化學(xué)反應(yīng)工程 第8章 流化床反應(yīng)工程

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

二、流化床反應(yīng)器的流型、流型轉(zhuǎn)變及基本特征

三、流態(tài)化技術(shù)的基本問題及與其他流-固接觸技術(shù)的比較四、流態(tài)化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用第二節(jié)氣固流化床的特征速度一、

臨界流化速度及起始鼓泡速度

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

三、顆粒的終端速度第三節(jié)氣-固密相流化床一、氣-固密相流化床的基本結(jié)構(gòu)

二、氣-固鼓泡流化床

三、鼓泡流化床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型

四、湍動(dòng)流化床五、氣-固密相流化床的工業(yè)應(yīng)用第四節(jié)循環(huán)流化床一、流型轉(zhuǎn)變二、循環(huán)流化床的工業(yè)應(yīng)用第五節(jié)討論與分析第八章流化床反應(yīng)工程第八章流化床反應(yīng)工程第一節(jié)固體流態(tài)化的基本特征及工業(yè)應(yīng)用

8-1流態(tài)化現(xiàn)象一、散式流態(tài)化與聚式流態(tài)化二、顆粒的分類

8-2流化床反應(yīng)器的流型、流型轉(zhuǎn)變及基本特征一、低氣速氣-固流態(tài)化中的流型二、高氣速氣-固流態(tài)化中的流型

8-3流態(tài)化技術(shù)的基本問題及與其他流-固接觸技術(shù)的比較一、流態(tài)化技術(shù)的基本問題二、流態(tài)化技術(shù)與其他流-固接觸技術(shù)的比較

8-4流態(tài)化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用第二節(jié)氣固流化床的特征速度

8-5臨界流化速度及起始鼓泡速度一、臨界流化速度二、散式流態(tài)化與聚式流態(tài)化的判據(jù)三、起始鼓泡速度四、單組分不等粒度顆粒對臨界流化速度及起始鼓泡速度的影響

8-6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)變速度一、起始湍動(dòng)速度二、湍動(dòng)流態(tài)化向快速流態(tài)化的轉(zhuǎn)變速度三、快速流態(tài)化向密相氣力輸送的轉(zhuǎn)變速度

8-7顆粒的終端速度一、單顆光滑球形顆粒的終端速度二、非球形顆粒的終端速度三、顆粒群的曳力系數(shù)第三節(jié)氣-固密相流化床

8-8氣-固密相流化床的基本結(jié)構(gòu)一、氣體分布器二、自由空域和擴(kuò)大段三、換熱器裝置及內(nèi)部構(gòu)件四、細(xì)顆粒的捕集

8-9氣-固鼓泡流化床一、流動(dòng)特性二、氣泡特性三、相間質(zhì)量交換四、流化床傳熱

8-10鼓泡流化床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型一、兩相模型二、鼓泡床模型

8-11湍動(dòng)流化床

8-12氣-固密相流化床的工業(yè)應(yīng)用一、典型工業(yè)應(yīng)用二、氣-固催化合成流化床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模擬三、丙烯腈催化合成流化床案例第四節(jié)循環(huán)流化床

8-13流型轉(zhuǎn)變

8-14循環(huán)流化床的工業(yè)應(yīng)用一、主要工業(yè)應(yīng)用過程二、流化催化裂化循環(huán)流化床案例第五節(jié)討論與分析一、流態(tài)化現(xiàn)象

1.散式流態(tài)化與聚式流態(tài)化

2.顆粒的分類二、

流化床反應(yīng)器的流型、流型轉(zhuǎn)變及基本特征

1.低氣速氣-固流態(tài)化中的流型

2.高氣速氣-固流態(tài)化中的流型三、流態(tài)化技術(shù)的基本問題及與其他流-固接觸技術(shù)的比較

1.流態(tài)化技術(shù)的基本問題

2.流態(tài)化技術(shù)與其他流-固接觸技術(shù)的比較四流態(tài)化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

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

1.散式流態(tài)化與聚式流態(tài)化

第一節(jié)固體流態(tài)化的基本特征及工業(yè)應(yīng)用散式流化

db/dp＜1db

：氣泡直徑dp

：顆粒直徑對于液固系統(tǒng)，流體與粒子的密度相差不大，故起始流化速度一般很小，流速進(jìn)一步提高時(shí)，床層膨脹均勻且波動(dòng)很小，粒子在床內(nèi)的分布也比較均勻，此種狀態(tài)稱為散式流化態(tài)。顆粒越細(xì)，流體與固體的△ρ值越小，則越接近理想流化，流化質(zhì)量也就越好。一、流態(tài)化現(xiàn)象

