流化床反應器的設計

1、 目錄目錄v（一）流態(tài)化基本概念v（二）流化床反應器中的傳質v（三）流化床反應器中的傳熱v（四）流化床反應器的主要參數(shù)及工藝計算v （五）流化床反應器的數(shù)學模型（一）流態(tài)化的基本概念（一）流態(tài)化的基本概念v 1.固體流態(tài)化現(xiàn)象固體流態(tài)化現(xiàn)象v 將固體顆粒懸浮于運動的流體中，使顆粒具有類似于流體的某些宏觀特性，這種流固接觸狀態(tài)稱為固體流態(tài)化。v 固體流態(tài)化分為幾種形式如下：v （a)固定床固定床 v (b)臨界流化床臨界流化床v (c)流化床流化床 v (d)氣流輸送床氣流輸送床圖圖1-1不同流速時床層的變化不同流速時床層的變化v2.散式流化床和聚式流化床散式流化床和聚式流化床v（1）散式流化床

2、）散式流化床:v 顆粒均勻地分布在整個流化床。v 隨著流速增加床層均勻膨脹。v 床內(nèi)孔隙率均勻增加。 v 床層上界面平穩(wěn)，壓降穩(wěn)定、波動v (2) 聚式流化床聚式流化床:v 聚式流態(tài)化出現(xiàn)在流-固密度差較大的體系 。散式流化散式流化床床聚式流化聚式流化床床以氣泡形式夾帶少量以氣泡形式夾帶少量顆粒穿過床層向上運顆粒穿過床層向上運動的不連續(xù)的氣泡稱動的不連續(xù)的氣泡稱為氣泡相為氣泡相 圖圖1-2流化床的類型流化床的類型返回返回3.兩種流化態(tài)的判別液固流化為液固流化為散式流化散式流化v 一般情況兩種流化床的判別一般情況兩種流化床的判別：散式流化床散式流化床聚式流化床聚式流化床顆粒與流體之間的顆粒與流體

3、之間的密度差密度差是它們主要區(qū)別是它們主要區(qū)別氣固流化為聚式氣固流化為聚式流化流化v特殊（壓力較高的氣固系統(tǒng)或者用較輕的液體流化較重的顆粒）情況下兩種流化床判別： wilhelm和郭慕孫首先先用弗勞德數(shù)來區(qū)分兩種流化態(tài)： gdupmfmfFr213. 0mfFr3.1mfFr研究表明：研究表明：為散式流化為散式流化為聚式流化為聚式流化（二）流化床反應器中的傳質（二）流化床反應器中的傳質流化床反應器中的傳質流化床反應器中的傳質顆粒與流體間的傳質顆粒與流體間的傳質氣泡與乳化相間的傳質氣泡與乳化相間的傳質（1）顆粒與流體間的傳質）顆粒與流體間的傳質 氣體進入床層后，部分通過乳化相流動，其余則氣體進入

4、床層后，部分通過乳化相流動，其余則以氣泡形式通過床層。以氣泡形式通過床層。 乳化相中的氣體與顆粒接觸良好，而氣泡中的氣乳化相中的氣體與顆粒接觸良好，而氣泡中的氣體與顆粒接觸較差。體與顆粒接觸較差。 原因是氣泡中幾乎不含顆粒，氣體與顆粒接觸的主原因是氣泡中幾乎不含顆粒，氣體與顆粒接觸的主要區(qū)域集中在氣泡與氣泡暈的相界面和尾渦處。要區(qū)域集中在氣泡與氣泡暈的相界面和尾渦處。（2）氣泡與乳化相間的傳質氣泡與乳化相間的傳質 由于流化床反器中的反應實際上是在乳化相中進由于流化床反器中的反應實際上是在乳化相中進行的，所以氣泡與乳化相間的氣體交換作用非常重要。行的，所以氣泡與乳化相間的氣體交換作用非常重要。相

5、間傳質速率與表面反應速率的快慢，對于選擇合理相間傳質速率與表面反應速率的快慢，對于選擇合理的床型和操作參數(shù)都相關。的床型和操作參數(shù)都相關。返回返回（三）流化床反應器中的傳熱（三）流化床反應器中的傳熱 （1）流化床反應器內(nèi)的傳熱流化床反應器內(nèi)的傳熱 流化床反應器具有溫度分布均勻和傳熱流化床反應器具有溫度分布均勻和傳熱速率高的特點，特別適于產(chǎn)生大量反應速率高的特點，特別適于產(chǎn)生大量反應熱的化學反應，同時換熱器的傳熱面積熱的化學反應，同時換熱器的傳熱面積可以減小，結構更緊湊?？梢詼p小，結構更緊湊。 （2）傳熱的三種基本形式：）傳熱的三種基本形式： 固體顆粒與固體顆粒之間的傳熱固體顆粒與固體顆粒之間的

