流化床反應器的特性測定

1、 流化床反應器的特性測定前言流化床反應器是一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運動狀態(tài)，并進行氣固相反應過程或液固相反應過程的反應器。在用于氣固系統(tǒng)時，又稱沸騰床反應器。流化床反應器在現(xiàn)代工業(yè)中的早期應用為20世紀20年代出現(xiàn)的粉煤氣化的溫克勒爐(見煤氣化爐)；但現(xiàn)代流化反應技術的開拓，是以40年代石油催化裂化為代表的。目前，流化床反應器已在化工、石油、冶金、核工業(yè)等部門得到廣泛應用。一、實驗目的流化床反應器的重要特征是細顆粒催化劑在上升氣流作用下作懸浮運動,固體顆粒劇烈地上下翻動。這種運動形式使床層內流體與顆粒充分攪動混和，避免了固定床反應器中的熱點現(xiàn)象，床層溫度分布均勻。

2、然而，床層流化狀態(tài)與氣泡現(xiàn)象對反應影響很大，盡管有氣泡模型與兩相模型的建立，但設計中仍以經驗方法為主。本實驗旨在觀察和分析流化床的操作狀態(tài)，目的如下：觀察流化床反應器中的流態(tài)化過程掌握流化床壓降的測定并繪制壓降與氣速的關系圖計算臨界流化速度及最大流化速度,并與實驗結果作比較(離n.-建啟世舀圖1-1氣體流化床的實際AP-u二、實驗原理與固定床反應器相比，流化床反應器的優(yōu)點是：可以實現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；流體和顆粒的運動使床層具有良好,關系圖的傳熱性能，床層內部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于強放熱反應；便于進行催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)操作，適于催化劑失活速率高的過程的進行，石油餾分催化流

3、化床裂化的迅速發(fā)展就是這一方面的典型例子。流化床存在的局限性:由于固體顆粒和氣泡在連續(xù)流動過程中的劇烈循環(huán)和攪動，無論氣相或固相都存在著相當廣的停留時間分布，導致不適當?shù)漠a品分布，陣低了目的產物的收率；反應物以氣泡形式通過床層，減少了氣-固相之間的接觸機會，降低了反應轉化率；由于固體催化劑在流動過程中的劇烈撞擊和摩擦，使催化劑加速粉化，加上床層頂部氣泡的爆裂和高速運動、大量細粒催化劑的帶出，造成明顯的催化劑流失。流態(tài)化現(xiàn)象氣體通過顆粒床層的壓降與氣速的關系如圖2-27所示當流體流速很小時固體顆粒在床層中固定不動在雙對數(shù)坐標紙上床層壓降與流速成正比如圖AB段所示此時為固定床階段當氣速略大于B點之

4、后因為顆粒變?yōu)槭杷蔂顟B(tài)排列而使壓降略有下降。繼續(xù)增加床層壓降保持不變床層高度逐漸增加固體顆粒懸浮在流體中并隨氣體運動而上下翻滾此為流化床階段稱為流態(tài)化現(xiàn)象開始流化的最小氣速稱為臨界流化速度umf。當流體速率更高時如超過圖中的E點時整個床層將被流體所帶走顆粒在流體中形成懸浮狀態(tài)的稀相并與流體一起從床層吹出床層處于氣流輸送階段E點之后正常的流化狀態(tài)被破壞壓降迅速降低與E點相應的流速稱為最大流化速度ut。臨界流化速度umf臨界流化速度可以通過與u關系進行測定PA也可以用公式計算常用的經驗計算式d1.82(0-0)0.94有：u二0.695mfP】s】gL!0.8800.06g通過經驗式計算常有一定偏

5、差在條件滿足的情況下常常通過實驗直接測定顆粒的臨界流化速度最大流化速度ut最大流化速度ut亦稱顆粒帶出速度t理論上應等于顆粒的沉降速度按不同情況可用下式計算：utdp(Ps-Pg)18!，Re0.4putut.、一I14(Ps-Pg)g3d22518!p0.4Re500p其中，Repdp一顆粒當量直徑，m；PS一顆粒密度，kg/m3；ut一最大流化速度，m/s；Pg流體密度，kg/m3；卩一流體粘度，kg-m-1-s-1；umf一臨界流化速度，m/s。三、實驗裝置與流程流化床特性測試實驗實物圖和示意流程見圖1-2和1-3。rra1-2流化床裝置.實物團I口-刖初巒：胞|韋丿；I：Ks櫛閥：v-

6、lifiS：w-M聞：|_一二逋聞1.1忸上Z.-鋼糊;瞇百:3-t.-.r：IZ:-.f-nC.hli.1：5e-1屁曲:6-Jk*曲:T-I熱打FB-|4-!-:：=10-ii-IKi-kjJ.!.2311羽：！二-氣沆什調匕：1Z-.J/-1!.iL-VnPi鍵IIS-,：-1.-!-：j:譏匚心屮缽IT-kftM-111-3漩化床反應盟特性測試就程圉實驗用的固體物料是不同粒度的石英砂氣體用空氣由空氣壓縮機來的空氣經穩(wěn)壓閥穩(wěn)壓后，由轉子流量計調節(jié)計量，隨后可通入裝有石英砂固體顆粒的流化床反應器。氣體經分布板吹入床層，從反應器上部引出后放空。由于出口與大氣相通，床層壓力降可通過進口壓力表測

7、得。氣體流量：04L/min（空氣）；最高操作壓力：00.16MPa;催化劑填裝量：1030ml;反應段：25X2.5mm,450mm;長擴大段：76X3mm,180mm；長總長630mm；四、實驗步驟與方法1、打開空壓機，穩(wěn)壓后調節(jié)空氣流量，測定空管時壓力降與流速關系以作比較。2、關閉氣源，小心卸下玻璃流化床反應器，裝入己篩分的一定粒度石英砂，檢漏。3、通入氣體，在不同氣速下觀察玻璃流化床反應器中流化現(xiàn)象，測定不同氣速下床層高度與壓降值。4、改變石英砂粒度重復實驗。5、實驗結束關閉氣源。五、實驗數(shù)據(jù)處原始數(shù)據(jù)表1.120目8ml硅膠表2.160目8ml硅膠氣體流量/(L/min)11.52.