1.散式流態(tài)化與聚式流態(tài)化

第一節(jié)固體流態(tài)化的基本特征及工業(yè)應(yīng)用聚式流態(tài)化

db/dp>1

對于氣固系統(tǒng)，一般在氣速超過起始流化速度后，將會(huì)出現(xiàn)氣泡，氣速越高，氣泡造成的擾動(dòng)也越劇烈，使床層波動(dòng)頻繁，這種形態(tài)的流化床稱聚式流化床。一、流態(tài)化現(xiàn)象

1.散式流態(tài)化與聚式流態(tài)化

2.顆粒的分類

第一節(jié)固體流態(tài)化的基本特征及工業(yè)應(yīng)用A類：細(xì)顆粒（30～100μm）()B類：粗顆粒（100～600μm

）()C類：黏性顆?；虺?xì)顆粒（20μm以下）D類：過粗顆粒一、流態(tài)化現(xiàn)象

1.散式流態(tài)化與聚式流態(tài)化

2.顆粒的分類

第一節(jié)固體流態(tài)化的基本特征及工業(yè)應(yīng)用A、B類顆粒適于流化，A類（細(xì)）顆粒因充氣性好，床層中生成的氣泡小，特別適于催化過程。C類過細(xì)，粒間有粘附性，氣體易呈溝流通過，并不適用。D類又過大，容易發(fā)生大氣泡和節(jié)涌，只在噴動(dòng)床中才能較好流化。一、流態(tài)化現(xiàn)象

1.散式流態(tài)化與聚式流態(tài)化

2.顆粒的分類二、

流化床反應(yīng)器的流型、流型轉(zhuǎn)變及基本特征

1.低氣速氣-固流態(tài)化中的流型

2.高氣速氣-固流態(tài)化中的流型三、流態(tài)化技術(shù)的基本問題及與其他流-固接觸技術(shù)的比較

1.流態(tài)化技術(shù)的基本問題

2.流態(tài)化技術(shù)與其他流-固接觸技術(shù)的比較四流態(tài)化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

第一節(jié)固體流態(tài)化的基本特征及工業(yè)應(yīng)用二、

流化床反應(yīng)器的流型、流型轉(zhuǎn)變及基本特征

1.低氣速氣-固流態(tài)化中的流型

2.高氣速氣-固流態(tài)化中的流型

第一節(jié)固體流態(tài)化的基本特征及工業(yè)應(yīng)用流態(tài)化的優(yōu)點(diǎn)：①傳熱效能高，而且床內(nèi)溫度易維持均勻。適用熱效應(yīng)大。②大量固體粒子可方便的往來輸送。特別適用于催化劑迅速失活的場合。③粒子細(xì)，可以消除內(nèi)擴(kuò)散阻力，充分發(fā)揮催化劑效能。主要特點(diǎn)催化裂化裝置流化床

充分流態(tài)化的床層表現(xiàn)出類似于液體的性質(zhì)密度比床層平均密度小的物體可以浮在床面上床面保持水平服從流體靜力學(xué)，即高差為L的兩截面的壓差ΔP=mgL顆粒具有與液體類似的流動(dòng)性，可以從器壁的小孔噴出聯(lián)通的流化床能自行調(diào)整床層上表面使之在同一水平面上缺點(diǎn)：①氣流狀況不均，不少氣體以氣泡狀態(tài)通過床層。②粒子運(yùn)動(dòng)基本是全混式，停留時(shí)間不一。影響產(chǎn)品質(zhì)量的均一性。③粒子的磨損和帶出造成催化劑的損失，需加旋風(fēng)分離器回收。幾種床型床層內(nèi)表觀氣速輸送床密相床層靠固體循環(huán)量也無法維持，已經(jīng)達(dá)到氣力輸送狀態(tài)快速床密相床層靠固體循環(huán)量來維持，夾帶量達(dá)到飽和湍動(dòng)床鼓泡床與湍動(dòng)床都是稀、密相兩相共存湍動(dòng)床內(nèi)氣泡直徑較小，分布很密鼓泡床固體顆粒脫離接觸，出現(xiàn)氣泡相和乳化相，并形成稀、密兩相共存散式流化床固體顆粒脫離接觸，但顆粒分布均勻，顆粒間充滿流體，無顆粒與流體的集聚狀態(tài)固定床固體顆粒相與接觸，呈堆積狀態(tài)2.高氣速氣-固流態(tài)化中的流型循環(huán)流化床CFB（CirculatingFluidizationBed）

