第八章流化床反應(yīng)工程

第八章流化床反應(yīng)工程

固體流態(tài)化的基本特征流化床的特征速度氣-固密相流化床循環(huán)流化床2/5/2023

固體散料懸浮于運(yùn)動(dòng)的流體，顆粒之間脫離接觸而具有類(lèi)似于流體性能的過(guò)程，稱(chēng)為“固體流態(tài)化”。我國(guó)于1956年開(kāi)始將流態(tài)化技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)裝置，南京化學(xué)工業(yè)公司自立更生建立了硫鐵礦流化床焙燒裝置，取代了生產(chǎn)能力低、礦渣殘硫高、勞動(dòng)強(qiáng)度大及環(huán)境污染嚴(yán)重的多層硫鐵礦機(jī)械焙燒爐，并迅速?gòu)V泛推廣，促進(jìn)了硫酸工業(yè)發(fā)展。1957年葫蘆島又開(kāi)發(fā)了流化焙燒鋅精礦。2/5/2023

國(guó)際上重質(zhì)油催化裂化使用流態(tài)化技術(shù)的工業(yè)裝置投產(chǎn)于1942年，我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的第一套流化床催化裂化工業(yè)裝置于1965年建成投產(chǎn)，縮短了我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家在煉油領(lǐng)域內(nèi)的差距，并對(duì)裂化催化劑及流化床裝置系統(tǒng)進(jìn)行了多次重大改進(jìn)，發(fā)表了多部有關(guān)的專(zhuān)著，我國(guó)流化床催化工業(yè)反應(yīng)器已廣泛應(yīng)用于丙烯腈等有機(jī)合成中強(qiáng)放熱反應(yīng)而要求溫度范圍較窄的過(guò)程。在能源工業(yè)方面，我國(guó)正在發(fā)展超高壓循環(huán)流化床電站鍋爐。2/5/2023第一節(jié)固體流態(tài)化的基本特征及工業(yè)應(yīng)用

一、聚式流態(tài)化與散式流態(tài)化使用不同的流體介質(zhì)，固體流態(tài)化可分為散式流態(tài)化（particulatefluidization），聚式流態(tài)化（aggregativefluidization）和氣-液-固三相流態(tài)化（three-phasefluidization）。8-1流態(tài)化現(xiàn)象2/5/2023

理想流態(tài)化是固體顆粒之間的距離隨著流體流速增加而均勻地增加，顆粒均勻地懸浮在流體中，所有的流體都流經(jīng)同樣厚度的顆粒床層，保證了全床中的傳質(zhì)、傳熱和固體的停留時(shí)間都均勻，對(duì)化學(xué)反應(yīng)和物理操作都十分有利。理想流態(tài)化的流化質(zhì)量（fluidizationquality）是最高的。在實(shí)際的流化床中，會(huì)出現(xiàn)顆粒及流體在床層中的非均勻分布，越不均勻，流化質(zhì)量越差。液體作流化介質(zhì)時(shí)，液體與顆粒間的密度差較小，在很大的液速操作范圍內(nèi)，顆粒都會(huì)較均勻地分布在床層中，比較接近理想流態(tài)化，稱(chēng)為散式流態(tài)化。2/5/2023氣體作流化介質(zhì)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩種情況：對(duì)于較大和較重的顆粒如B類(lèi)和D類(lèi)顆粒，當(dāng)表觀氣速u(mài)g超過(guò)臨界流化或起始流化速度umf，多余的氣體并不進(jìn)入顆粒群去增加顆粒間的距離，而形成氣泡通過(guò)床層稱(chēng)為鼓泡流化床，此時(shí)為聚式流態(tài)化。對(duì)于較小和較輕的A類(lèi)顆粒，當(dāng)表觀氣速u(mài)g剛超過(guò)臨界流化速度的一段操作范圍內(nèi)，多余的氣體仍進(jìn)入顆粒群使之均勻膨脹而形成散式流態(tài)化，但進(jìn)一步提高表觀氣速將生成氣泡而形成聚式流態(tài)化，這種情況下產(chǎn)生氣泡的相應(yīng)表觀氣速稱(chēng)為起始鼓泡速度或最小鼓泡速度umb。2/5/2023

決定散式或聚式流態(tài)化的主要因素是固體與流體之間的密度差，其次是顆粒尺寸。當(dāng)用水流化密度很大的鉛顆粒，液-固流化床中也有大液泡形成聚式流化行為。當(dāng)用1.5～2.0MPa壓力下密度增大的空氣流化260的砂子，出現(xiàn)了散式流態(tài)化現(xiàn)象。處于散式流態(tài)化的液-固流化床為均勻的理想流態(tài)化狀態(tài)。

