流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

1、 目錄目錄v（一）流態(tài)化基本概念v（二）流化床反應(yīng)器中的傳質(zhì)v（三）流化床反應(yīng)器中的傳熱v（四）流化床反應(yīng)器的主要參數(shù)及工藝計(jì)算v （五）流化床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型（一）流態(tài)化的基本概念（一）流態(tài)化的基本概念v 1.固體流態(tài)化現(xiàn)象固體流態(tài)化現(xiàn)象v 將固體顆粒懸浮于運(yùn)動(dòng)的流體中，使顆粒具有類似于流體的某些宏觀特性，這種流固接觸狀態(tài)稱為固體流態(tài)化。v 固體流態(tài)化分為幾種形式如下：v （a)固定床固定床 v (b)臨界流化床臨界流化床v (c)流化床流化床 v (d)氣流輸送床氣流輸送床圖圖1-1不同流速時(shí)床層的變化不同流速時(shí)床層的變化v2.散式流化床和聚式流化床散式流化床和聚式流化床v（1）散式流化床

2、）散式流化床:v 顆粒均勻地分布在整個(gè)流化床。v 隨著流速增加床層均勻膨脹。v 床內(nèi)孔隙率均勻增加。 v 床層上界面平穩(wěn)，壓降穩(wěn)定、波動(dòng)v (2) 聚式流化床聚式流化床:v 聚式流態(tài)化出現(xiàn)在流-固密度差較大的體系 。散式流化散式流化床床聚式流化聚式流化床床以氣泡形式夾帶少量以氣泡形式夾帶少量顆粒穿過(guò)床層向上運(yùn)顆粒穿過(guò)床層向上運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)的氣泡稱動(dòng)的不連續(xù)的氣泡稱為氣泡相為氣泡相 圖圖1-2流化床的類型流化床的類型返回返回3.兩種流化態(tài)的判別液固流化為液固流化為散式流化散式流化v 一般情況兩種流化床的判別一般情況兩種流化床的判別：散式流化床散式流化床聚式流化床聚式流化床顆粒與流體之間的顆粒與流體

3、之間的密度差密度差是它們主要區(qū)別是它們主要區(qū)別氣固流化為聚式氣固流化為聚式流化流化v特殊（壓力較高的氣固系統(tǒng)或者用較輕的液體流化較重的顆粒）情況下兩種流化床判別： wilhelm和郭慕孫首先先用弗勞德數(shù)來(lái)區(qū)分兩種流化態(tài)： gdupmfmfFr213. 0mfFr3.1mfFr研究表明：研究表明：為散式流化為散式流化為聚式流化為聚式流化（二）流化床反應(yīng)器中的傳質(zhì)（二）流化床反應(yīng)器中的傳質(zhì)流化床反應(yīng)器中的傳質(zhì)流化床反應(yīng)器中的傳質(zhì)顆粒與流體間的傳質(zhì)顆粒與流體間的傳質(zhì)氣泡與乳化相間的傳質(zhì)氣泡與乳化相間的傳質(zhì)（1）顆粒與流體間的傳質(zhì)）顆粒與流體間的傳質(zhì) 氣體進(jìn)入床層后，部分通過(guò)乳化相流動(dòng)，其余則氣體進(jìn)入

4、床層后，部分通過(guò)乳化相流動(dòng)，其余則以氣泡形式通過(guò)床層。以氣泡形式通過(guò)床層。 乳化相中的氣體與顆粒接觸良好，而氣泡中的氣乳化相中的氣體與顆粒接觸良好，而氣泡中的氣體與顆粒接觸較差。體與顆粒接觸較差。 原因是氣泡中幾乎不含顆粒，氣體與顆粒接觸的主原因是氣泡中幾乎不含顆粒，氣體與顆粒接觸的主要區(qū)域集中在氣泡與氣泡暈的相界面和尾渦處。要區(qū)域集中在氣泡與氣泡暈的相界面和尾渦處。（2）氣泡與乳化相間的傳質(zhì)氣泡與乳化相間的傳質(zhì) 由于流化床反器中的反應(yīng)實(shí)際上是在乳化相中進(jìn)由于流化床反器中的反應(yīng)實(shí)際上是在乳化相中進(jìn)行的，所以氣泡與乳化相間的氣體交換作用非常重要。行的，所以氣泡與乳化相間的氣體交換作用非常重要。相