6、傳熱 固體顆粒與流體間的傳熱固體顆粒與流體間的傳熱 床層與器壁或換熱器表面的傳熱床層與器壁或換熱器表面的傳熱 這三種傳熱的基本形式中，前兩種傳熱速這三種傳熱的基本形式中，前兩種傳熱速度比后一種要大得多，所以要提高整個流化度比后一種要大得多，所以要提高整個流化床的傳熱速度，關鍵就在于提高后一種傳熱床的傳熱速度，關鍵就在于提高后一種傳熱速度。速度。返回返回（四）流化床反應器的參數(shù)及其工藝計算（四）流化床反應器的參數(shù)及其工藝計算 v 理想流體的流化床壓降與流速 固定床階段：如圖固定床階段：如圖AB段壓力降段壓力降P隨著流速隨著流速u的增加而增加的增加而增加 。流化床階段：如圖流化床階段：如圖DE段所

7、示床層的壓力降保持不變段所示床層的壓力降保持不變 。 流體輸送階段：流體的壓力降與流體在空管道中相似。流體輸送階段：流體的壓力降與流體在空管道中相似。 圖圖1-3流化床壓降流化床壓降-流速關系流速關系v 實際流化床的壓降與流速：圖圖1-4實際流化床的實際流化床的P-u關系圖關系圖v 臨界流化速度（起始流化速度，也稱最低流化速度）：顆粒層由固定床轉化為流化床時流體的表現(xiàn)速度，用表示。 對于小顆粒： mfuffppmfgdu1650)(2)20(eR對于大顆粒： )1000(eRffppmfgdu5 .24)(2用上述各式計算時,應將所得 值代入 中，檢驗其是否符合規(guī)定范圍。如不符合，應重新選公式

8、計算。mfuffmfpudRev實際流化床與理想流化床差異的原實際流化床與理想流化床差異的原因：因：v形成的原因是固定床階段，顆粒之形成的原因是固定床階段，顆粒之v間由于相互接觸，部分顆粒可能有間由于相互接觸，部分顆粒可能有架橋、架橋、嵌接嵌接等情況，造成開始流化時需要大于等情況，造成開始流化時需要大于v理論值的推動力才能使床層松動，即形理論值的推動力才能使床層松動，即形成較大的壓力降成較大的壓力降。v計算臨界流化速度的經(jīng)驗或半經(jīng)驗關聯(lián)式很多，下面計算臨界流化速度的經(jīng)驗或半經(jīng)驗關聯(lián)式很多，下面再介紹一種便于應用而有準確的介紹公式：再介紹一種便于應用而有準確的介紹公式：v 06. 088. 09

9、4. 082. 1)(00923. 0fffppmfdum/s式中只適用于式中只適用于Re10,即較細顆粒。即較細顆粒。由上式看出，影響臨界流化速度的因素有：由上式看出，影響臨界流化速度的因素有：顆粒直徑顆粒直徑 顆粒密度顆粒密度 流體黏度流體黏度v氣泡上升速度是氣泡的重要參數(shù)之一。流化床單個氣泡的氣泡上升速度是氣泡的重要參數(shù)之一。流化床單個氣泡的上升速度上升速度 可取可?。篵ru21)(711. 0ebrgdu在實際床層中，出現(xiàn)成群上升的氣泡時，上升速度一般用下式計算：21)(711. 0emfbrgduuued 為氣泡的當量直徑是與球形頂蓋氣泡體積相等的球形直徑單位為m。v顆粒帶出速度，也

10、稱終端速度。用顆粒帶出速度，也稱終端速度。用“ ”表示表示tu21)(34Dffpptgdu對于球形顆粒等速沉降時，可得出下式：對于球形顆粒等速沉降時，可得出下式：D阻力系數(shù)，是阻力系數(shù)，是 的函數(shù)。對球形粒子：的函數(shù)。對球形粒子：fftpeuudRttDRe2421Re10tD43. 0D)4 .0(Ret)500Re4 . 0(t)10*2Re500(5t式中分別代入式，得：ffptgdu18)(2pfffptdgu3/122)(22542/1)(1 . 3ffpptgdu)4 . 0(Re t)500Re4 . 0(t)10*2Re500(5t對于非球形粒子，D可用非對應的經(jīng)驗公式計算，

11、或者查閱相應的圖表對于上面的公式還可以考察對于大,小顆粒流化范圍的影響對細粒子，當對細粒子，當4 . 0Re 對大顆粒，對大顆粒， 當當1000Re 6.91mftuu72.8mftuuv2.流化床床反應器的工藝計算 再確定床高床徑，內(nèi)部構件最后計算壓力降選型：主要應根據(jù)工藝過程特點來考慮，即化學反應特點、顆?；虼呋瘎┑奶匦?、對產(chǎn)品的要求即生成規(guī)模。v 首先選型 5210013. 1273360041pTuDQRupTQupTQDR982800132.4360027310013.145氣體的體積流量氣體的體積流量,hm /3RDpT,Qu反映器直徑反映器直徑, m放映器的絕對溫度放映器的絕對溫