2/5/2023聚式流化床中存在明顯的兩相：氣體中夾帶少量顆粒的氣泡相（bubblephase）或稀相（leanphase）；顆粒與顆粒間氣體所組成的顆粒相（particulatephase）或密相（densephase），又稱(chēng)乳相（emulsionphase）。在低氣速流化床中，乳相為連續(xù)相而氣泡相為非連續(xù)相。2/5/2023二、顆粒的分類(lèi)顆粒的密度及粒度對(duì)流化特性有顯著影響。Geldart提出：對(duì)于氣-固流態(tài)化，根據(jù)不同的顆粒密度和粒度，顆粒可以分為A、B、C、D4類(lèi)。A類(lèi)顆粒稱(chēng)為細(xì)顆粒，一般粒度較?。?0~100）并且顆粒密度較?。ǎ?。A類(lèi)顆粒形成鼓泡床后，密相中空隙率明顯大于臨界流化空隙率，密相中氣、固返混較嚴(yán)重，氣泡相與密相之間氣體交換速度較高。隨著顆粒粒度分布變寬或平均粒度降低，氣泡尺寸隨之減小。催化裂化催化劑是典型的A類(lèi)顆粒。2/5/2023

B類(lèi)顆粒稱(chēng)為粗顆粒，一般粒度較大（100～600）并且顆粒密度較大（）。其起始鼓泡速度umb與umf臨界流化速度相等，密相的空隙率基本等于臨界流化空隙率，且密相中氣、固返混較小，氣泡相與密相之間氣體交換速度較低，氣泡尺寸幾乎與顆粒粒度分布寬窄和平均粒度大小無(wú)關(guān)。砂粒是典型的B類(lèi)顆粒。2/5/2023

C類(lèi)顆粒屬黏性顆?；虺?xì)顆粒，一般平均粒度在20以下，由于顆粒小，顆粒間易團(tuán)聚，極易產(chǎn)生溝流。D類(lèi)顆粒屬于過(guò)粗顆粒，流化時(shí)易產(chǎn)生大氣泡和節(jié)涌，操作難以穩(wěn)定，適用于噴動(dòng)床操作，玉米、小麥顆粒屬這類(lèi)顆粒。

2/5/20238-2流化床反應(yīng)器的流型、

流型轉(zhuǎn)變及基本特征隨著表觀氣速?gòu)牧汩_(kāi)始逐步提高，固體顆粒床層由固定床開(kāi)始發(fā)生一系列的流型轉(zhuǎn)變，如下圖所示。圖8-1氣-固流態(tài)化中各種流體力學(xué)流型的特征示意2/5/2023一、低氣速氣-固流態(tài)化中的流型當(dāng)表觀氣速u(mài)g低于臨界流化速度umf，床層壓降非常穩(wěn)定，壓降隨ug的增加而增加。當(dāng)ug提高至umf時(shí)氣體對(duì)顆粒的曳力剛好平衡床層顆粒的重力，床層開(kāi)始流化；當(dāng)ug高于umf時(shí)，床層壓降不再變化。前已述及，對(duì)于顆粒及密度均較小的A類(lèi)顆粒，超過(guò)umf再提高ug即導(dǎo)致床層發(fā)生均勻膨脹，氣體通過(guò)比固定床空隙率增大的顆粒間隙，但并無(wú)氣泡產(chǎn)生，床層均勻膨脹，壓降波動(dòng)較小，即散式流態(tài)化。1.散式流態(tài)化2/5/20232.聚式流態(tài)化

當(dāng)ug進(jìn)一步提高到起始鼓泡速度umb時(shí)，床層從底部出現(xiàn)鼓泡，壓降波動(dòng)明顯增加。對(duì)于粒徑及密度均較大的B類(lèi)顆粒，床層并不經(jīng)歷散式流態(tài)化階段，umf即umb，產(chǎn)生的氣泡數(shù)量不斷增加，并且氣泡在上升過(guò)程中相互聚并，尺寸不斷長(zhǎng)大，直至達(dá)到床層表面并開(kāi)始破裂，顆粒的混合及床層壓降波動(dòng)非常劇烈。2/5/2023

氣泡中所含顆粒約占顆?？偭康陌俜种桨俜种?，氣泡周?chē)拿芟嗷蛉橄嘀蓄w粒濃度很高。氣泡的運(yùn)動(dòng)速度隨氣泡的大小而變，在上升途中，小氣泡頻繁地聚并而長(zhǎng)大，過(guò)大而失穩(wěn)時(shí)氣泡則破裂。2/5/2023

氣泡上升的同時(shí)又有顆粒在密相中向下流動(dòng)以補(bǔ)充向上流動(dòng)的氣泡中帶走顆粒所造成的空缺。另一方面，由于氣泡在床層徑向截面上不均勻分布，誘發(fā)了床內(nèi)密相的局部以致整體的循環(huán)流動(dòng)，氣體的返混加劇。這種流型稱(chēng)為鼓泡流態(tài)化（bubblingfluidization），氣-固接觸效率和流化質(zhì)量比散式流態(tài)化低得多。2/5/2023