流態(tài)化現(xiàn)象流化床反應(yīng)器

fluidizedreactor

LLf

LLf

L0

LLmf

流體

流體

流體

流體

流體流體

固定床起始流化膨脹床鼓泡床氣力輸送節(jié)涌流化催化裂化（fluidcatalyticcracking）循環(huán)流化床燃燒反應(yīng)器（CirculatingFluidizationBed）WarrenKendallLewis(1882～1975)

1882年8月21日生于美國特拉華州勞雷爾。1905年獲麻省理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位，1908年獲德國布雷斯勞大學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位。自1910年后，他終身在麻省理工學(xué)院任教。1923年，他與W.H.華克爾及W.H.麥克亞當(dāng)斯合著的《化工原理》一書，數(shù)十年間為化學(xué)工程師必讀課本。并與W.惠特曼創(chuàng)雙膜理論。美國化學(xué)工程界先驅(qū)者,被譽(yù)為化學(xué)工程之父1920年，在麻省理工學(xué)院，化學(xué)工程脫離化學(xué)系而成為一個(gè)獨(dú)立的系，由W.K.劉易斯任系主任。40年代前期，在重大化工過程的開發(fā)中，即碳四餾分的分離和丁苯橡膠的乳液聚合、粗柴油的流態(tài)化催化裂化以及曼哈頓原子彈工程計(jì)劃等,化學(xué)工程都發(fā)揮了重要作用。例如:流態(tài)化催化裂化的設(shè)想就是由麻省理工學(xué)院的劉易斯教授和E.R.吉利蘭教授提出的。在他們的指導(dǎo)下，幾所大學(xué)同時(shí)進(jìn)行了流化床性能的研究，確定了顆粒尺寸、密度和使顆粒床層膨脹，以造成氣固間良好接觸和顆粒運(yùn)動(dòng)所需的氣速間的關(guān)系，證實(shí)了在催化裂化反應(yīng)器和再生器之間連續(xù)輸送大量固體催化劑的可能性。這三項(xiàng)開發(fā)的成功，使人們認(rèn)識(shí)到要順利實(shí)現(xiàn)過程放大，特別是高倍數(shù)的放大（在曼哈頓工程中放大倍數(shù)高達(dá)1000），必須對過程的內(nèi)在規(guī)律有深刻的了解，沒有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)研究工作，是很難做到這一點(diǎn)的。同時(shí)，在單元操作經(jīng)過二、三十年的研究已有了一定的基礎(chǔ)后，反應(yīng)器的工程放大對化工過程開發(fā)的重要性顯得更為突出。這些都為戰(zhàn)后化學(xué)工程的進(jìn)一步發(fā)展指明了方向第二節(jié)氣固流化床的特征速度一、臨界流化速度及起始鼓泡速度

1.臨界流化速度

2.散式流態(tài)化與聚式流態(tài)化的判據(jù)

3.起始鼓泡速度

4.單組分不等粒度顆粒對臨界流化速度及起始鼓泡速度的影響二、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

1.起始湍動(dòng)速度

2.湍動(dòng)流態(tài)化向快速流態(tài)化的轉(zhuǎn)變速度

3.快速流態(tài)化向密相氣力輸送的轉(zhuǎn)變速度三、顆粒的終端速度

1.單顆光滑球形顆粒的終端速度

2.非球形顆粒的終端速度

3.顆粒群的曳力系數(shù)1.臨界流化速度重力＝浮力＋表面曳力1.臨界流化速度表征浮力和慣性力的無因次比值第三節(jié)氣-固密相流化床一、氣-固密相流化床的基本結(jié)構(gòu)

1.氣體分布器

2.自由空域和擴(kuò)大段

3.換熱器裝置及內(nèi)部構(gòu)件

4.細(xì)顆粒的捕集二、氣-固鼓泡流化床

1.流動(dòng)特性

2.氣泡特性

3.相間質(zhì)量交換

4.流化床傳熱三、鼓泡流化床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型

1.兩相模型

2.鼓泡床模型四、湍動(dòng)流化床五、氣-固密相流化床的工業(yè)應(yīng)用

1.典型工業(yè)應(yīng)用

2.氣-固催化合成流化床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模擬

3.丙烯腈催化合成流化床案例

第三節(jié)氣-固密相流化床一、氣-固密相流化床的基本結(jié)構(gòu)