12、度(K)和絕對壓力和絕對壓力(Pa)以以T、p計的表觀氣流計的表觀氣流,sm/流化床的直徑：流化床的直徑：流化床的床高：流化床的床高：（1）臨界流化床高(2)流化床高(3)穩(wěn)定段高度mfLfLDL)1 (42mfPRFmfDWL（根據(jù)床層膨脹比（根據(jù)床層膨脹比R R可求出）可求出）mffRLL床層膨脹比的定義床層膨脹比的定義: :mmffmfmffLLR)11 ( 和和 為臨界狀態(tài)和實際操作條為臨界狀態(tài)和實際操作條件下床層的平均密度。件下床層的平均密度。mmfm3.流化床反應器壓力降計算流化床反應器壓力降計算v流化床反應器壓力降氣體分布板壓力降氣體分布板壓力降流化床壓力降流化床壓力降分離設備壓

13、力降分離設備壓力降 氣體分布板的類型與作用氣體分布板的類型與作用v作用：v具有均勻分布氣流的作用，同時其壓降要小。 v能使流化床有一個良好的起始流態(tài)化狀態(tài)。 v操作過程中不易被堵塞和磨蝕。分布板的壓力降計算v流體通過分布板的壓降可用床內(nèi)表觀速度的速度頭倍數(shù)來表示：流體通過分布板的壓降可用床內(nèi)表觀速度的速度頭倍數(shù)來表示：guCpfDD222807.9DpDC分布板壓降，分布板壓降，PaPa；開孔率；開孔率；阻率系數(shù)，其值在阻率系數(shù)，其值在1.5-2.51.5-2.5v分布板的臨界壓力降v 臨界壓降是指分布板能起到均勻布氣并具有良好穩(wěn)定性的最小壓降，它與分布板下面的氣體引入及分布板上床層有關。v分

14、布板的壓力降分為布氣臨界壓降布氣臨界壓降和穩(wěn)定性臨界壓降。穩(wěn)定性臨界壓降。guPfdcD218000)(2開孔率小于開孔率小于1%徑向流速徑向流速趨于均勻趨于均勻。五五 流化床的數(shù)學模型流化床的數(shù)學模型 建立數(shù)學模型的目的是要定量地分析影響流化床建立數(shù)學模型的目的是要定量地分析影響流化床性能的各個參數(shù)之間的數(shù)學關系，解決反應器放大和性能的各個參數(shù)之間的數(shù)學關系，解決反應器放大和控制以及相關的最優(yōu)化問題?？刂埔约跋嚓P的最優(yōu)化問題。7.4.1 模型的類別模型的類別 （1）簡單均相模型）簡單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）兩相模型）兩相模型氣泡相（活塞流）氣泡相（活塞流） 乳化

15、相（活塞流）乳化相（活塞流）氣泡相（活塞流）氣泡相（活塞流） 乳化相（全混流）乳化相（全混流）（3）三相模型）三相模型氣泡相氣泡相 氣泡云氣泡云乳化相乳化相氣泡相氣泡相上流相（氣上流相（氣+固）固） 下流相（氣下流相（氣+固）固）以上各種模型，大多數(shù)以氣泡直徑作為模型參數(shù)，以上各種模型，大多數(shù)以氣泡直徑作為模型參數(shù)，根據(jù)氣泡直徑是否可變分為以下幾種情況：根據(jù)氣泡直徑是否可變分為以下幾種情況： （1）各參數(shù)為常數(shù)，不隨床高變化，也與氣泡）各參數(shù)為常數(shù)，不隨床高變化，也與氣泡狀況無關；狀況無關； （2）各參數(shù)為常數(shù)，不隨床高變化，用一恒定）各參數(shù)為常數(shù)，不隨床高變化，用一恒定不變的當量氣泡直徑作為模型的可調參數(shù)。不變的當量氣泡直徑作為模型的可調參數(shù)。 （3）各參數(shù)與氣泡大小有關，氣泡大小隨床高）各參數(shù)與氣泡大小有關，氣泡大小隨床高變化。變化。 迄今為止，已提出很多流化床數(shù)學模型，也有迄今為止，已提出很多流化床數(shù)學模型，也有一些應用的實例與實際情況比較符合，但尚無一個一些應用的實例與實際情況比較符合，但尚無一個被公認為可普遍使用的數(shù)學模型。下面以兩種比較被公認為可普遍使用的數(shù)學模型。下面以兩種比較