氣泡上升到床層表面時(shí)的破裂將部分顆粒彈出床面。在密相床上面形成一個(gè)含有少量顆粒的自由空域（freeboard）。一部分在自由空域內(nèi)的顆粒在重力作用下返回密相床，而另一部分較細(xì)小的顆粒就被氣流帶走，只有通過(guò)旋風(fēng)分離器的作用才能被捕集下來(lái)，經(jīng)過(guò)料腿而返回密相床內(nèi)。2/5/20233.節(jié)涌流化床對(duì)于高徑比較大的實(shí)驗(yàn)室及中間試驗(yàn)的流化床，由于床層直徑較小，當(dāng)表觀氣速大到一定程度時(shí)，會(huì)由于氣泡直徑長(zhǎng)大到接近床層直徑而產(chǎn)生氣栓（slug）。氣栓像活塞一樣向上升，而氣栓上面顆粒層中的顆粒紛紛下落，氣栓達(dá)到床層表面時(shí)即破裂。后續(xù)的氣栓又不斷地形成、上升直至破裂。床層壓降出現(xiàn)劇烈但有規(guī)則的脈動(dòng)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為節(jié)涌流態(tài)化（sluggingfluidization）。節(jié)涌使顆粒夾帶加劇，氣、固接觸效率和操作穩(wěn)定性降低。在工業(yè)規(guī)模的大床中，節(jié)涌現(xiàn)象一般不致于產(chǎn)生。2/5/20234.湍動(dòng)流態(tài)化隨著表觀氣速進(jìn)一步提高，鼓泡床中氣泡的破裂逐漸超過(guò)起泡的聚并，導(dǎo)致床內(nèi)的氣泡尺寸變小，進(jìn)入湍動(dòng)流態(tài)化。這種小氣泡通常稱(chēng)為氣穴(void)，氣穴與密相或乳相間的邊界變得較為模糊，此時(shí)稱(chēng)為湍動(dòng)流態(tài)化（turbulentfluidization）。在鼓泡流化床中，增加表觀氣速，床層壓力波動(dòng)幅度增大，到某一表觀氣速時(shí)，壓力波動(dòng)的幅度達(dá)極大值，此時(shí)的表觀氣速稱(chēng)為起始湍動(dòng)流化速度Uc。2/5/2023湍動(dòng)流態(tài)化與鼓泡流態(tài)化有許多顯著的不同：氣穴不像鼓泡床中的氣泡有明顯的上升軌跡可循，在不斷的破裂和聚并過(guò)程中以無(wú)規(guī)律的形式上升，氣穴的尺寸小使其上升速度減慢，增加了床層的膨脹。氣穴的運(yùn)動(dòng)膨脹，使湍動(dòng)流化床中氣、固接觸加強(qiáng)，氣體短路減少。因此湍動(dòng)床（簡(jiǎn)稱(chēng)TFB）內(nèi)，氣、固相間交換系數(shù)和傳熱、傳質(zhì)效率比鼓泡床高?？傮w來(lái)講，壓力波動(dòng)幅度小于鼓泡流化床，操作較平穩(wěn)。氣速的提高導(dǎo)致床層上部的稀相自由空域中有大量顆粒存在，其中的反應(yīng)不可忽視，并使床界面比鼓泡床模糊得多。湍動(dòng)流化床內(nèi)固體返混程度大于鼓泡流化床，而氣體返混則小于鼓泡流化床。2/5/2023

工業(yè)流化催化反應(yīng)器已從二十世紀(jì)五、六十年代的鼓泡床為主過(guò)渡到以湍動(dòng)流化床為主，利用湍流流化床氣、固接觸良好，傳熱、傳質(zhì)效率高和氣體短路極少的優(yōu)點(diǎn)。鼓泡床和湍動(dòng)床都屬于低氣速的密相流化床，壓力升高會(huì)使鼓泡床和湍動(dòng)床中氣泡尺寸變小。2/5/2023二、高氣速氣-固流態(tài)化中的流型在湍動(dòng)流態(tài)化下繼續(xù)提高氣速，床層表面變得更加模糊，顆粒夾帶速率隨之增加，顆粒不斷地被氣流夾帶離開(kāi)密相床層。當(dāng)氣速增大到向快速流態(tài)化轉(zhuǎn)變的速度時(shí)，顆粒夾帶明顯提高，在沒(méi)有顆粒補(bǔ)充的情況下，床層顆粒將很快被吹空。如果有新的顆粒不斷補(bǔ)充進(jìn)入床層底部，或通過(guò)氣-固分離設(shè)備及下行管回收帶出的顆粒，操作可以不斷維持下去，此時(shí)的流化狀態(tài)稱(chēng)為快速流態(tài)化（fastfluidization），相應(yīng)的流化床稱(chēng)為循環(huán)流化床（circulatingfluidizationbed，簡(jiǎn)稱(chēng)CFB），或稱(chēng)為快床。2/5/2023

圖8-2常見(jiàn)的幾種氣-固并流上行循環(huán)流化床系統(tǒng)2/5/2023

流化氣體從提升管底部引入，攜帶由伴床（慢床）來(lái)的顆粒向上流動(dòng)。提升管頂部裝有氣-固分離裝置，如旋風(fēng)分離器，顆粒分離后，返回伴床并向下流動(dòng)，通過(guò)顆粒循環(huán)控制裝置后，再進(jìn)入提升管。在氣-固并流上行快速流化床中，提升管主要用作反應(yīng)器，而伴床可用作調(diào)節(jié)顆粒流率的貯存設(shè)備、熱交換器或催化劑再生器，或單純作為顆粒循環(huán)系統(tǒng)的立管（standpipe）。還需從伴床底部充入少量氣體，作為松動(dòng)氣，以保持顆粒在伴床中的流動(dòng)性。2/5/2023

