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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/10/3,#,第七章,气固相催化流化床反应器,1,化学反应工程课件,第1页,1/73,流态化现象：使微粒固体经过与气体或液体接触而转变成类似流体操作。,固体颗粒层与流体接触不一样类型：,流体流速增加,固定床,初始流态化,散式流态化,聚式流态化,腾涌,稀相流态化,液体,气体,第一节：流化床反应器及其特点,一、流态化现象,2,化学反应工程课件,第2页,2/73,3,化学反应工程课件,第3页,3/73,-,dp,u,u,t,u,mf,流化床,固定床,浓相区,稀相区,流体输送,4,化学反应工程课件,第4页,4/73,二、流化床基本概念,1.固定床和流化床,（1）固定床：,当经过床层流体流量较小时，颗粒受到升力（浮力与曳力之和）小于颗粒本身重力时，颗粒在床层内静止不动，流体由颗粒之间空隙经过。此时床层称为固定床。,（2）流化床：,伴随流体流量增加，颗粒受到曳力也伴随增大。若颗粒受到升力恰好等于本身重量时，颗粒受力处于平衡状态，故颗粒将在床层内作上下、左右、前后激烈运动，这种现象被称为固体流态化，整个床层称为流化床。,5,化学反应工程课件,第5页,5/73,6,化学反应工程课件,第6页,6/73,7,化学反应工程课件,第7页,7/73,2.流化床类似液体性状,轻物体浮起；,表面保持水平；,固体颗粒从孔中喷出；,床面拉平；,床层重量除以截面积等于,压强,8,化学反应工程课件,第8页,8/73,3.流化床优点,（1）传热效能高，固体颗粒快速混合，整个床 层易于控制等温；,（2）颗粒流动类似液体，易于处理，控制，宜于大规模操作；,（3）颗粒能够在两个流化床之间流动、循环，使大量热、质有可能在床层之间传递；,（4）气体和固体之间热质传递较其它方式高；,（5）流化床与床内构件给热系数大；,（6）因为粒子细，能够消除内扩散阻力，能充分发挥催化剂效能。,9,化学反应工程课件,第9页,9/73,4.流化床缺点,（1）气体流况不均，不少气体以气泡状态经过床层，气固相接触不够有效；,（2）颗粒在床层快速混合，粒子运动基本上是全混式，造成停留时间分布不均匀；,（3）脆性颗粒易粉碎被气流带走；,（4）颗粒对设备磨损严重；,（5）对高温非催化操作，颗粒易于聚集和烧结。,10,化学反应工程课件,第10页,10/73,5.散式流化和聚式流化,（1）散式流态化,伴随流体流量加大，床层内空隙率增大，颗粒之间间距加大，而颗粒在床层中分布均匀，流体基本上以平推流形式经过床层，人们称这种流化形式为散式流态化。(如液固系统),（2）聚式流态化,在这类流态化形式中，床层显著地分成两部分。其一是乳化相：固体颗粒被分散于流体中，单位体积内颗粒量类似于散式流化床初始流化状态。其二是气泡相：流体以气泡形式经过床层。(如气固系统),11,化学反应工程课件,第11页,11/73,（3）两种流态化判别,普通认为：,液固流态化为散式流态化；,气固流态化多为聚式流态化。,为散式流态化,为聚式流态化,12,化学反应工程课件,第12页,12/73,13,化学反应工程课件,第13页,13/73,6.浓相段和稀相段,浓相段：,当流体经过固体床层空塔速度值高于初始流化速度但低于带出速度，颗粒在气流作用下悬浮于床层中，所形成流固混合物称为浓相段。,稀相段：,在浓相段上升气泡在界面上破裂，气泡内颗粒以及受气泡挟带乳化相中颗粒将被抛向浓相段上方空间。这段空间称为稀相段或称分离段。,14,化学反应工程课件,第14页,14/73,颗粒含量,床高,稀相段,浓相段,浓相段和稀相段,15,化学反应工程课件,第15页,15/73,7.流态化不正常现象,沟流：因为流体分布板设计或安装上存在问题，使流体经过分布板进入浓相段形成不是气泡而是气流，称沟流。沟流造成气体与乳化相之间接触降低，传质与反应效果显著变差。,大气泡和节涌（腾涌）,16,化学反应工程课件,第16页,16/73,17,化学反应工程课件,第17页,17/73,8.流化床工业应用,第一次工业应用：,1922年 Fritz Winkler,获德国专利，1926年第一台高13米，截面积12平方米煤气发生炉开始运转。