物油的質(zhì)量，kg； W4-熱裂解氣體的質(zhì)量，kg； W5-生物質(zhì)炭的質(zhì)量，kg； W6-剩余的物料的質(zhì)量，kg； W7-剩余的砂子的質(zhì)量，kg； 即反應(yīng)前后的質(zhì)量是守恒的，參加反應(yīng)的物質(zhì)和反應(yīng)后生成的物質(zhì)質(zhì)量平衡。4.1.2能量衡算 根據(jù)能量守恒定律，電阻絲帶入熱量和氣體升溫帶出熱量的差值是來提供物料裂解的熱量，可以近似得出單位質(zhì)量的生物質(zhì)裂解所需的熱量。4.1.2.1 電

32、阻絲產(chǎn)生的熱量 電阻絲功率為6kW，根據(jù)實驗，從開始加溫到反應(yīng)結(jié)束時間為1.08h，以0為衡算基準。 電阻絲帶入熱量 Qs=Pts式中：Qs-電阻絲產(chǎn)生的熱量，kJ；P -電阻絲功率，kW；ts-從開始加溫到反應(yīng)結(jié)束的時間，h；-考慮熱量損失后的系數(shù)；4.1.2.2 氣體升溫帶出熱量的計算 已知： Q=mCpt式中：Q-為氣體升溫帶出的熱量，kJ；m-流化床流出氣體的質(zhì)量，kg；Cp-氣體的比定壓熱容，kJ/(kgK)t-流化氣體進入流化床前后的溫差，；熱裂解后氣體的成分如下表所示： 表熱裂解過程中不同時刻裂解氣體成分含量由表計算得：氣體的平均比熱容是各氣體的比熱與體積分數(shù)乘積的總和。Cp=C

33、p1×0.1037+Cp2×0.062+Cp3×0.03+Cp4×0.002+Cp5×0.0081+Cp6×0.00461+Cp7×0.7425=1.699kJ/(kg·K)4.1.2.3 流化床操作速度的計算 Uf=k·Umf式中：Uf為實際操作速度，m/s;K為臨界流態(tài)化速度與實際操作速度之間的系數(shù)，取24；Umf為臨界流態(tài)化速度，m/s；取1312m/s。Umf=24×0.1312=3.15m/s=11340m/h4.2.2流化床反應(yīng)器的開發(fā)與放大 流化床的開發(fā)與放大，國內(nèi)外都有成功的經(jīng)驗

34、?？偲饋砜床煌夂酰?.催化劑性能；2.操作條件；3.床層結(jié)構(gòu)方面的問題。下面就試作一些討論。 首先，供流化床用的催化劑必須具有良好的活性、選擇性和穩(wěn)定性?；钚蕴凸倘徊缓茫钚蕴咭灾翢崃侩y于攜出也是不希望的，有人主張以靜止床層體積為基準的反應(yīng)速率常數(shù)k=0.3至1.2秒-1 為宜。對選擇性圍擋內(nèi)更新的要求本來是不言而喻的，但由于流化床中的返混大和停留時間分布寬的原因，易使副反應(yīng)增多而選擇性降低，甚至由于某些產(chǎn)物的生產(chǎn)或積累，促使失活加快，因此催化劑在流化床中所經(jīng)受的考驗比固定床中還要嚴峻得多。此外強度問題也很重要，催化劑必須充分耐磨，才有工業(yè)化的前景。事實上，工業(yè)上實用的催化劑對穩(wěn)定性和強度