目前工業(yè)用循環(huán)流化床主要可分為氣-固催化反應(yīng)器及氣-固反應(yīng)器兩類(lèi)。典型例子有流化催化裂化（fluidcatalyticcracking，簡(jiǎn)稱(chēng)FCC）反應(yīng)器和循環(huán)流化床燃燒反應(yīng)器（circulatingfluidizedcombustion，簡(jiǎn)稱(chēng)CFBC），特征見(jiàn)下表。2/5/2023典型的循環(huán)流化床特征操作條件FCCCFBC顆粒特征ρp=1100~1700kg/m3dp=40~80μmρp=1800~2600kg/m3dp=100~300μm提升管表觀氣速，m/s6~285~9提升管顆粒循環(huán)速，kg/(m2s)400~120010~100提升管表觀顆粒濃度，kg/m350~16010~40高徑比>20<5~10提升管直徑，m0.7~154~8固體貯量高低出口結(jié)構(gòu)平滑非平滑2/5/2023

當(dāng)床層從低氣速流態(tài)化的鼓泡床、湍動(dòng)床轉(zhuǎn)變?yōu)楦邭馑俚牧鲬B(tài)化后，氣體從分散的氣泡逐漸過(guò)渡到連續(xù)的氣流；所有的顆粒從被當(dāng)作連續(xù)相的床層逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⒃跉饬鬟B續(xù)相中的顆粒聚集體或顆粒族（cluster），成為分散相。

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氣、固兩相分別從分散相及連續(xù)相相互轉(zhuǎn)變的流速范圍稱(chēng)為轉(zhuǎn)向流化區(qū)，開(kāi)始進(jìn)入這一區(qū)域的流速稱(chēng)為轉(zhuǎn)相流化速度（phasefluidizationvelocity）uTF，在轉(zhuǎn)相后的快速流化區(qū)，由于氣、固間劇烈變動(dòng)，傳質(zhì)及傳熱效率增高，適合于許多快速的強(qiáng)放熱及強(qiáng)吸熱反應(yīng)，如石油加工中的催化裂化反應(yīng)。2/5/2023

循環(huán)流化床中顆粒濃度沿床層軸向呈上稀下濃的連續(xù)分布。顆粒濃度沿床層徑向?yàn)橹行南?，邊壁濃，顆粒流速在中心區(qū)主要向上，邊壁區(qū)主要向下，呈現(xiàn)明顯的內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，或稱(chēng)為環(huán)-核（core-annulus）模型，導(dǎo)致一定程度的顆粒返混。氣體返混則大為減小，少量氣體可能被器壁附近的下行顆粒夾帶而返混。

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傳統(tǒng)的重質(zhì)油流化催化反應(yīng)器采用循環(huán)流化床，原料油氣化后與經(jīng)燒焦再生恢復(fù)活性的裂化催化劑，經(jīng)上行提升管反應(yīng)器，結(jié)焦后的催化劑經(jīng)下行再生器（即伴床）燒焦再生，形成循環(huán)流化床。近年來(lái)，將氣-固并流上行提升管反應(yīng)器改為氣-固并流下行床反應(yīng)器，原來(lái)的提升管作為伴床再生器,稱(chēng)為氣-固順重力場(chǎng)流態(tài)化。2/5/2023順重力場(chǎng)流動(dòng)與上行床的逆重力場(chǎng)流動(dòng)比較:局部顆粒濃度，局部氣、固速度的徑向分布更均勻；氣、固相在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間分布更均勻；有利于提高選擇性；特別適用于一些需要接觸時(shí)間短的裂解過(guò)程，如現(xiàn)行高活性的分子篩裂解催化劑。反應(yīng)器空隙率高，固相存量少；固相含量低導(dǎo)致床層與換熱面間傳熱速率較低。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)2/5/2023

高氣速流化床與低氣速流化床操作的比較2/5/2023

2/5/2023

2/5/2023高氣速流態(tài)化的優(yōu)缺點(diǎn)

2/5/2023第二節(jié)流化床的特征速度流化床的特征速度：臨界流化速度umf起始鼓泡速度umb起始湍動(dòng)流化速度uc快速流化的轉(zhuǎn)變速度uTF顆粒的終端速度ut2/5/2023一、臨界流化速度及起始鼓泡速度1.臨界流化速度(一)均勻顆粒圖8-4均勻砂粒的壓降與氣速的關(guān)系2/5/2023

當(dāng)ug較小時(shí)，床層處于固定床狀態(tài)，

與ug約成正比,即固定床壓降式,一般采用Ergun式；床層壓降達(dá)一最大值后，床層中原來(lái)緊擠著的顆粒要先被松動(dòng),然后顆粒開(kāi)始流動(dòng)；