,当前最主要工业应用：,物理操作,矿物资源综合利用,煤燃烧与转化,石油加工工业,有机合成工业,材料工业,生化工程中应用,环境工程中应用,18,化学反应工程课件,第18页,18/73,第二节：流化床传递,一、流速和压降,1.流化床床层压降,19,化学反应工程课件,第19页,19/73,在临界点：,固定床：,流化床：,故：,20,化学反应工程课件,第20页,20/73,2.初始流化速率u,mf,：,颗粒开始流化时最小气流速率,合并两式并整理（d,s,a,d,p,）：,（1）对于小颗粒流化床：R,e,1000,（3）对中等雷诺数，两项都要考虑。,计算出临界流化速度后要进行验算，看雷诺数是否在适用范围之内。,22,化学反应工程课件,第22页,22/73,3.带出速率（终端速率）：,当流体对颗粒曳力与颗粒重量相等，颗粒会被流体带走：,23,化学反应工程课件,第23页,23/73,对于单颗粒，有半经验公式：,24,化学反应工程课件,第24页,24/73,以上计算是针对一个颗粒，在流化床内因为颗粒间有相互影响，故逸出速度由此速度值再加以校正而得。,u,T,=Fu,Re10时，Re-,F,见以下图,25,化学反应工程课件,第25页,25/73,26,化学反应工程课件,第26页,26/73,4.反应器内径计算,V,G,：气流体积流量m,3,s,-1,d,T,：流化床内径m,u,：气流空塔流速m.s,-1,可见，流化床内径取决于气流空塔气速，而流化床空塔气速应介于初始流化速度（也称临界流化速度）与逸出速度之间。即维持流化状态最低气速与最高气速之间。,27,化学反应工程课件,第27页,27/73,例8-1 计算萘氧化制苯酐微球硅胶钒催化剂起始流化速度和逸出速度,已知催化剂粒度分布以下：,催化剂颗粒密度,P,=1120kg.m,-3,气体密度,=1.10kg.m,-3,气体粘度,=0.0302mPa,s,28,化学反应工程课件,第28页,28/73,解,1计算颗粒平均粒径,依据标准筛规格，目数与直径关系以下：,在两个目数间隔内颗粒平均直径可按几何平均值计算，即,29,化学反应工程课件,第29页,29/73,2计算起始流化速,率,（,u,mf,）,30,化学反应工程课件,第30页,30/73,3计算带出速率（,u,t,）:,设Re,m,2,31,化学反应工程课件,第31页,31/73,复核Re值,假设Re,m,2合理。,由Re=1.3，Re10可得,F,=1,32,化学反应工程课件,第32页,32/73,5.床层高度计算,（1）,浓相段床高度,催化剂在床层中堆积高度称静床层高度(,L,0,)。在通入气体到起始流化时，床高,L,mf,L,0,。若继续加大气量，床层内产生一定量气泡，浓相段床高(,L,f,)远大于静床层高度。,关于浓相段床高计算通惯用计算床层空隙率(,f,)来取得。,令床层膨胀比,R,33,化学反应工程课件,第33页,33/73,0.2Re,P,1,1 Re,P,200,200Re,P,500,500Re,P,n,=2.39,则,L,f,=RL,mf,34,化学反应工程课件,第34页,34/73,（2）稀相段床高估算,稀相段也称分离段，主要是用来确保床内因气泡破裂而挟带固体颗粒重新回到浓相段所需空间。,稀相段床高可由化工原理中非均相分离过程计算而得，也可由下述经验方程估算。,35,化学反应工程课件,第35页,35/73,（3）对粒子分类估算床层高度,A区：细粒子流化区,B区：粗粒子流化区,C区：易黏结粒子区,D区：大而重粒子区,36,化学反应工程课件,第36页,36/73,例8-2 例8-1中催化反应过程，若操作气速取12cm.s,-1,，催化剂装填高度,L,0,=20cm，气体流量为122m,3,h,-1,，试估算流化床内径以及浓相段、稀相段床高。,解,1计算流化床内径,2计算流化床浓相段床高,37,化学反应工程课件,第37页,37/73,当0.2Re,P,C,AC,C,a,e,泡 相：b,气泡云：c,乳 相：e,从气泡经过气泡云到乳相传递是一个串联过程,44,化学反应工程课件,第44页,44/73,第三节：床层中气泡行为,乳化相：,当气体经过床层时一部分气体与颗粒之间组成乳化相；,气泡相：,气体以气泡形式经过乳化相。因为气体上升速度与乳化相速度不一样，存在显著速度差异，气泡在上升过程中必定会挟带气泡周围一定量乳化相物质。,尾涡：,气泡在上升时其尾部形成负压，将吸入部分乳化相物质随其上升，这部分称尾涡。