5、間傳質(zhì)速率與表面反應(yīng)速率的快慢，對(duì)于選擇合理相間傳質(zhì)速率與表面反應(yīng)速率的快慢，對(duì)于選擇合理的床型和操作參數(shù)都相關(guān)。的床型和操作參數(shù)都相關(guān)。返回返回（三）流化床反應(yīng)器中的傳熱（三）流化床反應(yīng)器中的傳熱 （1）流化床反應(yīng)器內(nèi)的傳熱流化床反應(yīng)器內(nèi)的傳熱 流化床反應(yīng)器具有溫度分布均勻和傳熱流化床反應(yīng)器具有溫度分布均勻和傳熱速率高的特點(diǎn)，特別適于產(chǎn)生大量反應(yīng)速率高的特點(diǎn)，特別適于產(chǎn)生大量反應(yīng)熱的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)換熱器的傳熱面積熱的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)換熱器的傳熱面積可以減小，結(jié)構(gòu)更緊湊?？梢詼p小，結(jié)構(gòu)更緊湊。 （2）傳熱的三種基本形式：）傳熱的三種基本形式： 固體顆粒與固體顆粒之間的傳熱固體顆粒與固體顆粒之間的

6、傳熱 固體顆粒與流體間的傳熱固體顆粒與流體間的傳熱 床層與器壁或換熱器表面的傳熱床層與器壁或換熱器表面的傳熱 這三種傳熱的基本形式中，前兩種傳熱速這三種傳熱的基本形式中，前兩種傳熱速度比后一種要大得多，所以要提高整個(gè)流化度比后一種要大得多，所以要提高整個(gè)流化床的傳熱速度，關(guān)鍵就在于提高后一種傳熱床的傳熱速度，關(guān)鍵就在于提高后一種傳熱速度。速度。返回返回（四）流化床反應(yīng)器的參數(shù)及其工藝計(jì)算（四）流化床反應(yīng)器的參數(shù)及其工藝計(jì)算 v 理想流體的流化床壓降與流速 固定床階段：如圖固定床階段：如圖AB段壓力降段壓力降P隨著流速隨著流速u的增加而增加的增加而增加 。流化床階段：如圖流化床階段：如圖DE段所

7、示床層的壓力降保持不變段所示床層的壓力降保持不變 。 流體輸送階段：流體的壓力降與流體在空管道中相似。流體輸送階段：流體的壓力降與流體在空管道中相似。 圖圖1-3流化床壓降流化床壓降-流速關(guān)系流速關(guān)系v 實(shí)際流化床的壓降與流速：圖圖1-4實(shí)際流化床的實(shí)際流化床的P-u關(guān)系圖關(guān)系圖v 臨界流化速度（起始流化速度，也稱最低流化速度）：顆粒層由固定床轉(zhuǎn)化為流化床時(shí)流體的表現(xiàn)速度，用表示。 對(duì)于小顆粒： mfuffppmfgdu1650)(2)20(eR對(duì)于大顆粒： )1000(eRffppmfgdu5 .24)(2用上述各式計(jì)算時(shí),應(yīng)將所得 值代入 中，檢驗(yàn)其是否符合規(guī)定范圍。如不符合，應(yīng)重新選公式

8、計(jì)算。mfuffmfpudRev實(shí)際流化床與理想流化床差異的原實(shí)際流化床與理想流化床差異的原因：因：v形成的原因是固定床階段，顆粒之形成的原因是固定床階段，顆粒之v間由于相互接觸，部分顆?？赡苡虚g由于相互接觸，部分顆?？赡苡屑軜颉⒓軜?、嵌接嵌接等情況，造成開始流化時(shí)需要大于等情況，造成開始流化時(shí)需要大于v理論值的推動(dòng)力才能使床層松動(dòng)，即形理論值的推動(dòng)力才能使床層松動(dòng)，即形成較大的壓力降成較大的壓力降。v計(jì)算臨界流化速度的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式很多，下面計(jì)算臨界流化速度的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式很多，下面再介紹一種便于應(yīng)用而有準(zhǔn)確的介紹公式：再介紹一種便于應(yīng)用而有準(zhǔn)確的介紹公式：v 06. 088. 09