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略有降低，又趨于某一定值,即床層靜壓W/Ac。此時(shí)床層處于由固定床向流化床轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)，相應(yīng)的表觀流速稱(chēng)為臨界流化速度umf，此后床層壓降幾乎保持不變，直至顆粒被帶走,

迅速下降。如果緩慢降低表觀流速，床層逐步恢復(fù)到固定床，壓降將沿略為降低的路徑返回，并且不再出現(xiàn)極值，壓降比增加表觀流速時(shí)小一些，這是由于顆粒逐漸靜止下來(lái)時(shí)，大體保持臨界流速時(shí)的床層空隙率，從圖中實(shí)線的拐彎點(diǎn)即可確定臨界流化速度。2/5/2023

有許多關(guān)聯(lián)式計(jì)算臨界流化數(shù)速度，但大多數(shù)關(guān)聯(lián)式只適用于所研究的顆粒直徑及臨界Remf的實(shí)驗(yàn)范圍；較為通用并且適用范圍較廣的計(jì)算umf的關(guān)聯(lián)式是Wen和Yu基于Ergun的固定床壓力降計(jì)算式獲得的關(guān)聯(lián)式。2/5/2023

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

。2/5/2023

Ergun固定床壓力降計(jì)算式如下：

及

以上諸式中，ds為與顆粒等比表面積的圓球直徑，dv為與顆粒等體積的圓球直徑，uf為流體的表觀流速，為形狀因子。2/5/2023

臨界流化速度時(shí)，

上式等號(hào)的左、右方均乘以，并以代入，化簡(jiǎn)可得：2/5/2023

以量綱1數(shù)即Ar(Archmides)數(shù),和代入上式，即2/5/2023(二)不均勻顆粒流化床中的顆粒大多數(shù)為形狀不規(guī)則且粒度不均勻的顆粒群。根據(jù)Wen和Yu提出的非球形顆粒粒徑可采用兩相鄰篩網(wǎng)的網(wǎng)孔凈寬的幾何平均值，或稱(chēng)為篩分直徑dpi，作為等體積圓球直徑dv。形狀不規(guī)則并存在粒度分布的顆粒群的調(diào)和平均直徑，。2/5/2023

Wen和Yu整理了許多研究者對(duì)多種球形及非球形顆粒，以水、空氣、CO2、氬及H2-N2混合氣體作流體的臨界流化速度umf在廣泛范圍的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中為0.136~1.0，粒徑為0.05~50，得到下列近似關(guān)系：

則：而c1=33.7，c2=0.0408。2/5/2023

對(duì)于小顆粒，數(shù)很小，即

對(duì)于大顆粒，數(shù)很大，即

2/5/2023

2.散式流態(tài)化與聚式流態(tài)化的判據(jù)

Wilhelm及Kwawk在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出以Fr（Froude）數(shù)表達(dá)的下述判據(jù)式：

液-固散式流態(tài)化氣-固聚式流態(tài)化2/5/20233.起始鼓泡速度對(duì)于B類(lèi)和D類(lèi)顆粒，當(dāng)表觀氣速超過(guò)臨界流化速度時(shí)，床層即已進(jìn)入鼓泡流化床；對(duì)于A類(lèi)較小和較輕的顆粒，當(dāng)ug超過(guò)umf后，還會(huì)經(jīng)歷一個(gè)散式流態(tài)化階段，然后進(jìn)入鼓泡流化床。此時(shí)，氣-固流化床的起始鼓泡速度umb可按Geldart提出的下式計(jì)算式中各物性參數(shù)的單位是制。2/5/20234.單組分不等粒度顆粒對(duì)臨界流化速度

及起始鼓泡速度的影響實(shí)踐表明，顆粒的流化特征不僅與顆粒的粒度有關(guān)，并且與粒度分布及混合顆粒的組成有關(guān)。在流態(tài)化過(guò)程中，uf開(kāi)始增加時(shí)，許多粒度或密度較大的顆粒繼續(xù)以固定床的狀態(tài)存在，有些會(huì)被粒度或密度較小的顆粒沖擊而帶動(dòng)，但基本上會(huì)下沉而失去流態(tài)化。當(dāng)流速超過(guò)D點(diǎn)時(shí)，粒度或密度較大的顆粒逐漸流態(tài)化，不同粒度或密度顆粒的沉降速度也不同。2/5/2023

隨著粒徑的減小和細(xì)顆粒分?jǐn)?shù)的增加，較難產(chǎn)生氣泡，而氣泡的形成對(duì)床層的熱、質(zhì)傳遞和穩(wěn)定性都不利，即細(xì)顆粒分?jǐn)?shù)增加有利于改善床層的流化質(zhì)量。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2/5/2023二、起始湍動(dòng)流化速度、快速流態(tài)化

及密相氣力輸送的轉(zhuǎn)變速度陳少鵬等根據(jù)改變操作壓力對(duì)無(wú)內(nèi)部構(gòu)件自由床的起始湍動(dòng)流化速度uc的影響試驗(yàn)，獲得uc與有關(guān)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)式如下：1.起始湍動(dòng)流化速度2/5/2023

