流態(tài)化反應(yīng)器

流態(tài)化反應(yīng)器第一頁，共十七頁，2022年，8月28日5.1概述

概念流態(tài)化：一般指固體流態(tài)化，簡稱流化，它是利用流動流體的作用，將固體顆粒群懸浮起來，從而使固體顆粒具有某些流體表觀特征，利用這種流體與固體間的接觸方式實現(xiàn)生產(chǎn)過程的操作。流化床反應(yīng)器：一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運動狀態(tài)，并進行氣固相反應(yīng)過程或液固相反應(yīng)過程的反應(yīng)器。在用于氣固系統(tǒng)時，又稱沸騰床反應(yīng)器。第二頁，共十七頁，2022年，8月28日將一批固體顆粒堆放在多孔的分布板上形成床層，使流體自下而上通過床層。由于流體的流動及其與顆粒表面的摩擦，造成流體通過床層的壓力降。(1)當(dāng)流體通過床層的表觀流速不大時，顆粒之間仍保持靜止和互相接觸，這種床層稱為固定床。流態(tài)化現(xiàn)象按床層截面計算的流速隨著流體流速由小到大的變化，床層出現(xiàn)了三個不同的階段第三頁，共十七頁，2022年，8月28日(2)當(dāng)表觀流速增大至起始流化速度時，床層壓力降等于單位分布板面積上的顆粒浮重,這時顆粒不再相互支撐，并開始懸浮在流體之中。進一步提高表觀流速，床層隨之膨脹，床層壓力降近乎不變，但床層中顆粒的運動加劇。這時的床層稱為流化床。(3)當(dāng)表觀流速等于顆粒的自由沉降速度時，所有顆粒都被流體帶走，而流態(tài)化過程進入輸送階段。顆粒的重力減去同體積流體的重力第四頁，共十七頁，2022年，8月28日第五頁，共十七頁，2022年，8月28日散式流態(tài)化和聚式流態(tài)化根據(jù)流化床內(nèi)顆粒和流體的運動狀況來區(qū)分。在散式流態(tài)化時，顆粒均勻分布在流體中，并在各方向上作隨機運動，床層表面平穩(wěn)且清晰，床層隨流體表觀流速的增加而均勻膨脹。在聚式流態(tài)化時，床層內(nèi)出現(xiàn)組成不同的兩個相，即含顆粒甚少的不連續(xù)氣泡相和含顆粒較多的連續(xù)乳化相。第六頁，共十七頁，2022年，8月28日乳化相的氣固運動狀況和空隙率，與起始流化狀態(tài)相近。通過床層的流體，部分從乳化相的顆粒間通過，其余以氣泡形式通過床層。增加流體流量時，通過乳化相的氣量基本不變，而氣泡量相應(yīng)增加。氣泡在分布板上生成，在上升過程中長大；小氣泡會合并成大氣泡；大氣泡也會破裂成小氣泡。氣泡上升至床面時破裂，使床面頻繁地波動起伏，同時將一部分固體顆粒拋撒到界面以上，形成一個含固體顆粒較少的稀相區(qū)；與此相對應(yīng)，床面以下的床層稱為濃相區(qū)。氣泡的運動即使床層中的顆粒劇烈運動，也影響到氣固間的均勻接觸。第七頁，共十七頁，2022年，8月28日美國學(xué)者R.H.威海姆和中國學(xué)者郭慕孫提出用下式計算的弗勞德數(shù)作為流態(tài)化類型的判據(jù)：

式中umf為起始流化速度；dP為粒徑；g為重力加速度。Fr>1時為聚式流態(tài)化，F(xiàn)r<1時為散式流態(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。第八頁，共十七頁，2022年，8月28日床層中出現(xiàn)氣泡是聚式流態(tài)化的基本特征。較小的氣泡呈球形，較大的氣泡呈帽形。氣泡的中心是基本上不含顆粒的空穴；氣泡的外層稱為暈，這是滲透著氣泡氣流的乳化相。泡底有尾渦區(qū)，稱為尾跡。暈和尾跡是氣泡相和乳化相間發(fā)生物質(zhì)交換的媒介，對于流化床中發(fā)生的過程起重要作用。第九頁，共十七頁，2022年，8月28日第十頁，共十七頁，2022年，8月28日流態(tài)化的不正常現(xiàn)象流態(tài)化的不正?，F(xiàn)象有溝流和騰涌，出現(xiàn)在設(shè)計或操作不合理的流化床層中。溝流是指床層中出現(xiàn)通道，大量流體經(jīng)此短路流過，使床層其余部分仍處于固定床狀態(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)計不當(dāng)；顆粒細而密度大，形狀不規(guī)則；顆粒有粘附性或含濕量較大。第十一頁，共十七頁，2022年，8月28日騰涌是當(dāng)氣泡直徑增大到接近于床層直徑時的流態(tài)化現(xiàn)象。①直徑接近于床徑的氣泡沿床上升，顆粒從氣泡邊緣下降；②氣泡呈柱塞狀，一段段床層由氣泡推動著上升，當(dāng)氣泡到達床界面時，氣泡破裂，床層塌落，顆粒成團或分散下落。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。第十二頁，共十七頁，2022年，8月28日流化床的主要特征①從整體看，床層顯示出某些類似于液體的表觀性質(zhì)。由于床層具有流動性，可以很方便地使固體顆粒連續(xù)加入和排出，無須機械裝置就能實現(xiàn)連續(xù)操作。②氣固流化床宛如沸騰著的液體，固體顆粒在床內(nèi)激烈運動，造成整個流化床宏觀上的均勻性，床層各處的溫度均一，適合強熱效應(yīng)的過程。但激烈運動也造成各顆粒在流化床中停留時間的不均一和流體的返混。第十三頁，共十七頁，2022年，8月28日③壓力降保持恒定，這使流化床可以采用小顆粒，無須擔(dān)心過大的壓降；小顆粒的采用有利于流體與顆粒間的熱量傳遞和質(zhì)量傳遞，也縮短了顆粒內(nèi)部的傳遞和反應(yīng)距離。④在聚式流化床中，大量氣體以氣泡形式通過床層，這部分氣體與固體接觸甚少；而少量流經(jīng)乳化相的氣體，在床內(nèi)有較長時間與固體接觸。⑤顆粒在床內(nèi)劇烈運動，造成固體顆粒和床內(nèi)設(shè)備的磨損，生成粉塵。第十四頁，共十七頁，2022年，8月28日流化床反應(yīng)器的分類按應(yīng)用可分為兩類：一類的加工對象主要是固體,如礦石的焙燒,稱為固相加工過程；另一類的加工對象主要是流體，如石油催化裂化、酶反應(yīng)過程等催化反應(yīng)過程，稱為流體相加工過程.第十五頁，共十七頁，2022年，8月28日5.2流化床反應(yīng)器的優(yōu)缺點優(yōu)點：①可以實現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；②流體和顆粒的運動使床層具有良好的傳熱性能，床層內(nèi)部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于強放熱反應(yīng)；③便于進行催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)操作，適于催化劑失活速率高的過程的進行。石油餾分催化流化床裂化的迅速發(fā)展就是這一方面的典型例子。第十六頁，共十七頁，2022年，8月28日缺點：①固體顆粒和氣泡的劇烈循環(huán)和攪動，使其停留時間長，導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品分布，降低了目的產(chǎn)物的收率；②反應(yīng)物以氣泡形式通過床層，減少了氣-固相之間的接觸機會，降低了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；③固體催化劑在流