9、4. 082. 1)(00923. 0fffppmfdum/s式中只適用于式中只適用于Re10,即較細(xì)顆粒。即較細(xì)顆粒。由上式看出，影響臨界流化速度的因素有：由上式看出，影響臨界流化速度的因素有：顆粒直徑顆粒直徑 顆粒密度顆粒密度 流體黏度流體黏度v氣泡上升速度是氣泡的重要參數(shù)之一。流化床單個(gè)氣泡的氣泡上升速度是氣泡的重要參數(shù)之一。流化床單個(gè)氣泡的上升速度上升速度 可取可?。篵ru21)(711. 0ebrgdu在實(shí)際床層中，出現(xiàn)成群上升的氣泡時(shí)，上升速度一般用下式計(jì)算：21)(711. 0emfbrgduuued 為氣泡的當(dāng)量直徑是與球形頂蓋氣泡體積相等的球形直徑單位為m。v顆粒帶出速度，也

10、稱終端速度。用顆粒帶出速度，也稱終端速度。用“ ”表示表示tu21)(34Dffpptgdu對(duì)于球形顆粒等速沉降時(shí)，可得出下式：對(duì)于球形顆粒等速沉降時(shí)，可得出下式：D阻力系數(shù)，是阻力系數(shù)，是 的函數(shù)。對(duì)球形粒子：的函數(shù)。對(duì)球形粒子：fftpeuudRttDRe2421Re10tD43. 0D)4 .0(Ret)500Re4 . 0(t)10*2Re500(5t式中分別代入式，得：ffptgdu18)(2pfffptdgu3/122)(22542/1)(1 . 3ffpptgdu)4 . 0(Re t)500Re4 . 0(t)10*2Re500(5t對(duì)于非球形粒子，D可用非對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，

11、或者查閱相應(yīng)的圖表對(duì)于上面的公式還可以考察對(duì)于大,小顆粒流化范圍的影響對(duì)細(xì)粒子，當(dāng)對(duì)細(xì)粒子，當(dāng)4 . 0Re 對(duì)大顆粒，對(duì)大顆粒， 當(dāng)當(dāng)1000Re 6.91mftuu72.8mftuuv2.流化床床反應(yīng)器的工藝計(jì)算 再確定床高床徑，內(nèi)部構(gòu)件最后計(jì)算壓力降選型：主要應(yīng)根據(jù)工藝過(guò)程特點(diǎn)來(lái)考慮，即化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)、顆粒或催化劑的特性、對(duì)產(chǎn)品的要求即生成規(guī)模。v 首先選型 5210013. 1273360041pTuDQRupTQupTQDR982800132.4360027310013.145氣體的體積流量氣體的體積流量,hm /3RDpT,Qu反映器直徑反映器直徑, m放映器的絕對(duì)溫度放映器的絕對(duì)溫

12、度(K)和絕對(duì)壓力和絕對(duì)壓力(Pa)以以T、p計(jì)的表觀氣流計(jì)的表觀氣流,sm/流化床的直徑：流化床的直徑：流化床的床高：流化床的床高：（1）臨界流化床高(2)流化床高(3)穩(wěn)定段高度mfLfLDL)1 (42mfPRFmfDWL（根據(jù)床層膨脹比（根據(jù)床層膨脹比R R可求出）可求出）mffRLL床層膨脹比的定義床層膨脹比的定義: :mmffmfmffLLR)11 ( 和和 為臨界狀態(tài)和實(shí)際操作條為臨界狀態(tài)和實(shí)際操作條件下床層的平均密度。件下床層的平均密度。mmfm3.流化床反應(yīng)器壓力降計(jì)算流化床反應(yīng)器壓力降計(jì)算v流化床反應(yīng)器壓力降氣體分布板壓力降氣體分布板壓力降流化床壓力降流化床壓力降分離設(shè)備壓