采用尺寸和密度都較大的顆粒，相同氣速下向湍動(dòng)流態(tài)化轉(zhuǎn)變的uc值升高，而采用尺寸較小和較輕的顆粒，則uc較小，有利于改善密相流化床的流化質(zhì)量；增加操作壓力，uc值下降；增加操作溫度，uc值上升；

流化床床徑加大，對(duì)uc的影響減少，床徑大到一定程度后，對(duì)uc值已無(wú)影響。由上式可見(jiàn)：2/5/20232.湍動(dòng)流態(tài)化向快速流態(tài)化的轉(zhuǎn)變速度湍動(dòng)流態(tài)化向快速流態(tài)化的轉(zhuǎn)變速度uTF可采用白丁榮等[18]根據(jù)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的關(guān)聯(lián)式：

式中Gs為顆粒的循環(huán)通量，；

Ret為按顆粒帶出速度ut計(jì)算的Re數(shù)。2/5/20233.快速流態(tài)化向密相氣力輸送的轉(zhuǎn)變速度白丁榮等根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得快速流態(tài)化向密相氣力輸送的轉(zhuǎn)變速度uFD的表達(dá)式：2/5/2023三、顆粒的終端速度在相同直徑的光滑球形顆粒的散料懸浮層中，如果顆粒之間有足夠大的間距，比顆粒粒徑dp大n個(gè)數(shù)量級(jí)或更大，懸浮層中每顆顆粒的行為可以作為單一懸浮顆粒來(lái)研究，懸浮的條件為顆粒的重力減去在在流體中的浮力等于在流體中所受的曳力，即

式中GDS為單顆粒的曳力系數(shù)。1.單顆光滑球形顆粒的終端速度2/5/2023

在低Ret數(shù)情況下，ut與粒徑平方成正比，流體密度的影響甚小，成為黏滯力控制區(qū)。在高Ret情況下，ut與粒徑平方根成正比，與流體的黏度無(wú)關(guān)，稱(chēng)為慣性力控制區(qū)。2/5/20232.非球形顆粒的終端速度對(duì)于不同形狀因子的單顆粒，曳力系數(shù)CDS值可從下圖求得圖8-6單顆粒曳力系數(shù)CDS與雷諾數(shù)的關(guān)系2/5/2023三、顆粒群的曳力系數(shù)CD顆粒群懸浮于氣流中，即使單顆顆粒的粒徑相等，由于顆粒間相互作用，使曳力系數(shù)下降，稱(chēng)為受阻曳力系數(shù)CD。在快速流化床中，白丁榮等[20]通過(guò)多種A、B類(lèi)顆粒的大量快速床的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，獲得CD/CDS的關(guān)聯(lián)式如下：

上式中uSL為氣-固兩相間平均滑落速度，而

2/5/2023第三節(jié)氣-固密相流化床氣-固密相流化床主要由床體、氣體分布器換熱裝置、內(nèi)部構(gòu)件和顆粒捕集系統(tǒng)組成。一、氣-固密相流化床的基本結(jié)構(gòu)圖8-7典型的密相流化床結(jié)構(gòu)示意圖2/5/20231.氣體分布器氣體分布器的主要作用是將流化氣體均勻地分布在整個(gè)床層截面，也起到支撐流化顆粒的作用，為了保證氣體分布均勻，一般分布板開(kāi)孔率約為1%以下，而分布板的壓降為床層壓降的10~20%，在工業(yè)流化床中，由于床層提高，有時(shí)分布板壓降設(shè)計(jì)為床層壓降的5%。2/5/20232.自由空域和擴(kuò)大段工業(yè)流化床反應(yīng)器的床體大都是圓柱形，上部擴(kuò)大段直徑一般為下部密相床直徑的1.5~2.5倍。實(shí)驗(yàn)用流化床，當(dāng)溫度不高于100℃時(shí)，一般用易于加工的有機(jī)玻璃制造，床體一般也為圓柱形，床體直徑要大于顆粒平均直徑的100倍。流化床內(nèi)氣-固濃相界面以上的區(qū)域稱(chēng)為自由空域（Freeboard）。由于氣泡逸出床面時(shí)的彈射和夾帶作用，一些顆粒會(huì)離開(kāi)濃相床層進(jìn)入自由空域。一部分自由空域內(nèi)的顆粒在重力作用下返回濃相床，而另一部分較細(xì)小的顆粒則最終被氣流帶出流化床。2/5/2023

擴(kuò)大段可以顯著地降低氣流的速度，從而有助于自由空域內(nèi)的顆粒通過(guò)沉降作用返回濃相、減少顆粒帶出及降低自由空域內(nèi)的顆粒濃度。對(duì)于流化床化學(xué)反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，自由空域顆粒濃度較低對(duì)于減少不利的副反應(yīng)往往是至關(guān)重要的。2/5/20233.換熱裝置及內(nèi)部構(gòu)件根據(jù)流化床內(nèi)溫度及單位體積放熱量的大小，換熱裝置一般為內(nèi)壁或浸沒(méi)在床層內(nèi)的垂直或水平管束。常用的為垂直管束，并與余熱回收裝置相連接。垂直換熱器也是控制氣泡聚并、維持流化穩(wěn)定、促進(jìn)氣-固兩相接觸和減少顆粒帶出的內(nèi)部構(gòu)件，但相鄰兩垂直面的間距應(yīng)大于粒徑的30倍，以免發(fā)生溝流。2/5/2023

