流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)概論

1、. z.- - - .可修編 .焦 作 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文設(shè)計(jì)題 目：流化床反響器的設(shè)計(jì)概論 姓 名：常青雪 年 級(jí)： 1205062 院 系： 化工與環(huán)境工程學(xué)院 專 業(yè)： 化學(xué)工程 指導(dǎo)教師： 付金峰 完成時(shí)間： 2015年5月19日-. z.- .可修編 .目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc20820 第一章 概述 PAGEREF _Toc20820 2 HYPERLINK l _Toc22599 1.1 流態(tài)化根本概念 PAGEREF _Toc22599 2 HYPERLINK l _Toc11288 1.1.1 概念 PAGEREF _Toc1128

2、8 2 HYPERLINK l _Toc13848 1.1.2流態(tài)化現(xiàn)象 PAGEREF _Toc13848 4 HYPERLINK l _Toc2411 1.1.3散式流態(tài)化和聚式流態(tài)化 PAGEREF _Toc2411 5 HYPERLINK l _Toc30317 1.1.4流化態(tài)過(guò)程中的不正?，F(xiàn)象 PAGEREF _Toc30317 7 HYPERLINK l _Toc2471 第二章 流化床反響器的構(gòu)造、參數(shù)及其工藝計(jì)算 PAGEREF _Toc2471 9 HYPERLINK l _Toc21411 2.1 理想流體的流化床的流化速度 PAGEREF _Toc21411 9 HYP

3、ERLINK l _Toc29536 2.1.1臨界硫化速度 PAGEREF _Toc29536 9 HYPERLINK l _Toc16647 2.1.2操作流化速度 PAGEREF _Toc16647 9 HYPERLINK l _Toc8106 2.1.2流化床反響器構(gòu)造 PAGEREF _Toc8106 11 HYPERLINK l _Toc620 2.2 流化床反響器的床型 PAGEREF _Toc620 13 HYPERLINK l _Toc76353.1 傳質(zhì)概率與傳質(zhì)微分方程 PAGEREF _Toc7635 16 HYPERLINK l _Toc396 3.1.1 混合物組成

4、的表示方法 PAGEREF _Toc396 16 HYPERLINK l _Toc29127 3.1.2 傳質(zhì)的通量 PAGEREF _Toc29127 17 HYPERLINK l _Toc22353 3.2質(zhì)量傳遞的根本方式 PAGEREF _Toc22353 18 HYPERLINK l _Toc10932 3.2.1 分子傳質(zhì) PAGEREF _Toc10932 18 HYPERLINK l _Toc28787 3.2流化床的傳熱 PAGEREF _Toc28787 21 HYPERLINK l _Toc15275 第四章 數(shù)據(jù)處理及結(jié)論 PAGEREF _Toc15275 23 HY

5、PERLINK l _Toc12313 4.1數(shù)據(jù)處理 PAGEREF _Toc12313 23 HYPERLINK l _Toc3652 4.1.1 質(zhì)量衡算 PAGEREF _Toc3652 23 HYPERLINK l _Toc18516 4.1.2能量衡算 PAGEREF _Toc18516 23 HYPERLINK l _Toc18336 4.2.2流化床反響器的開(kāi)發(fā)與放大 PAGEREF _Toc18336 25 HYPERLINK l _Toc32692 致謝 PAGEREF _Toc32692 31 HYPERLINK l _Toc14908 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc

6、14908 32-. z.- .可修編 .第一章 概述流化床反響器比擬適用于強(qiáng)烈放熱、催化劑易于失活的有機(jī)反響過(guò)程。在流化床反響器中工業(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。流化床反響器的傳質(zhì)、傳熱效果好，升溫降溫時(shí)溫度分布穩(wěn)定，催化劑可以連續(xù)再生，反響器單位產(chǎn)量大，單位投資抵等優(yōu)點(diǎn)。1.1 流態(tài)化根本概念概念一般指固體流態(tài)化，又稱假液化，簡(jiǎn)稱流化，它是利用流動(dòng)流體的作用，將固體顆粒群懸浮起來(lái)，從而使固體顆粒具有*些流體表觀特征，利用這種流體與固體間的接觸方式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的操作，稱為流態(tài)化技術(shù)，屬于粉體工程的研究*疇。流態(tài)化技術(shù)

