化學(xué)反應(yīng)工程流化床反應(yīng)器

1、會計(jì)學(xué)1化學(xué)反應(yīng)工程流化床反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程流化床反應(yīng)器第1頁/共105頁目 錄第1頁/共105頁第2頁/共105頁前 言第2頁/共105頁第3頁/共105頁第3頁/共105頁第4頁/共105頁前 言第4頁/共105頁第5頁/共105頁第5頁/共105頁第6頁/共105頁第6頁/共105頁第7頁/共105頁第7頁/共105頁第8頁/共105頁催化裂化催化劑是典型的A類顆粒。第一節(jié) 固體流態(tài)化的基本特征及工業(yè)應(yīng)用一、流態(tài)化現(xiàn)象第8頁/共105頁第9頁/共105頁1. 顆粒的分類第9頁/共105頁第10頁/共105頁1. 顆粒的分類第10頁/共105頁第11頁/共105頁2. 聚式流態(tài)化與散式流態(tài)

2、化第11頁/共105頁第12頁/共105頁。2. 聚式流態(tài)化與散式流態(tài)化第12頁/共105頁第13頁/共105頁2. 聚式流態(tài)化與散式流態(tài)化第13頁/共105頁第14頁/共105頁2. 聚式流態(tài)化與散式流態(tài)化第14頁/共105頁第15頁/共105頁第15頁/共105頁第16頁/共105頁第16頁/共105頁第17頁/共105頁圖8-1 氣-固流態(tài)化中各種流體力學(xué)流型的特征示意第17頁/共105頁第18頁/共105頁降波動較小，即散式流態(tài)化。(1) 散式流態(tài)化床層膨脹散式流化床第18頁/共105頁第19頁/共105頁泡中帶走顆粒所造成的空缺。鼓泡流化床第19頁/共105頁第20頁/共105頁第2

3、0頁/共105頁第21頁/共105頁第21頁/共105頁第22頁/共105頁uc。第22頁/共105頁第23頁/共105頁床，而氣體返混則小于鼓泡流化床。第23頁/共105頁第24頁/共105頁第24頁/共105頁第25頁/共105頁第25頁/共105頁第26頁/共105頁圖8-2 常見的幾種氣-固并流上行循環(huán)流化床系統(tǒng)第26頁/共105頁第27頁/共105頁第27頁/共105頁第28頁/共105頁操作條件操作條件FCCCFBC顆粒特征顆粒特征p = 11001700 kg/m3dp = 4080 mp =18002600 kg/m3dp =100300 m提升管表觀氣速，提升管表觀氣速，m/

4、s62859提升管顆粒循環(huán)提升管顆粒循環(huán)速，速，kg/(m2s)400120010100提升管表觀顆粒提升管表觀顆粒濃度，濃度，kg/m3501601040高徑比高徑比20510提升管直徑，提升管直徑，m0.71548固體貯量固體貯量高高低低出口結(jié)構(gòu)出口結(jié)構(gòu)平滑平滑非平滑非平滑第28頁/共105頁第29頁/共105頁2. 高氣速氣-固流態(tài)化中的流型第29頁/共105頁第30頁/共105頁快床顆粒的徑向分布顆粒含率實(shí)際分布模型分布0.20.40.6高度快床氣流輸送湍流床 鼓泡流化床密度圖：各種狀態(tài) 流化床沿床高密度變化第30頁/共105頁第31頁/共105頁燒焦罐提升管蒸汽洗脫空氣油氣2. 高氣