水平構(gòu)件主要有多孔擋板、導(dǎo)向擋板及篩網(wǎng)，水平構(gòu)件能有效地將床層分為串聯(lián)的若干區(qū)，兩板分隔的區(qū)內(nèi)上部會(huì)出現(xiàn)一段稀相段，稀相段下部密相段的密度隨氣速的變化與無(wú)擋板的自由床相同，各區(qū)間存在溫度梯度，床內(nèi)氣-固流動(dòng)較接近平推流。擋板對(duì)氣相返混有明顯抑制作用，每塊擋板的上下之間幾乎沒(méi)有氣體返混。擋板還能提早鼓泡流化床向湍動(dòng)流化床過(guò)渡。2/5/20234.細(xì)顆粒的捕集大多數(shù)流化床的沉降分離高度之上的細(xì)顆粒用設(shè)置在氣-固流化床內(nèi)的旋風(fēng)分離器捕集，氣-固密相流化床內(nèi)有二級(jí)旋風(fēng)串聯(lián)，也有三級(jí)旋風(fēng)串聯(lián)以增強(qiáng)分離效果，大型流化床中還設(shè)置多組并聯(lián)的多極旋風(fēng)分離器。所分離的顆粒通過(guò)料腿向下伸入密相床中，料腿中不能有向上“倒竄”的氣流，一般在料腿末端設(shè)有“反竄氣”裝置如錐形堵頭等裝置。2/5/2023

焙燒礦石的氣-固流化床產(chǎn)生的氣體一般溫度很高。例如硫鐵礦流化焙燒爐的爐氣溫度約900~950℃，夾帶礦灰達(dá)220~420g/m3（STP），不設(shè)置內(nèi)旋風(fēng)分離器，而利用出口爐氣熱量經(jīng)鍋爐降溫至350℃，可生產(chǎn)40MPa中壓蒸汽，爐氣中部分礦灰在鍋爐中沉降，其余大部分礦灰經(jīng)旋風(fēng)分離器除去，剩余礦灰絕大部分在熱電除塵器中被捕集，含塵量（STP）的氣體再送去制硫酸的凈化工序。2/5/2023二、氣-固鼓泡流化床把氣-固相流化床分成密相或乳相和氣泡相的模型稱(chēng)為流態(tài)化的兩相模型。氣泡的頂部成球形，底部則向里凹，氣泡底部壓力較附近略低，以致吸入部分顆粒，形成局部渦流，此區(qū)域稱(chēng)為尾渦。隨著氣泡上升，部分被卷入的氣體帶著氣泡中的氣體由氣泡頂部通過(guò)氣泡邊界層滲入乳相，在氣泡周?chē)蛳逻\(yùn)動(dòng)的顆粒又借摩擦力將這部分氣體向下帶入尾渦，形成循環(huán)運(yùn)動(dòng)。氣泡周?chē)鸀檠h(huán)氣體所滲透的區(qū)域叫氣泡暈。2/5/2023

氣泡上升時(shí)，相鄰的小氣泡凝聚成大氣泡，氣泡周?chē)臍馀輹炓膊粩嗪喜?、擴(kuò)大，通過(guò)這種氣泡中的氣體與氣泡暈中的對(duì)流交換作用形成氣泡相和乳相中的氣體交換，因此氣泡相中的氣體才能進(jìn)入乳相，在固體催化劑上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。乳相中固體顆粒存在定向的循環(huán)運(yùn)動(dòng)和類(lèi)似于布朗運(yùn)動(dòng)的雜亂無(wú)章的運(yùn)動(dòng)。上升氣泡的尾渦夾帶部分顆粒，在空隙部位顆粒又沉降下來(lái)，造成了顆粒的上下循環(huán)。2/5/2023

在流化床內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)顆粒上升后又下降的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。氣體流速越高，顆粒的雜亂無(wú)章運(yùn)動(dòng)愈劇烈，使顆粒的循環(huán)遭到破壞。由于乳相顆粒的劇烈循環(huán)運(yùn)動(dòng)，可以認(rèn)為流化床中固體顆粒處于全混流狀態(tài)。當(dāng)操作氣速與起始流化氣速之比值超過(guò)6~11時(shí)，回流的氣量超過(guò)了上流的氣量，因此乳相中氣體的靜流量是往下的。工業(yè)流化床反應(yīng)器的床層直徑大，床高與床徑之比較實(shí)驗(yàn)室流化床小得多，盡管氣體的大部分以氣泡狀態(tài)通過(guò)流化床，乳相中的氣量只為一小部分，但它的返混作用對(duì)于可逆反應(yīng)是不容忽視的。2/5/20238-10鼓泡流化床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型兩相模型的基本思想是把流化床分成氣泡相和乳相，分別研究這二個(gè)相中的流動(dòng)和傳遞規(guī)律，以及流體和顆粒在相間的交換。