7、是一種強(qiáng)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)地參加顆粒狀固體物料，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(yùn)動(dòng)而不致被流體帶走。優(yōu)點(diǎn)：傳熱效能高，而且床內(nèi)溫度易于維持均勻這對(duì)于熱效應(yīng)大而對(duì)溫度又很敏感的過(guò)程是很重要的，因此特別被應(yīng)用與氧化，裂解、焙燒以及枯燥等各種過(guò)程。大量固體粒子可方便地往來(lái)輸送這對(duì)于催化劑迅速失活而需隨時(shí)再生的過(guò)程如催化裂化來(lái)說(shuō)，正是能否實(shí)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。由于粒子細(xì)，可以消除內(nèi)擴(kuò)散阻力，能充分發(fā)揮催化劑的效能。但流化

8、床也有一些缺點(diǎn)，如：1氣流狀態(tài)不均，不少氣體以氣泡狀態(tài)經(jīng)過(guò)床層，氣固兩相接觸不夠有效，在要求到達(dá)到轉(zhuǎn)化率時(shí)，這種狀況更為不利。2粒子運(yùn)動(dòng)根本上是全混式，因此停留時(shí)間不一。在以粒子為加工對(duì)象時(shí)，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局部返混，影響反響速度和造成副反響的增加。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(fēng)別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(dāng)是在考慮了上述這些缺點(diǎn)，并結(jié)合反響的動(dòng)力學(xué)特征加以斟酌后才能正確決定。流態(tài)化現(xiàn)象流化是一種利用流動(dòng)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*些表觀特征的過(guò)程。當(dāng)流體自

9、容器下部經(jīng)多孔分布板進(jìn)入堆放固體顆粒的床層時(shí)，由于流體的流動(dòng)及其與顆粒外表的摩擦，造成了流體通過(guò)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，壓降的大小也不一樣，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。流化床階段 流體流速較低時(shí)，流體從靜止顆粒間的空隙流動(dòng)，固體顆粒之間不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，猶如前述流體由上而下通過(guò)的固定床，所以這時(shí)的床層稱為固定床，當(dāng)流速逐步增大，床層變松，少量顆粒在一定區(qū)間內(nèi)振動(dòng)或游動(dòng)，床層高度稍有膨脹，這時(shí)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。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(dāng)流體通過(guò)床層的壓降大致等于單

10、位面積上床層顆粒的重量，且壓降保持不變時(shí)，固定顆粒懸浮在向上流動(dòng)的流體中，床層開(kāi)場(chǎng)流華，此時(shí)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(gè)明顯上界面。傳送階段 再將流體流速增大到一定值時(shí)，流化床的上界面消失，顆粒被流體夾帶流出，這時(shí)變?yōu)轭w粒的輸送階段可實(shí)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。散式流態(tài)化和聚式流態(tài)化.1散式流態(tài)化 定義：假設(shè)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異較小的情況下的情況可發(fā)生散式流化，

11、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(diǎn):顆粒均勻分布在流體中，并在各方向上作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)；床層外表平穩(wěn)且清晰；床層隨流體表觀流速的增加而均勻膨脹；床內(nèi)孔隙率均勻增加；床層上界面平穩(wěn)壓降穩(wěn)定波動(dòng)。.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(gè)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(yùn)動(dòng)狀況和空隙率，與起始流化狀態(tài)相近。通過(guò)床層的流體，局部從乳化相的顆粒間通過(guò)，其余以氣泡形式通過(guò)床層。增加流體流量時(shí)，通過(guò)乳化相的氣量根本不變，而氣泡量相應(yīng)增加。氣泡在分布板上生成，在上升過(guò)程中長(zhǎng)大；小氣泡會(huì)合并成大氣泡；大

