流態(tài)化基本原理要點(diǎn)

會(huì)計(jì)學(xué)1流態(tài)化基本原理要點(diǎn)固體流態(tài)化：顆粒物料與流動(dòng)的流體接觸，使顆粒物料呈類似于流體的狀態(tài)。流態(tài)化技術(shù)的應(yīng)用：流化催化裂化、吸附、干燥、冷凝等。流態(tài)化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：連續(xù)化操作；溫度均勻，易調(diào)節(jié)和維持；氣、固間傳質(zhì)、傳熱速率高等。第1頁/共44頁一：流態(tài)化的形成和轉(zhuǎn)化1．固定床、流化床及稀相輸送①當(dāng)氣速較小時(shí)，催化劑堆緊，為固定床階段；②當(dāng)氣速增達(dá)到一定程度以后，床層開始膨脹，為膨脹床；③當(dāng)u=umf時(shí)，固體粒子被氣流懸浮起來做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，為流化床階段；④繼續(xù)增大氣速至u=ut，催化劑開始被氣流帶走，為稀相輸送階段第2頁/共44頁因此，固體顆粒的流化可根據(jù)氣速劃分成三個(gè)階段：①固定床階段，u<umf；②流化床階段，umf<u<ut；③稀相輸送階段，u>ut第3頁/共44頁

在固定床階段，氣體通過固定床顆粒之間的空隙時(shí)，因有摩擦阻力而產(chǎn)生壓降，摩擦阻力與氣體流速的平方成正比，故u↗，床層壓降↗

第4頁/共44頁當(dāng)床層所受壓力達(dá)到平衡時(shí)，床層被懸浮起來而顆粒自由運(yùn)動(dòng)。床層受三個(gè)力作用：重力、摩擦力和浮力。對(duì)催化劑來說，其摩擦力與床層壓降有關(guān):

固體顆粒的重量為一定值，即V(1-ε)為一定值，因此當(dāng)氣速增大時(shí)，V↗，ε↗，但V(1-ε)不變，因此，△P.F也不變

隨著氣速上升，所受摩擦阻力增大，當(dāng)u達(dá)到ut時(shí)，催化劑的浮力比重力大了，催化劑也就被氣體帶走了第5頁/共44頁2．氣-固流態(tài)化域根據(jù)流化床中氣體的表觀氣速不同，床層可以分為幾種不同的流化狀態(tài):固定床、散式流化床、鼓泡流化床、湍動(dòng)床、快速床和輸送床①固定床②散式流化床③鼓泡流化床④湍動(dòng)床⑤快速床⑥輸送床

第6頁/共44頁二：流化床的一些基本現(xiàn)象1．散式流化沒有聚集現(xiàn)象，床層界面平穩(wěn)，隨著氣速的增大，床層的空隙率增大，床層膨脹可以用床高與起始流化時(shí)的床高之比LB/Lmf來表示床層的膨脹程度，亦稱膨脹比影響膨脹比的因素有固體顆粒的性質(zhì)和粒徑、氣體的流速和性質(zhì)、床徑和床高等在催化裂化裝置中，催化劑的密相輸送就是處于散式流化狀態(tài)第7頁/共44頁第8頁/共44頁2．鼓泡床的一些基本現(xiàn)象鼓泡床的固體顆粒不是以單個(gè)而是以集團(tuán)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的鼓泡床的床層包括氣泡相和顆粒相兩部分①氣泡的形狀②氣體返混和固體返混③氣泡的形成④氣節(jié)和溝流圖1圖2圖3第9頁/共44頁⑤密相床和稀相在流化床床層的頂部有一個(gè)波動(dòng)的界面，界面以下成為密相床，界面以上的空間稱為稀相

氣速較低時(shí)，稀相和密相之間有明顯的界面；隨著氣速的增大，密相床的密度變小而稀相的密度增大，兩相之間的界面逐漸變得不明顯⑥催化劑的夾帶被固體帶到稀相的固體顆?？梢苑譃閮刹糠郑杭?xì)顆粒：終端速度低于表觀速度較粗顆粒：終端速度比表觀速度大