5、速氣-固流態(tài)化中的流型第31頁/共105頁第32頁/共105頁2. 高氣速氣-固流態(tài)化中的流型第32頁/共105頁第33頁/共105頁第33頁/共105頁第34頁/共105頁第34頁/共105頁第35頁/共105頁第35頁/共105頁第36頁/共105頁第36頁/共105頁第37頁/共105頁第37頁/共105頁第38頁/共105頁1. 流態(tài)化技術(shù)的基本問題：(1) 氣流體的分布分布器的結(jié)構(gòu)；(2) 顆粒的流動特性顆粒的尺寸、形狀、密度及粒度分布；(3) 特征流速臨界流化速度、起始湍動流化速度等；(4) 床層的膨脹與壓降；(5) 氣泡的行為和影響氣泡的結(jié)構(gòu)、尺寸和上升速度；(6) 乳相的行為和

6、影響；(7) 流態(tài)化的熱、質(zhì)傳遞；(8) 內(nèi)部構(gòu)件的影響垂直管、水平管、橫向擋板及特殊構(gòu)件(9) 顆粒的夾帶和分離；(10) 顆粒的輸送；(11) 流態(tài)化過程數(shù)學(xué)模型。三、流態(tài)化技術(shù)的基本問題第38頁/共105頁第39頁/共105頁 (1) 床內(nèi)物料的流化狀態(tài)，有助于實(shí)施連續(xù)流動和循環(huán)操作； (2) 傳熱效能高，而且床內(nèi)溫度易于維持均勻。 (3) 氣固相之間的傳質(zhì)速率較高。 (4) 粒子較細(xì)，可降低或消除內(nèi)擴(kuò)散阻力，充分發(fā)揮催化劑的效能； (5) 流化床的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊，故適于大型生產(chǎn)操作；2. 流態(tài)化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)第39頁/共105頁第40頁/共105頁(1) 低氣速下，大氣泡的存在易造成氣體

7、短路，返混明顯，氣體嚴(yán)重偏離平推流，對轉(zhuǎn)化率影響較大；(2) 多相流系統(tǒng)規(guī)律復(fù)雜，工程放大技術(shù)難度較大；(3) 固體粒子的迅速循環(huán)和氣泡的攪動作用，會造成固體粒子停留時(shí)間分布不均，降低了固體的出口平均轉(zhuǎn)化率；(4) 粒子的磨損和帶出造成催化劑損耗，加劇了對設(shè)備的磨損。3. 流態(tài)化技術(shù)缺點(diǎn)第40頁/共105頁第41頁/共105頁（1）物理操作（2）礦物加工（3）煤的燃燒和轉(zhuǎn)化（4）石油加工（5）有機(jī)合成工業(yè)（6）材料工業(yè)四、流態(tài)化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用第41頁/共105頁第42頁/共105頁第42頁/共105頁第43頁/共105頁圖8-4 均勻砂粒的壓降與氣速的關(guān)系pmax表觀氣速ug, m/sumfu

8、t1 2 3 5 10 20 30 50 100p，mmH2O500300200100500mf流化床固定床夾帶開始tAWp ABC第43頁/共105頁第44頁/共105頁m axp p 第44頁/共105頁第45頁/共105頁p p p mf 第45頁/共105頁第46頁/共105頁 臨界流化狀態(tài)時(shí)，床層的壓力降 應(yīng)按下式計(jì)算： 式中 是臨界流化時(shí)的床層空隙率， 和 分別是固體顆粒和流體的密度，/m3 。p (1)()mfmfsfcWpLgA mfsf第46頁/共105頁第47頁/共105頁231501(1.75)()ReffmsupLd 11Re()()11sffsmffdudG 6ps

9、vspVddS s 第47頁/共105頁第48頁/共105頁22331150(1)11.75()()() (1)()f m fm fm fff m fm fm fsfsm fsf m fsm fuugddud 32/sffd ss vdd 323232150(1)()1.75()()v m ffm fv m ffvfsfs m ffsm fffdududg 以量綱1數(shù) 即Ar (Archmides)數(shù), 和 代入上式，即32() /vfsffdg Remfv mfffdu 2323150(1)1.75(Re )Remfmfmfs mfsmfAr 第48頁/共105頁第49頁/共105頁11ni