12、氣泡也會(huì)破裂成小氣泡。氣泡上升至床面時(shí)破裂，使床面頻繁地波動(dòng)起伏，同時(shí)將一局部固體顆粒拋撒到界面以上，形成一個(gè)含固體顆粒較少的稀相區(qū)；與此相對(duì)應(yīng)，床面以下的床層稱為濃相區(qū)。氣泡的運(yùn)動(dòng)即使床層中的顆粒劇烈運(yùn)動(dòng)，也影響到氣固間的均勻接觸。美國(guó)學(xué)者R.H.威海姆和中國(guó)學(xué)者郭慕孫提出用下式計(jì)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。Fr1時(shí)為聚式流態(tài)化，F(xiàn)r1時(shí)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)化的根本特征：較小的氣泡呈球形，較大的氣泡呈帽形；氣泡的中心是根本上不含顆粒的空穴；氣泡的外層

13、稱為暈，這是滲透著氣泡氣流的乳化相；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(guò)程中，尾跡中的顆粒不斷脫落，并不斷引入新的顆粒。氣泡上升到床面時(shí)發(fā)生破裂，尾跡中的顆粒撒于床面，返回乳化相中。流化態(tài)過(guò)程中的不正常現(xiàn)象.1奔涌騰涌是當(dāng)氣泡直徑增大到接近于床層直徑時(shí)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(dòng)著上升，當(dāng)氣泡到達(dá)床界面時(shí)，氣泡破裂，床層塌落，顆粒成團(tuán)或分散下落。騰涌嚴(yán)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。.2溝流溝流是指床層中出現(xiàn)通道，

14、大量流體經(jīng)此短路流過(guò)，使床層其余局部仍處于固定床狀態(tài)死床，嚴(yán)重地影響到流體與固體間的均勻接觸。導(dǎo)致溝流的原因有：分布板的設(shè)計(jì)不當(dāng)；顆粒細(xì)而密度大,形狀不規(guī)則;顆粒有粘附性或含濕量較大。流態(tài)化技術(shù)的進(jìn)展流態(tài)化技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用，首推1926年在德國(guó)工業(yè)化的煤氣化溫克勒爐。1942年在美國(guó)建成第一套石油餾分流化床催化裂化反響裝置，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(jìn)入許多領(lǐng)域。中國(guó)于50年代中期，在*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)的開(kāi)展，人們對(duì)流態(tài)化現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)逐步深入。從40年代末對(duì)流化床總體性

15、狀的研究，開(kāi)展到應(yīng)用兩相流體力學(xué)、流變學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等對(duì)床層內(nèi)部性狀作深入研究。近來(lái)的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)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(fēng)別離器和床層間作大量循環(huán)時(shí)，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 流化床反響器的構(gòu)造、參數(shù)及其工藝計(jì)算2.1 理想流體的流化床的流化速度臨界硫化速度臨界流態(tài)化速度Umf時(shí)流態(tài)化操作的最低流速，也是流態(tài)化數(shù)學(xué)模型的根本參數(shù)之一。確定臨界流態(tài)化速度的最好方法莫過(guò)于實(shí)驗(yàn)測(cè)定。小型流態(tài)化床可以用金屬或玻璃制造。為了測(cè)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

16、，測(cè)定時(shí)的狀態(tài)宜盡量模擬實(shí)際生產(chǎn)條件。用降低流速法使床層自流態(tài)化床緩慢復(fù)原至固定床，同時(shí)記下相應(yīng)的氣體流速和床層壓降，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪得到曲線。如果通過(guò)固定床區(qū)和流態(tài)化床區(qū)的點(diǎn)各自劃線，這兩條直線的交點(diǎn)既是臨界流態(tài)化點(diǎn)，其橫坐標(biāo)的值即臨界流態(tài)化速度Umf。操作流化速度 關(guān)于操作速度Uf的選定，沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)典流態(tài)化的速度*圍是在臨界流態(tài)化速度與自由沉降速度之間，即UmfUf106 ,Ui/Umf=7-8對(duì)于小顆粒，或Ar1000的物料，n值應(yīng)取小，一般取n=26；對(duì)于Ar1000的物料，n值可取大，一般取年=610。當(dāng)粒度分布較寬時(shí)，采用的操作速度既要盡可能保證大粒度的流態(tài)