1.氣體分布器

2.自由空域和擴(kuò)大段

3.換熱器裝置及內(nèi)部構(gòu)件

4.細(xì)顆粒的捕集一、氣-固密相流化床的基本結(jié)構(gòu)

1.氣體分布器管柵分布器：單層篩板直形篩板凹形篩板多層篩板夾層填料泡帽板側(cè)縫錐帽

1.氣體分布器♂直孔篩板♂凹形篩板泡帽側(cè)縫分布板泡帽側(cè)孔分布板♂直孔泡帽分布板錐型側(cè)縫分布板錐型側(cè)孔分布板原則：氣體分布方式很多，以分布均勻，防止積料，結(jié)構(gòu)簡單和材料節(jié)省為宜。開孔式預(yù)分布器充填式預(yù)分布器帽式預(yù)分布器場析：當(dāng)氣流連續(xù)通過床層時(shí)，床層內(nèi)那些帶出速度小于操作氣速的顆粒將不斷被帶出這種現(xiàn)象叫場析。

2.自由空域和擴(kuò)大段氣體預(yù)分布器擋板旋風(fēng)分離器

3.換熱器裝置及內(nèi)部構(gòu)件同心圓錐殼式預(yù)分布器彎管式氣體預(yù)分布器♂內(nèi)旋擋板外旋擋板多旋擋板♂

4.細(xì)顆粒的捕集兩段旋風(fēng)分離系統(tǒng)二、氣-固鼓泡流化床

1.流動(dòng)特性

2.氣泡特性

3.相間質(zhì)量交換

4.流化床傳熱流化床內(nèi)四類區(qū)域

兩種環(huán)流1.氣泡結(jié)構(gòu)部分氣體以起始流化速度流經(jīng)粒子間空隙外，多余的氣體以氣泡狀態(tài)通過床層，人們常把氣泡與氣泡以外的密相床部分稱作泡相與乳相。

氣泡在上升過程中，膨脹而增大，不斷與乳相間進(jìn)行質(zhì)量交換，所以氣泡不僅是造成床層運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，又是接受物質(zhì)儲(chǔ)藏庫。氣泡頂部呈球形，尾部略凹，顆粒被卷入，形成局部渦流，尾渦。氣泡小，氣泡上升速度低于乳相中氣速時(shí)，乳相中氣流可穿過氣泡上流，但當(dāng)氣泡大到其上升速度超過乳相氣速時(shí)，就有部分氣體穿過氣泡形成環(huán)流，在氣泡外形成氣泡云。氣泡云與尾渦都在氣泡外，所含粒子濃度與乳相相同，形成氣泡暈。

氣泡的速度和大小單個(gè)氣泡的平均上升速度ubr

2.氣泡特性氣泡暈與尾渦氣泡中氣體的穿流量q三、鼓泡流化床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型

1.兩相模型

2.鼓泡床模型2.鼓泡床模型國井大藏（DaizoKunii）,O.列文斯比爾(O.Levenspiel)編著,華東石油學(xué)院等譯,《流態(tài)化工程》,石油化學(xué)工業(yè)出版社,1977

2.鼓泡床模型對氣泡中的關(guān)鍵組分A進(jìn)行物料衡算：總消耗量＝氣泡中反應(yīng)量＋傳遞至泡暈的量傳至泡暈的量＝泡暈中反應(yīng)量＋傳至乳相的量傳至乳相的量＝在乳相中的反應(yīng)量b：氣泡相bubblephasec：泡暈bubble-cloudphasee：乳相emulsionphase2.鼓泡床模型對氣泡中關(guān)鍵組分A進(jìn)行物料衡算：總消耗量＝氣泡中反應(yīng)量＋傳遞至泡暈的量傳至泡暈的量＝泡暈中反應(yīng)量＋傳至乳相的量傳至乳相的量＝在乳相中的反應(yīng)量2.鼓泡床模型對氣泡中關(guān)鍵組分A進(jìn)行物料衡算：令則l=Hf

時(shí)，氣泡中A的轉(zhuǎn)化率：2.鼓泡床模型對氣泡中關(guān)鍵組分A進(jìn)行物料衡算：第四節(jié)循環(huán)流化床一、流型轉(zhuǎn)變二、循環(huán)流化床的工業(yè)應(yīng)用