鼓泡流化床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型很多，其中研究的較多的有兩相模型及鼓泡床模型。1.兩相模型

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氣體以速度ug進(jìn)入床層后，在乳相中的速度等于臨界流化速度umf，而在氣泡相中的速度則為ug~umf；從靜止床高度H0增至流化床的高度Hf，是由于氣泡總體積增加的結(jié)果；氣泡相中不含顆粒，且呈平推流向上移動(dòng)，在不含催化劑顆粒的氣泡中，不發(fā)生催化反應(yīng)；乳相中包含全部催化劑顆粒，化學(xué)反應(yīng)只能在乳相中進(jìn)行；乳相的流動(dòng)為平推流或全混流，與流化床處于鼓泡床、湍流床等狀態(tài)有關(guān)；乳相與氣泡相間的交換是由于氣體的穿流和通過(guò)界面的傳質(zhì)。設(shè)氣體進(jìn)入流化床時(shí)的濃度為cA0，在床層頂部氣泡相中的濃度為cAb,L，在床層頂部乳相中的濃度cAe,L，兩者按流量比例匯合成濃度cAL。假設(shè)2/5/20232.鼓泡床模型及提出的流化床反應(yīng)器模型稱(chēng)為鼓泡床模型。鼓泡床模型用于劇烈鼓泡、充分流化的流化床，床層中騰涌及溝流極少出現(xiàn)?；炯俣ǎ?/p>

假定床層分為氣泡、泡暈及乳相三個(gè)區(qū)域，在這些相間產(chǎn)生氣體交換，這些氣體交換過(guò)程是串聯(lián)的；2/5/2023

假定乳相處于臨界流化狀態(tài)，超過(guò)臨界流化速度所需要的那部分氣量以氣泡的形式通過(guò)床層；氣泡的長(zhǎng)大與合并主要發(fā)生在分布板附近的區(qū)域，因而假定在整個(gè)床層內(nèi)氣泡的大小是均勻的，認(rèn)為氣泡尺寸是決定床內(nèi)情況的一個(gè)關(guān)鍵因素。這個(gè)氣泡尺寸不一定就是實(shí)際的尺寸，因而稱(chēng)它為氣泡有效直徑；只要?dú)怏w流速大于臨界流化速度的兩倍，即ug>2umf，床層鼓泡劇烈的條件便可滿(mǎn)足。氣泡內(nèi)基本上不含固體顆粒；2/5/2023

乳相中的氣體可能向上流動(dòng)，也可能向下流動(dòng)。當(dāng)ug/umf>6~11時(shí)，乳相中的氣體從上流轉(zhuǎn)為下流，雖然流向有所不同，但這部分的氣量與氣泡相相比甚小，對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響可忽略；氣泡與乳相均不考慮返混。離開(kāi)床層的氣體組成等于床層頂部處氣體的組成。2/5/2023三、湍動(dòng)流化床鼓泡流化床中的氣速進(jìn)一步提高時(shí)，床層壓降的相對(duì)脈動(dòng)，即床層壓降的的脈動(dòng)值與平均壓降之比，先隨表觀氣速的增大而增大，這是由于氣泡發(fā)生的頻率增大和聚并增大的程度加劇所致。當(dāng)氣速達(dá)到uc時(shí)，相對(duì)脈動(dòng)值曲線達(dá)到極大值uc，即起始湍動(dòng)流化速度。再進(jìn)一步提高表觀氣速u(mài)g，壓力相對(duì)脈動(dòng)值開(kāi)始減小，直至氣速達(dá)到值uk后，壓力脈動(dòng)趨于平穩(wěn)。2/5/2023

當(dāng)表觀氣速達(dá)uc時(shí)，促使氣泡破碎變小的傾向超過(guò)了聚并增大的傾向，故壓力脈動(dòng)開(kāi)始降低。當(dāng)表觀氣速達(dá)uk時(shí)，床內(nèi)所含氣泡已基本上是比較均勻的小氣泡，原來(lái)不均勻性很強(qiáng)的鼓泡床已轉(zhuǎn)變或近似于均相特性的湍流床，uk稱(chēng)為全湍動(dòng)流化速度。解釋2/5/2023

據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，湍動(dòng)流化床中存在著中心區(qū)及壁面區(qū)。湍流床中氣速相當(dāng)高，但仍存在徑向不均勻分布，在床中心處氣體流量大，且多為上流。在近壁處，大量顆粒循環(huán)下流，帶動(dòng)氣體也一起下流。壁面處的厚度及帶下的氣量均隨表觀氣速的增加而增加。在全床層內(nèi)，氣-固兩相間存在速度差，即滑移速度。2/5/2023

在中心區(qū)，當(dāng)氣體進(jìn)入分布板時(shí)，氣速甚大，顆粒被帶動(dòng)起來(lái)，因此這一區(qū)間的滑移速度大，相應(yīng)它的傳質(zhì)及傳熱系