第10頁/共44頁⑦輸送分離高度(分離空間高度)隨著氣體離開床面向上運(yùn)動(dòng)，沿整個(gè)容器截面的速度分布趨于均勻，當(dāng)氣體上升至某個(gè)高度時(shí)，氣體分布達(dá)到均一，等于表觀氣速，此時(shí)的高度(以床面為基準(zhǔn))即稱為“空間分離高度”或“輸送分離高度”能夠繼續(xù)隨氣體上升至輸送分離高度以上的顆粒只是那些終端速度低于表觀氣速的細(xì)粉，也就是說，在稀相段的顆粒濃度隨高度增加而減小，到達(dá)輸送分離高度以后，顆粒濃度不再降低第11頁/共44頁4．快速流化床隨著氣速的增大，當(dāng)氣速達(dá)到ufp時(shí)，即進(jìn)入快速床階段，此時(shí)，必須依靠提高固體顆粒的循環(huán)量才能維持床層密度形成快速流化床的基本前提條件是：①流化固體是細(xì)顆粒；②氣速超過固體顆粒的終端速度，ufp=3～4ut；③有一定的循環(huán)量，以保證床層有一定的密度?？焖倭骰驳奶攸c(diǎn)是：①床層很均勻；②采用氣速高、處理量大；③氣固接觸良好第12頁/共44頁5．流化床反應(yīng)器的特點(diǎn)其優(yōu)點(diǎn)有：①由于返混和傳熱效率高，床層各部分溫度較均勻，避免了局部高溫現(xiàn)象，對(duì)強(qiáng)放熱反應(yīng)(再生)，可采用較高的反應(yīng)溫度以提高反應(yīng)速度；②氣-固運(yùn)動(dòng)很激烈，且固體顆粒的直徑很小，因此氣固之間的傳質(zhì)效率高，提高了傳質(zhì)步驟的速率，對(duì)于擴(kuò)散控制的化學(xué)反應(yīng)特別有利；③固體處于流化態(tài)，具有流體一樣的流動(dòng)性，裝卸、輸送都很方便；④催化劑在反應(yīng)器和再生器之間大量循環(huán)，簡(jiǎn)化了設(shè)備，又傳送了大量的熱量，可以進(jìn)行自動(dòng)控制第13頁/共44頁流化床的不足之處主要表現(xiàn)在：①氣固接觸不充分，因此一般鼓泡床很難達(dá)到很高的轉(zhuǎn)化率；②氣固流化床由于返混造成催化劑在床層內(nèi)停留時(shí)間不均一；③催化劑在床層中劇烈攪動(dòng)，造成催化劑顆粒和設(shè)備磨損；④在生產(chǎn)負(fù)荷太低的情況下，流化床操作難以平穩(wěn)，操作波動(dòng)大第14頁/共44頁三：提升管中的氣-固流動(dòng)(垂直管中的稀相輸送)氣-固輸送可以根據(jù)密度不同而分為稀相輸送和密相輸送，通常以100kg/m3為劃分界限在催化裂化裝置中，催化劑大型加料線、大型卸料線、小型加料和卸料線、稀相提升管和提升管反應(yīng)器均屬于稀相輸送。在提升管中，氣-固混合物的密度大約十幾到幾十千克每立方米，因此屬于稀相輸送的范圍第15頁/共44頁第16頁/共44頁第17頁/共44頁工業(yè)裝置中，提升管入口線速一般采用4.5～7.5m/s,在提升管出口處的氣體線速增大到8～18m/s

催化劑的滑落催化劑顆粒在提升管中是被油氣攜帶上去的，它的上升速度總是要比氣體速度低些，這種現(xiàn)象稱為催化劑的滑落氣體線速度uf與催化劑線速度us之比則稱為滑落系數(shù)