,气泡云：,气泡上升时气泡外侧一定厚度乳化相将随气泡一起上升，这部分被称为气泡云。,气泡晕：,尾涡与气泡云统称为气泡晕。,45,化学反应工程课件,第45页,45/73,46,化学反应工程课件,第46页,46/73,1.单个气泡上升速率,2.气泡群上升速率,3.气泡直径,47,化学反应工程课件,第47页,47/73,4.气泡最大稳定直径,5.气泡云直径,48,化学反应工程课件,第48页,48/73,6.气体穿流量q,49,化学反应工程课件,第49页,49/73,第四节：流化床数学模型,一、模型种类,1.两相模型,（1）气相乳相,（2）上流相回流相,（3）气泡相乳相,2.三相模型,气泡相泡晕相乳相,气泡相上流相回流相,3.四相模型,气泡相泡晕相上流相回流相,50,化学反应工程课件,第50页,50/73,51,化学反应工程课件,第51页,51/73,二、流化床反应器设计与放大,52,化学反应工程课件,第52页,52/73,三、鼓泡床模型,1.鼓泡床模型,对流化床运动形态作以下简化:,（1）认为床层主体部分气泡大小均一且均匀分布于床层之中。,（2）床层中乳化相处于起始流化状态，超出起始流化态气体将以气泡形式经过床层。,53,化学反应工程课件,第53页,53/73,（3）床层可分为气泡、气泡晕及乳化相三部分。在气泡、气泡晕和乳化相之间传质过程是一个串联过程。,（4）在 时，进入稀相段气体只有气泡破裂而逸出气体，故稀相段气体组成与离开浓相段气泡中气体组成相同。,54,化学反应工程课件,第54页,54/73,2.反应过程估算,在流化床浓相段中，对气体中反应物A而言，存在以下关系：,55,化学反应工程课件,第55页,55/73,56,化学反应工程课件,第56页,56/73,依据此表可得A组分物料衡算。,以单位气体体积为基准,（总消失量）=（在气泡中反应量）+（转移到气泡晕中量）,（转移到气泡晕中量）=（在气泡晕中反应掉量）+（转移到乳化相中量）,（转移到乳化相中量）=（在乳化相中反应掉量）,57,化学反应工程课件,第57页,57/73,式中 是流化床内总反应速率常数。,对该方程进行积分,边值条件为：,58,化学反应工程课件,第58页,58/73,已知,c,A0,，,c,Af,（或,x,Af,），利用该式可求得浓相段床高,L,f,，进而求出催化剂用量。,已知,c,A0,，,L,f,，可求得气体出口浓度,c,Af,（或转化率,x,Af,）。,以反应动力学方程为一级反应为例：,59,化学反应工程课件,第59页,59/73,60,化学反应工程课件,第60页,60/73,联解此方程，消除,c,Ac,，,c,Ae,整理后可得,61,化学反应工程课件,第61页,61/73,由,边值条件,代入,若浓相段床高为,L,f,，则出口气体浓度及转化率为,62,化学反应工程课件,第62页,62/73,若要求出口转化率为,x,Af,，则需浓相段床高,L,f,为,b,，,c,，,e,及,K,bc,，,K,ce,值由经验公式计算。,b,值在0.001-0.01之间。因为该值较小，对计算影响不大。,63,化学反应工程课件,第63页,63/73,64,化学反应工程课件,第64页,64/73,例8-3 计算萘氧化制苯酐流化床反应器气体出口转化率.,已知:,1.催化剂：微球硅胶钒催化剂（同例8-1）,平均粒径,密度,2气体性质,气体密度,气体粘度,扩散系数,65,化学反应工程课件,第65页,65/73,3流化床特征,静床层高,床层直径,空隙率,操作气速,4反应动力学方程,66,化学反应工程课件,第66页,66/73,解,1计算起始流化速度与逸出速度,2计算操作条件下空隙率及膨胀比,空隙率,床层膨胀比,浓相段高,稀相段高,67,化学反应工程课件,第67页,67/73,3,计算气泡上升速度,68,化学反应工程课件,第68页,68/73,4计算,b,，,c,，,e,值,取,b,=0.01,查 图，当初，,69,化学反应工程课件,第69页,69/73,代入,式中,代入,70,化学反应工程课件,第70页,70/73,5计算 、值,71,化学反应工程课件,第71页,71/73,6计算,K,r,值,72,化学反应工程课件,第72页,72/73,7计算出口气体中萘转化率,73,化学反应工程课件,第73页,73/73,
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