17、化，同時(shí)又要使吹出量盡可能減少，適宜用較低的氣速。反響速度慢，空間速度小的過(guò)程，可用較低的氣泡。 反響的熱效應(yīng)不大時(shí)，可采用較低氣速。粒度易自磨碎，用較低的氣速比擬適合。反之，可用較高的氣速。顆粒流化性能好，需要的床層高度比擬時(shí)，采用較低的氣速比擬適宜。 應(yīng)當(dāng)指出，上述討論是屬于一般性的，實(shí)際情況要復(fù)雜得多，對(duì)操作速度的要求往往存在著矛盾，這就要求設(shè)計(jì)得權(quán)衡利弊，合理抉擇。流化床反響器構(gòu)造 流化床一般是由殼體、氣體分布裝置、內(nèi)部構(gòu)件、換熱器、氣固別離裝置和固體顆粒的加卸裝置所組成?，F(xiàn)對(duì)各局部的構(gòu)造和作用作簡(jiǎn)要介紹。.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

18、形。殼體的上部為氣固別離空間，它的直徑往往比筒體的直徑大，內(nèi)部裝有氣固別離裝置。殼體的中間局部是流化和反響的根本空間，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。.1氣體分布裝置 氣體分布裝置的作用是使進(jìn)入床層的氣體均勻分布，以造成良好的起始流化條件，同時(shí)要具有一定的強(qiáng)度以支撐床層中的固體顆粒。氣體分布裝置包括預(yù)分布器和分布板兩局部。預(yù)分布器設(shè)置的目的是使進(jìn)床氣體不產(chǎn)生偏流現(xiàn)象，如反響氣進(jìn)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?xì)怏w的關(guān)鍵部件，制造分布板的根本要求是要使氣體均勻分布，阻力小，不漏不堵，制造和操

19、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。.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)量以提高反響效率。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。.4換熱器 其作用是供應(yīng)或移走熱量，使流化床反響維持在所要求的溫度*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(shí)，除考慮反響器的換熱

20、要求以外，還要考慮對(duì)床層流化的影響。換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(dāng)于縱向分割床層，可限制大尺寸的空穴，破壞氣泡的成長(zhǎng)；箱式換熱器是由蛇管組合而成，換熱面積大，便于拆裝。.5氣固別離裝置 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(dāng)氣體離開(kāi)流化床后夾帶有不少的細(xì)粒和粉塵，假設(shè)帶出反響器外即造成損失，又會(huì)污損后工序或是產(chǎn)品的質(zhì)量，有時(shí)候還會(huì)堵塞管路或后續(xù)設(shè)備。故要求氣體在離開(kāi)反響器之前要?jiǎng)e離反響器之前和回收這局部細(xì)粒，常用的氣固別離裝置有兩種。設(shè)置沉降別離段。在流化層的上方留有較大的別離空間，并且直徑要比流化層處直徑大。由于別離段直徑

21、較大而使氣速降低，因此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。設(shè)置收塵器。在筒體的上部安裝收塵器，常用收塵器的構(gòu)造形式有旋風(fēng)別離器和過(guò)濾器。其中，旋風(fēng)別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(xì)顆粒和高氣速下操作時(shí)，不至于有太多的夾帶損失。過(guò)濾器常是在假設(shè)干根多孔管外包商絲網(wǎng)或玻璃布而制成，當(dāng)含塵氣體通過(guò)時(shí)，粉塵即被過(guò)濾掉。過(guò)濾管的別離效率高，但阻力大，網(wǎng)孔易堵塞，檢修不方便。2.2 流化床反響器的床型 為了適應(yīng)生產(chǎn)的開(kāi)展和不同化學(xué)反響的需要，因而有各種不同類型的流化床催化反響器，常用的床型有以下幾種。 1.圓筒形流化床 這種床

22、型無(wú)內(nèi)部構(gòu)件，構(gòu)造簡(jiǎn)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(shí)間長(zhǎng)，副反響少的反響過(guò)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響，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(huì)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(xì)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(guò)換熱來(lái)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