1、稀相輸送的氣體速度第18頁/共44頁微球催化劑的ut約為0.6m/s。根據(jù)上式uf↑，滑落系數(shù)↓，uf↑↑，滑落系數(shù)→1，即us=uf。此時(shí)返混很少當(dāng)氣體的線速大于25m/s時(shí)，滑落系數(shù)幾乎不再變化，其數(shù)值接近1.0，這時(shí)提升管內(nèi)是平推流，返混很小，這樣大大減少了二次反應(yīng)。對(duì)分子篩催化劑是有利的。第19頁/共44頁2、稀相輸送壓力降稀相輸送壓力降包括如下三部分：第20頁/共44頁第21頁/共44頁（1）當(dāng)固體質(zhì)量GS=0AB段只有氣體通提升管反應(yīng)器，單位長(zhǎng)度上的壓降Δp/L隨氣速uf的增大而增大，這是Δp/L主要是流動(dòng)壓降。

提升管中的氣－固流動(dòng)形態(tài)（2）當(dāng)固體的質(zhì)量流速為某一定值GS時(shí)。所測(cè)壓降是混合物的密度產(chǎn)生的靜壓降與混合物的流動(dòng)壓降之和。

第22頁/共44頁（3）當(dāng)提高氣速時(shí)，提升管的密度較小，流動(dòng)壓降占主導(dǎo)地位。

（4）當(dāng)氣速下降時(shí)，靜壓雖然由于密度增大而增大，但摩擦壓降卻因氣速下降而減小，故總的Δp/L下降。

（5）氣速從D點(diǎn)在繼續(xù)下降，管內(nèi)的固體密度急劇增大于是靜壓增大占主導(dǎo)地位，總Δp/L急劇增大。（6）接近E點(diǎn)時(shí)，管內(nèi)的密度太大，氣流不足以支持固粒，因而出現(xiàn)騰涌。E點(diǎn)的氣體線速即稱為噎塞速度。對(duì)于較大的固體質(zhì)量流速，此轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在較高的氣速處。如圖GS2。為了保證提升管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，管內(nèi)氣速必須大于噎塞速度。噎塞速度與催化劑的篩分組成顆粒密度等物性有關(guān)。微球的噎塞速度為1.5m/S。第23頁/共44頁第24頁/共44頁第25頁/共44頁第26頁/共44頁四：催化劑的循環(huán)流化催化裂化的反應(yīng)器和再生器之間必須有大量的催化劑循環(huán)，因?yàn)榇呋瘎┎粌H要周期性的反應(yīng)和再生以維持一定的活性水平，而且還要起到取熱和供熱的熱載體的作用能否實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的催化劑循環(huán)，是催化裂化裝置設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的關(guān)鍵性問題流化催化裂化裝置的催化劑循環(huán)采用密相輸送的方法，在提升管催化裂化裝置中是采用斜管或立管輸送的第27頁/共44頁固體顆粒的密相輸送有兩種形態(tài)：粘滑流動(dòng):固體之間互相壓緊、陣發(fā)性的緩慢向下流動(dòng)充氣流動(dòng):固體顆粒和氣體的相對(duì)速度較大，足以使固體流化起來，氣-固混合物具有流體的性質(zhì)，可以向任意方向流動(dòng)在提升管催化裂化裝置中，常用斜管進(jìn)行催化劑輸送第28頁/共44頁1密相輸送基本原理第29頁/共44頁盛有水的U型管，右側(cè)有加熱器，使該處的水受熱而汽化。U型管的兩端頂部均為大氣壓P0，取閥門兩側(cè)的同一高度1，2兩點(diǎn):閥門關(guān)閉時(shí)，兩點(diǎn)的壓強(qiáng):1點(diǎn):P1=hρ水

+P0；

2點(diǎn):P2=h1ρ汽

+h2ρ水

+P0比較兩式ρ汽﹤ρ水故P1﹥P2

當(dāng)閥門打開時(shí)，水就會(huì)場(chǎng)從管的左邊流向管的右邊。流動(dòng)時(shí)的推動(dòng)力為兩端的靜壓力差p1-p2

在實(shí)際流動(dòng)中，同時(shí)存在流動(dòng)阻力，只有推動(dòng)力≥阻力時(shí)，流動(dòng)才可以實(shí)現(xiàn)。在流化床反應(yīng)器中催化劑就是根據(jù)這樣的原理進(jìn)行輸送的。第30頁/共44頁斜管輸送催化劑在斜管的輸送也是這樣的原理，不論是哪種催化裂化仍要滿足:推動(dòng)力≥阻力。