35、的要求更為重要，而活性往往并不要求太高。 催化劑的粒度和粒度分布對維持良好的流化質(zhì)量非常重要，這在前面已著重指出過。細粒床（平均dp=50至100um）比粗粒床（平均dp約200um或以上）具有顯著優(yōu)越的流化性能而特別適用于工業(yè)放大，因為放大后往往氣速增大，床高增加，粗顆粒的流化不穩(wěn)定性將大為加劇，甚至出現(xiàn)短路，嚴重影響反應(yīng)效果。有人建議適宜的粒度分布大致是：50至70um的需占約50%，44um以下的占25%至35%，88um以上的占5%至20%。 在放大時，操作條件往往不得不有所改變，譬如由于氣、固接觸效率的下降而需要適當加高床層來增加接觸時間，以資彌補。但高徑比大了，易導(dǎo)致節(jié)涌，一般大床

36、的高徑比在3以下。也有為了促進流化，強化傳熱和混合作用而加大空床氣速，但在此同時，接觸時間也發(fā)生了變化。有時，放大后要適當增高溫度，才能達到與小裝置相同的某些指標，這是與返混加劇及接觸效率的降低有關(guān)的。由于床徑放大，乳相中擴散系數(shù)增大，結(jié)果是乳相中縱向及徑向的濃度梯度減小，甚至消失。這種變化，在床徑小時尤為顯著，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)化率及收率的下降，而從中型裝置災(zāi)進一步放大，就沒有太大變化了。因此可以把500毫米作為放大用的臨界直徑，冷漠實驗應(yīng)當在等于或大于臨界直徑的裝置中進行才較可靠。 在床層結(jié)構(gòu)上有分布板及內(nèi)部構(gòu)件兩方面的問題。分布板的重要性前已闡述，它應(yīng)能使氣體均勻分布和床層流化均勻。在離分布板25

37、0毫米以內(nèi)的所謂影響區(qū)中也往往正是轉(zhuǎn)化最快的區(qū)域。用垂直管束作為內(nèi)部構(gòu)件的特點是兼具有傳熱和控制氣泡大小的作用，它不影響床內(nèi)的自由混合，便于迅速實現(xiàn)放大。各種型式的橫向擋板在于對氣固的流動施加種種限制，改變床內(nèi)的濃度和溫度分布，從而影響其反應(yīng)結(jié)果。但影響因素很多，放大比較困難。經(jīng)驗表明從小床到大床，擋板的間隔可適當放大，因為氣速高的流化床中，乳相中的情況影響不大，反應(yīng)的結(jié)果主要由氣泡的組成所決定，而氣泡總是平推式上流的，另外，放大以后床層的運動加劇，使擋板間距加大的影響有所抵消，特別在大床中，擋板間距在一定范圍內(nèi)的變化本來就不像在小床中會帶來那樣明顯的影響。 對于低轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)，流動模式的影響

38、頗小，在這上面下功夫所能獲得的收益也就較?。坏珜Ω咿D(zhuǎn)化率的反應(yīng)，如烴類的高溫氧化，原料往往接近全部轉(zhuǎn)化，而另一原料（空氣）大大過量，濃度變化也較小，反應(yīng)的目的產(chǎn)物往往也就是中間產(chǎn)物，這時返混就不利了，除非副反應(yīng)的速率與主反應(yīng)的相比要小得多，才不致有嚴重影響。 對表面反應(yīng)快而相間傳遞慢、主反應(yīng)比副反應(yīng)速率快得多的情況就需要強化傳質(zhì)，而對于傳質(zhì)速率快而表面反應(yīng)速率慢，單程轉(zhuǎn)化率不高而副反應(yīng)影響又大的情況，則宜采用低線速操作，強化的途徑應(yīng)從動力學因素入手，如改進催化劑的活性、增加接觸時間和提高反應(yīng)溫度等。總之對于具體反應(yīng)，必需具體分析，弄清控制步驟，才能做措施得宜。最后，仍應(yīng)指出，數(shù)學模型放大的方法是發(fā)展的方向，目前雖還不夠成熟，但已積累了一定經(jīng)驗，故一方面要加強基礎(chǔ)研究，進一步查明其規(guī)律；另一方面，要積累大裝置的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗以進行補充和印證，這樣，流化床反應(yīng)