23、在一定*圍內(nèi)，物料返混較輕的反響過(guò)程。 4.雙體式流化床 它是由反響器和再生器兩局部組成。反響器內(nèi)進(jìn)展流化床催化床催化反響，再生器內(nèi)使催化劑恢復(fù)活性，這樣催化劑不斷地在反響器與再生器之間循環(huán)運(yùn)動(dòng)，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響過(guò)程。在流化過(guò)程中，用空氣將反響器內(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外表的炭，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響器內(nèi)進(jìn)展裂解反響。在反響器和再生器內(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(guò)程中催化劑不僅起到了加速反響的作用，還起到了傳熱介質(zhì)的作用。第三章 反響器中

24、的傳質(zhì)及傳熱過(guò)程3.1 傳質(zhì)概率與傳質(zhì)微分方程 混合物組成的表示方法質(zhì)量濃度：?jiǎn)挝惑w積混合物中*組分的質(zhì)量。組分A：=mA/v 混合物：=(1+2+n)物質(zhì)的量濃度c：?jiǎn)挝惑w積混合物中*組分的物質(zhì)的量。 組分A：cA=mA/V 混合物：C=C1+C2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)a：混合物中*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=1摩爾分?jǐn)?shù)*：混合物中*組分的物質(zhì)的量和混合物中總物質(zhì)的量之比。 組分A：*A=nA/n 混合物:*1+*2+*n=1質(zhì)量比*：混合物總*組分質(zhì)量與惰性組分質(zhì)量的比值。組分A：*=mA/(m-mA) 質(zhì)量比與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系：*A=aA/(1-aA)摩

25、爾比*：混合物中*組分質(zhì)量與惰性組分質(zhì)量的比值。組分A：*A=nA/n-nA 摩爾比與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系：*A= *A/(1- *A) 傳質(zhì)的通量傳質(zhì)通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)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。.1 以絕對(duì)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=cAuA+cBuB=cu uM=cAuA+cBuB/c .2 以擴(kuò)散速度表示的傳質(zhì)通量質(zhì)量通

26、量：jA=AuA-u =BuB-u摩爾通量：Ja=cAuA-uM =cBuB-uM混合物：j=jA+ J=Ja+.3以主體流動(dòng)速度表示的傳質(zhì)通量質(zhì)量通量：A組分：Au=AuA+BuBA/=aAnA+nB B組分：Bu=aBnA+nB摩爾通量：A組分：cAuM=cAuA+cBuBcA/c=*A(nA+nB) B組分：cBuM=*B(nA+nB)3.2質(zhì)量傳遞的根本方式分為分子傳質(zhì)和對(duì)流傳質(zhì) 分子傳質(zhì).1分子擴(kuò)散現(xiàn)象如下圖。A分子向右運(yùn)動(dòng)，B分子向左運(yùn)動(dòng)。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(shí)間內(nèi)A分子進(jìn)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

27、左傳遞。兩種物質(zhì)各自沿其濃度降低的方向傳遞。 上述擴(kuò)散過(guò)程將一直進(jìn)展到整個(gè)容器中A、B兩種物質(zhì)的濃度完全均勻?yàn)橹?，此時(shí)通過(guò)任一截面物質(zhì)A、B的凈的擴(kuò)散通量為零，但擴(kuò)散仍在進(jìn)展，只是左右兩方向物質(zhì)的擴(kuò)散通量相等，系統(tǒng)處于擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)平衡中。 當(dāng)流體內(nèi)部存在*一組分的濃度或分壓差時(shí)，憑借分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)使該組分由高濃處向低濃處遷移的過(guò)程，稱為分子擴(kuò)散或分子傳質(zhì)，簡(jiǎn)稱擴(kuò)散。.2 費(fèi)克Fick定律描述分子擴(kuò)散的通量或速率的方程。 jA=-DABdA/dz； =DBAdB/dz JA=-DABdcA/dz； =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

28、濃度梯度，kg/m3/m DAB組分A在B中的擴(kuò)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/m.3 等分子反向擴(kuò)散 因兩容器中氣體總壓一樣，所以A、B兩組分相互擴(kuò)散的量nA和nB必然相等，故稱為等摩爾反方向擴(kuò)散。即：JA = 在擴(kuò)散過(guò)程，雖然A、B兩組分發(fā)生變化，但混合氣體總壓不變，即c=cA+cB=常數(shù)，因而dcA/dz= dcB/dz，根據(jù)菲克定律：JA=-DABdcA/dz= =DBAdcB/dz 故：DAB=DBA 該關(guān)系說(shuō)明：對(duì)雙組分混合氣體，在進(jìn)展等摩爾反方向分子擴(kuò)散時(shí)，A在B和B在A中的分子擴(kuò)散系數(shù)相等