8、53.53.63.73.844.55h左/cm0.70.690.680.670.6780.6790.6790.680.6820.692h右/cm0.80.810.820.830.8220.8210.8210.820.8180.808Ah/cm0.10.120.140.160.1440.1420.1420.140.1360.116氣體流量/(L/min)12.533.544.54.75h左cm0.710.7050.7080.7150.720.7260.7280.728h右/cm0.7950.8040.8020.7980.7920.7850.7820.78Ah/cm0.0850.0990.0940

9、.0830.0720.0590.0540.052氣體流量(L/min)11.21.51.722.32.52.833.545h左/cm0.700.700.70.690.690.690.690.690.690.70.700.719886798922h右/cm0.810.800.810.810.810.810.810.800.800.800.790.7951139759Ah/cm0.100.090.110.110.110.110.110.110.100.100.090.07171256118578表3.180目8ml硅膠數(shù)據(jù)處理結果匯總/h/cm0.10.120.140.160.1440.1420.

10、1420.140.1360.116/P/pa10121416141414141311u/m/s0.050.080.130.190.190.200.200.210.240.27表4.120目8ml硅膠Ah/cm0.0850.0990.0940.0830.0720.0590.0540.052Ap/pa810987655u/m/s0.050.130.160.190.210.240.250.27表5.160目8ml硅膠Ah/cm0.1010.0970.1110.1120.1150.1160.1110.1110.1080.1050.0970.078Ap/pa10101111111111111110108

11、u/m/s0.050.060.080.090.110.120.130.150.160.190.210.27表6.180目8ml硅膠將AP對u進行作圖如下:120氣體濟化床的實際AP-u關系圖10u3一連IT從圖中可以看出：120目硅膠顆粒的臨界流化速度Umf=0.19m/s160目硅膠顆粒的臨界流化速度Umf=0.13m/s180目硅膠顆粒的臨界流化速度umf=0.19m/sd1.82(OO)094由臨界流化速度公式uf=0.695p(匕Og丿可以得出理論臨界流化速度：卩0.88P嚴已知：120目d=120um，160目d=96um，180目d=80umpppPs=1120kg/m3，Pg=1

12、.169kg/m3，卩=18.448uPas將其帶入公式計算得：120目硅膠顆粒的臨界流化速度Umf=0.36m/s160目硅膠顆粒的臨界流化速度180目硅膠顆粒的臨界流化速度umf=0.17m/s以160目的硅膠顆粒數(shù)據(jù)舉例：當氣體流量為1L/min時，Ah=h右-h左=0.795-0.71=0.085cmAP=gAh=1000X9.81X0.085X10一2=8.34Pau=(1X10_3)/(60X3.14X0.0852)=0.0531m/s結果與討論流化態(tài)過程觀察的現(xiàn)象在氣體流速較小時，由對數(shù)坐標圖上可以看出氣體通過床層的壓力降AP與流速u呈直線關系；當氣體流速增大到一定程度時，壓力降

13、達到一極值；流速繼續(xù)增大時，壓力降略有降低；此后床層壓力降基本不隨流速而變。影響臨界流化速度與最大流化速度的因素顆粒的當量直徑、顆粒密度、流體密度、流體黏度、雷諾數(shù)誤差分析以160目硅膠顆粒為例，臨界流化速度的實驗值為0.13m/s，而理論值為0.24m/s,D=(0.240.13)x100%=45.83%.可以看出實驗值與理論值存在著較大的0.24誤差。其原因有：1、由于機器使用年限已久，使得其性能變差，靈敏度下降；2、讀取壓力時，由于其刻度較為密集，而所測出的值較小，存在較大的讀數(shù)誤差；3、選取不合適的氣體流速，因為壓力降與流速采用的是雙對數(shù)坐標作圖法，所以對于流速我們應該采用對數(shù)分割，但是實際操作中很難采用對數(shù)分割，只能盡量的接近它，故這會產生較大的誤差。六、思考題氣體通過顆粒床層有哪幾種操作狀態(tài)?如何劃分?答：氣體通過顆粒層可分為固定式、臨界流態(tài)化、散式流態(tài)化、聚式流態(tài)化。依據(jù)床層壓降、流速及流化床的流態(tài)化現(xiàn)象來進行劃分。流化床中有哪些不正常流化現(xiàn)象?各與什么因素有關?答：不正?，F(xiàn)象：溝流、騰涌。溝流主要是因流體分布板設計或安裝上存在的問題，使流體通過分布板進入濃相段形成的不是氣泡而是氣流。騰涌主要是因床徑過小使得床高與床徑比較大時，氣泡在上升過程中可能聚集并增大，甚至達到占據(jù)整個床層截面的地步，將固體顆粒一