10、ipipxdd 第49頁/共105頁第50頁/共105頁s 23(1) () 11mfsmf 31() 14smf 20.5121RemfP mfffd ucc Arc 第50頁/共105頁第51頁/共105頁2() (1650 )mfPsffudg Re20mf 0.5 () (24.5)mfpsffudg Re1000mf 第51頁/共105頁第52頁/共105頁2/() 0.13mfmfPFrugd 0.13mfFr 第52頁/共105頁第53頁/共105頁kg m s 40.90.1/4.125 10/()mbmfggsgPuugd 第53頁/共105頁第54頁/共105頁第54頁/共

11、105頁第55頁/共105頁fup loglog圖8-5 顆粒不均勻或密度不同的混合顆粒的流態(tài)化的 圖第55頁/共105頁第56頁/共105頁1. 起始湍動流化速度320200.20.270.271.270.211 2.42 10()() ()()ggsgcRRRgggPpuDDDdgd 第56頁/共105頁第57頁/共105頁第57頁/共105頁第58頁/共105頁0.2680.690.2(/) 1.463()()(/)ReTFRSRgsggRPtugDGDD d 2/()kg m s 第58頁/共105頁第59頁/共105頁0.4420.960.344(/) 0.684(/)()/(/)R

12、eFDRsRgsggRptugDGDD d 第59頁/共105頁第60頁/共105頁1.單顆光滑球形顆粒的終端速度233211( )( )( ) ()6642fpspfDSpudgdg Cd 第60頁/共105頁第61頁/共105頁第61頁/共105頁第62頁/共105頁s圖8-6 單顆粒曳力系數(shù)CDS與雷諾數(shù)的關(guān)系第62頁/共105頁第63頁/共105頁105. 0213. 1253. 0)/()Re/(Re68. 1/RPtrDSDDdCC)/(RegSLgprudpgSLuuu)/()1 (/SSpGu第63頁/共105頁第64頁/共105頁一、氣-固密相流化床的基本結(jié)構(gòu)圖8-7 典型的

13、密相流化床結(jié)構(gòu)示意圖第64頁/共105頁第65頁/共105頁管柵分布器：單層篩板直形篩板凹形篩板多層篩板夾層填料泡帽側(cè)縫錐帽原則：以分布均勻，防止積料，結(jié)構(gòu)簡單和材料節(jié)省為宜。第65頁/共105頁第66頁/共105頁直孔篩板第66頁/共105頁第67頁/共105頁凹形篩板第67頁/共105頁第68頁/共105頁直孔泡帽分布板第68頁/共105頁第69頁/共105頁泡帽側(cè)縫分布板第69頁/共105頁第70頁/共105頁錐型側(cè)縫分布板第70頁/共105頁第71頁/共105頁細(xì)小的顆粒則最終被氣流帶出流化床。2. 自由空域和擴(kuò)大段第71頁/共105頁第72頁/共105頁第72頁/共105頁第73頁/

14、共105頁第73頁/共105頁第74頁/共105頁3. 換熱裝置及內(nèi)部構(gòu)件第74頁/共105頁第75頁/共105頁內(nèi)旋導(dǎo)向擋板第75頁/共105頁第76頁/共105頁外旋導(dǎo)向擋板第76頁/共105頁第77頁/共105頁多旋導(dǎo)向擋板第77頁/共105頁第78頁/共105頁第78頁/共105頁第79頁/共105頁氣泡的作用： 氣泡在上升過程中，因聚并而增大； 同時(shí)不斷與乳相間進(jìn)行物質(zhì)交換，即將反應(yīng)物傳遞到乳相中去，使在催化劑上進(jìn)行反應(yīng)，又將產(chǎn)物傳遞到氣泡中來。泡相和乳相：在粒子之間的空隙處，氣體以u0流過，多余的氣體則是以氣泡狀態(tài)通過床層。因此常把氣泡與氣泡以外的密相床分別稱為泡相和乳相。二、氣-