29、，以后以D表示。3.2.1 2截面上有一層只允許A組分通過(guò)但不允許B組分通過(guò)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(jìn)展分子擴(kuò)散，并進(jìn)入液相中去，而液相中無(wú)任何組分進(jìn)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(huì)自動(dòng)向2截面發(fā)生宏觀運(yùn)動(dòng)，稱為總體流動(dòng)。 總體流動(dòng)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(kuò)散的方式向氣相主體移動(dòng)。這樣實(shí)際的凈結(jié)果是A組分不斷向液面移動(dòng)，對(duì)于組分B來(lái)講，隨總體流動(dòng)向液面運(yùn)動(dòng)的同時(shí)又以相反方向進(jìn)展分子擴(kuò)散到氣相主體，實(shí)際上等于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，故稱為A組分通過(guò)停滯組分B的擴(kuò)散。JA=cA(

30、uA-uM)=-DABdcA/dz得cAuA=-DdcA/dz+cAuMnA=cAuA;cAuM=*A(nA+nB)nA=-DdcA/dz+ *A(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(shí)際通量=分子擴(kuò)散通量+主體流動(dòng)通量這是費(fèi)克第一定律的一般表達(dá)式。3.2流化床的傳熱 流化床的優(yōu)點(diǎn)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(jì)，所以重要的是床層與內(nèi)壁間的傳熱及床層與浸沒(méi)于床中的換熱器外表間的傳熱。 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/

31、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(gè)極大值，然后下降，像一個(gè)倒U形。對(duì)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)流化床與換熱外表間傳熱的許多研究結(jié)果，可以得出各種參數(shù)對(duì)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(duì)沒(méi)有影響；顆粒的比熱增大，也增大；粒徑增大，降低。這種影響對(duì)細(xì)顆粒的情況比擬粗顆粒更甚；圓球形的及外表光滑的顆粒最大，因?yàn)樗菀琢鲃?dòng)；流體的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)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(xì)時(shí)大，因?yàn)樗厦娴念w粒群更易于更替下來(lái)；管子的位置對(duì)影響不太大，主要應(yīng)根據(jù)工藝

32、上的考慮而定；但如管束排列過(guò)密，則降低；對(duì)水平管束來(lái)說(shuō)，錯(cuò)列的影響更大些；橫向擋板使可能到達(dá)的的最大值降低而相應(yīng)的氣速卻需要提高；分布板的開(kāi)孔情況影響氣泡的數(shù)量和尺寸，在氣速小于最正確值時(shí)，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(dāng)前化工領(lǐng)域做設(shè)計(jì)時(shí)都要用物料衡算出反響器的尺寸，然后根據(jù)反響器的尺寸去設(shè)計(jì)，去矯正反響器運(yùn)行所出現(xiàn)的不必要的問(wèn)題等等，更加完善設(shè)計(jì)方案。 質(zhì)量衡算 W1+W2=W3+W4+W5+W6+W7式中：W1參加反響的物料的質(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

33、余的物料的質(zhì)量，kg； W7剩余的砂子的質(zhì)量，kg； 即反響前后的質(zhì)量是守恒的，參加反響的物質(zhì)和反響后生成的物質(zhì)質(zhì)量平衡。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(lái)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。.1 電阻絲產(chǎn)生的熱量 電阻絲功率為6kW，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，從開(kāi)場(chǎng)加溫到反響完畢時(shí)間為1.08h，以0為衡算基準(zhǔn)。 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(kāi)場(chǎng)加溫到反響完畢的時(shí)間，h；考慮熱量損失后的系數(shù)；.2 氣體升溫帶出熱量的計(jì)算 ： Q=mCpt式中：Q為氣體升溫帶出的熱量，kJ；m流化床流