13、力降分離設(shè)備壓力降 氣體分布板的類型與作用氣體分布板的類型與作用v作用：v具有均勻分布?xì)饬鞯淖饔?，同時(shí)其壓降要小。 v能使流化床有一個(gè)良好的起始流態(tài)化狀態(tài)。 v操作過(guò)程中不易被堵塞和磨蝕。分布板的壓力降計(jì)算v流體通過(guò)分布板的壓降可用床內(nèi)表觀速度的速度頭倍數(shù)來(lái)表示：流體通過(guò)分布板的壓降可用床內(nèi)表觀速度的速度頭倍數(shù)來(lái)表示：guCpfDD222807.9DpDC分布板壓降，分布板壓降，PaPa；開孔率；開孔率；阻率系數(shù)，其值在阻率系數(shù)，其值在1.5-2.51.5-2.5v分布板的臨界壓力降v 臨界壓降是指分布板能起到均勻布?xì)獠⒕哂辛己梅€(wěn)定性的最小壓降，它與分布板下面的氣體引入及分布板上床層有關(guān)。v分

14、布板的壓力降分為布?xì)馀R界壓降布?xì)馀R界壓降和穩(wěn)定性臨界壓降。穩(wěn)定性臨界壓降。guPfdcD218000)(2開孔率小于開孔率小于1%徑向流速?gòu)较蛄魉仝呌诰鶆蜈呌诰鶆?。五?流化床的數(shù)學(xué)模型流化床的數(shù)學(xué)模型 建立數(shù)學(xué)模型的目的是要定量地分析影響流化床建立數(shù)學(xué)模型的目的是要定量地分析影響流化床性能的各個(gè)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，解決反應(yīng)器放大和性能的各個(gè)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，解決反應(yīng)器放大和控制以及相關(guān)的最優(yōu)化問(wèn)題?？刂埔约跋嚓P(guān)的最優(yōu)化問(wèn)題。7.4.1 模型的類別模型的類別 （1）簡(jiǎn)單均相模型）簡(jiǎn)單均相模型全混流模型全混流模型活塞流模型活塞流模型（2）兩相模型）兩相模型氣泡相（活塞流）氣泡相（活塞流） 乳化

15、相（活塞流）乳化相（活塞流）氣泡相（活塞流）氣泡相（活塞流） 乳化相（全混流）乳化相（全混流）（3）三相模型）三相模型氣泡相氣泡相 氣泡云氣泡云乳化相乳化相氣泡相氣泡相上流相（氣上流相（氣+固）固） 下流相（氣下流相（氣+固）固）以上各種模型，大多數(shù)以氣泡直徑作為模型參數(shù)，以上各種模型，大多數(shù)以氣泡直徑作為模型參數(shù)，根據(jù)氣泡直徑是否可變分為以下幾種情況：根據(jù)氣泡直徑是否可變分為以下幾種情況： （1）各參數(shù)為常數(shù)，不隨床高變化，也與氣泡）各參數(shù)為常數(shù)，不隨床高變化，也與氣泡狀況無(wú)關(guān)；狀況無(wú)關(guān)； （2）各參數(shù)為常數(shù)，不隨床高變化，用一恒定）各參數(shù)為常數(shù)，不隨床高變化，用一恒定不變的當(dāng)量氣泡直徑作為模型的可調(diào)參數(shù)。不變的當(dāng)量氣泡直徑作為模型的可調(diào)參數(shù)。 （3）各參數(shù)與氣泡大小有關(guān)，氣泡大小隨床高）各參數(shù)與氣泡大小有關(guān)，氣泡大小隨床高變化。變化。 迄今為止，已提出很多流化床數(shù)學(xué)模型，也有迄今為止，已提出很多流化床數(shù)學(xué)模型，也有一些應(yīng)用的實(shí)例與實(shí)際情況比較符合，但尚無(wú)一個(gè)一些應(yīng)用的實(shí)例與實(shí)際情況比較符合，但尚無(wú)一個(gè)被公認(rèn)為可普遍使用的數(shù)學(xué)模型。下面以兩種比較被公認(rèn)為可普遍使用的數(shù)學(xué)模型。下面以兩種比較