設(shè)計(jì)時(shí)為了給單動(dòng)滑閥一定的調(diào)節(jié)余量，使調(diào)節(jié)閥有0.3kPa的壓降。通過調(diào)節(jié)閥的開度可以改變壓力，改變催化劑的流量。第31頁/共44頁催化劑的休止角

由小孔流出的固體顆粒在下面形成一個(gè)錐體，錐體斜面與水平面的夾角叫休止角。當(dāng)固體顆粒在傾斜角小于休止角時(shí)，固體顆粒留在上面不會(huì)落下。休止角越小越易流化因此，催化劑斜管輸送時(shí)必須大于休止角。工業(yè)裝置斜管與水平線夾角一般為55－63°

，遠(yuǎn)大于休止角。第32頁/共44頁內(nèi)摩擦角

催化劑顆粒從儲(chǔ)罐孔口向下流出時(shí)，在孔口周圍有一個(gè)靜止不動(dòng)的死區(qū)，流動(dòng)部分和靜止有一個(gè)明顯的圓錐分界區(qū)，圓錐周邊和水平面形成的夾角成為內(nèi)摩擦角θf。

顆粒的內(nèi)摩擦角越小越易流動(dòng)微球裂化催化劑的θf約為79

°第33頁/共44頁密相輸送與稀相輸送的基本區(qū)別：

密相輸送，催化劑顆粒不被氣體加速，而是在少量氣體松動(dòng)的流化狀態(tài)下靠靜壓差產(chǎn)生的推動(dòng)力，來克服流動(dòng)時(shí)的阻力。第34頁/共44頁2.充氣流動(dòng)的壓降氣-固混合物在流化狀態(tài)下由1點(diǎn)流至2點(diǎn)時(shí)的壓降為：

P1

－P2

＝△Ph

＋△Pa

＋△Pf,t

＋△Pf,v

第35頁/共44頁（1）△Ph計(jì)算料柱產(chǎn)生的靜壓差△Ph=γ.△h(簡(jiǎn)稱靜壓)，一般有兩種計(jì)算方法：①由氣體和固體的流量計(jì)算上式可簡(jiǎn)化為：γ=Ws/Vg考慮滑落系數(shù)φ時(shí)：γ=φWs/Vg第36頁/共44頁②由實(shí)測(cè)壓差計(jì)算生產(chǎn)中通常是直接測(cè)定兩點(diǎn)的壓差得到壓降，即：P1-P2=△P在一般情況下：上式可簡(jiǎn)化為：γ′稱作“視密度”；由γ′計(jì)算得到的△P(即)稱作“蓄壓”第37頁/共44頁（2）△Pa

是由于速度變化（包括改變運(yùn)動(dòng)方向）引起的壓降第38頁/共44頁（3）△Pf,t

氣－固混合物在管路中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓降第39頁/共44頁（4）△Pf,v

催化劑流經(jīng)滑閥時(shí)產(chǎn)生的壓降第40頁/共44頁催化劑輸送管路

催化劑在各段循環(huán)管路中都屬于充氣流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行密相輸送，但隨氣固運(yùn)動(dòng)方向的不同，輸送特點(diǎn)又有顯著區(qū)別：（1）氣固同時(shí)向下流動(dòng)：如斜管、立管等處。這時(shí)的固體線速要高些，一般為1.2～2.4m/s，最小不低于0.6m/s，否則氣體會(huì)向上倒竄。（2）固體向下而氣體向上的流動(dòng)：如溢流罐、脫氣罐、料腿、汽提段等處。這些地方希望脫氣好，因而要求催化劑下流速度很低，如汽提段≯0.1m/s，溢流罐≯0.24m/s，料腿≯0.76m/s，以利于氣體向上流動(dòng)和高密度的催化劑順利向下流動(dòng)。（3）固體和氣體同時(shí)向上流動(dòng)：如預(yù)提升管。這種情況下的氣固流速都要高些，氣體量也要求較大，氣固密度較小，否則催化劑會(huì)下沉，堵塞管路而中斷輸送，如氣體流速超過2m/s，則與高固氣比的稀相輸送很相似。

第41頁/共44頁為了使催化劑在循環(huán)線路中