34、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(jìn)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(guò)程中不同時(shí)刻裂解氣體成分含量由表計(jì)算得：氣體的平均比熱容是各氣體的比熱與體積分?jǐn)?shù)乘積的總和。Cp=Cp10.1037+Cp20.062+Cp30.03+Cp40.002+Cp50.0081+Cp60.00461+Cp70.7425=1.699kJ/(kgK).3 流化床操作速度的計(jì)算Uf=kUmf式中：Uf為實(shí)際操作速度，m/s;K為臨界流態(tài)化速度與實(shí)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=240.1312=3.1

35、5m/s=11340m/h流化床反響器的開(kāi)發(fā)與放大 流化床的開(kāi)發(fā)與放大，國(guó)內(nèi)外都有成功的經(jīng)歷。總起來(lái)看不外乎：1.催化劑性能；2.操作條件；3.床層構(gòu)造方面的問(wèn)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?，活性太高以至熱量難于攜出也是不希望的，有人主*以靜止床層體積為基準(zhǔn)的反響速率常數(shù)k=0.3至1.2秒-1 為宜。對(duì)選擇性圍擋內(nèi)更新的要求本來(lái)是不言而喻的，但由于流化床中的返混大和停留時(shí)間分布寬的原因，易使副反響增多而選擇性降低，甚至由于*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(yàn)比固定床中還要嚴(yán)峻得多。此外強(qiáng)度

36、問(wèn)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(shí)上，工業(yè)上實(shí)用的催化劑對(duì)穩(wěn)定性和強(qiáng)度的要求更為重要，而活性往往并不要求太高。 催化劑的粒度和粒度分布對(duì)維持良好的流化質(zhì)量非常重要，這在前面已著重指出過(guò)。細(xì)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?yàn)榉糯蠛笸鶜馑僭龃?，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(yán)重影響反響效果。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(shí)，操作條件往往不得不有所改變，譬如由于氣、固接觸效率

37、的下降而需要適當(dāng)加高床層來(lái)增加接觸時(shí)間，以資彌補(bǔ)。但高徑比大了，易導(dǎo)致節(jié)涌，一般大床的高徑比在3以下。也有為了促進(jìn)流化，強(qiáng)化傳熱和混合作用而加大空床氣速，但在此同時(shí)，接觸時(shí)間也發(fā)生了變化。有時(shí)，放大后要適當(dāng)增高溫度，才能到達(dá)與小裝置一樣的*些指標(biāo)，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(kuò)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(shí)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(jìn)一步放大，就沒(méi)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(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)在等于或大于臨界直徑的裝置中進(jìn)展才較可靠。 在床層構(gòu)造上有分布板及內(nèi)部構(gòu)件兩方

38、面的問(wèn)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250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(diǎn)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(shí)現(xiàn)放大。各種型式的橫向擋板在于對(duì)氣固的流動(dòng)施加種種限制，改變床內(nèi)的濃度和溫度分布，從而影響其反響結(jié)果。但影響因素很多，放大比擬困難。經(jīng)歷說(shuō)明從小床到大床，擋板的間隔可適當(dāng)放大，因?yàn)闅馑俑叩牧骰仓校橄嘀械那闆r影響不大，反響的結(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(yùn)動(dòng)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*圍

39、內(nèi)的變化本來(lái)就不像在小床中會(huì)帶來(lái)那樣明顯的影響。 對(duì)于低轉(zhuǎn)化率的反響，流動(dòng)模式的影響頗小，在這上面下功夫所能獲得的收益也就較??；但對(duì)高轉(zhuǎn)化率的反響，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(guò)量，濃度變化也較小，反響的目的產(chǎn)物往往也就是中間產(chǎn)物，這時(shí)返混就不利了，除非副反響的速率與主反響的相比要小得多，才不致有嚴(yán)重影響。 對(duì)外表反響快而相間傳遞慢、主反響比副反響速率快得多的情況就需要強(qiáng)化傳質(zhì)，而對(duì)于傳質(zhì)速率快而外表反響速率慢，單程轉(zhuǎn)化率不高而副反響影響又大的情況，則宜采用低線速操作，強(qiáng)化的途徑應(yīng)從動(dòng)力學(xué)因素入手，如改進(jìn)催化劑的活性、增加接觸時(shí)間和提高反響溫度等?？傊畬?duì)于具體反響，必需具體分析，弄清控制