15、固鼓泡流化床第79頁/共105頁第80頁/共105頁氣泡暈：氣泡周圍為循環(huán)氣體所滲透的區(qū)域，其中所含粒子濃度和乳相幾乎相同。功能：尾渦處由于壓力比近旁稍低，顆粒被卷了進(jìn)來，形成局部渦流。在氣泡上升途中，尾渦處不斷有一部分顆粒離開，同時(shí)又有另一部分顆粒補(bǔ)充進(jìn)來，從而促進(jìn)了全床顆粒的循環(huán)與混合?？偨Y(jié)：氣泡氣泡暈（氣泡云和尾渦）乳相。結(jié)構(gòu)：單個(gè)上升氣泡的頂呈球形，尾部略為內(nèi)凹，該內(nèi)凹處稱為尾渦。二、氣-固鼓泡流化床第80頁/共105頁第81頁/共105頁第81頁/共105頁第82頁/共105頁第82頁/共105頁第83頁/共105頁第83頁/共105頁第84頁/共105頁一、流型轉(zhuǎn)變minsGG 第

16、84頁/共105頁第85頁/共105頁 圖8-23 床層上、下部壓降與表觀氣速的變化關(guān)系一、流型轉(zhuǎn)變第85頁/共105頁第86頁/共105頁圖8-24 循環(huán)流態(tài)化存在區(qū)域第86頁/共105頁第87頁/共105頁第87頁/共105頁第88頁/共105頁快速、不可逆反應(yīng)；催化劑迅速失活而需連續(xù)再生的反應(yīng)；中間物為目的產(chǎn)品、要求高收率和高選擇性的反應(yīng)；氧化-還原類反應(yīng)；需用顆粒將熱量引入或引出的強(qiáng)吸熱和放熱反應(yīng)。 第88頁/共105頁第89頁/共105頁(1) 氣-固催化反應(yīng)過程m第89頁/共105頁第90頁/共105頁第90頁/共105頁第91頁/共105頁(2) 氣-固非催化反應(yīng)過程第91頁/共

17、105頁第92頁/共105頁CFB鍋爐的結(jié)構(gòu)分析第92頁/共105頁第93頁/共105頁 催化裂化是一個(gè)脫碳的過程，原料在裂化時(shí)一方面要生成氫碳原子比較高、分子量較?。ㄏ鄬τ谠隙裕┑妮p質(zhì)油和氣體，同時(shí)也要縮合生成一部分氫碳原子比較低的產(chǎn)物，甚至是焦炭。這樣催化劑在反應(yīng)過程中很快就會被焦炭所覆蓋而失去其活性。(3) 流化催化裂化循環(huán)床 因而只有將催化劑表面的焦炭脫除，才能使催化劑恢復(fù)活性、循環(huán)使用。一般采用燒焦的方式脫除催化劑表面的焦炭。因此催化裂化裝置必須包括反應(yīng)和催化劑再生兩個(gè)部分。 第93頁/共105頁第94頁/共105頁300380 再生催化劑650700 二級旋風(fēng)分離器78m/s470510 14s待生催化劑汽提第94頁/共105頁第95頁/共105頁反應(yīng)吸熱，再生放熱，催化劑作為熱載體；再生煙氣溫度很高，流量大，應(yīng)回收再生煙氣的化學(xué)能和熱能；在生產(chǎn)過程中，催化劑會有損失和失活，為了維持系統(tǒng)內(nèi)催化劑的藏量和活性，需定期向系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)充或置換催化劑；保證催化劑在兩器間按正常流向循環(huán)以及再生器有好的流化狀態(tài)是催化裂化裝置的技術(shù)關(guān)鍵。說明：第95頁/共105頁第96頁/共105頁The end!第96頁/共105頁第97頁/共105頁2. 聚式流態(tài)化與散式流態(tài)化