流体化固定床
化工基础实验 固定床和流化床实验
流化床压力与气速的关系
log
固定床
流化床
带出开始
C
B
A
D
A 起始流化速度
带出速度
logu
图 3-28 流化床压力降与气速关系
三、实验装置图
图2 气固系统流程图 1.鼓风机 2.孔板流量计 3.孔板压差计 4. 压差计 5.床身 6.接收管 7.旋风分离器 8.按钮开关
图2 液固系统流程图 1. 旋液分离器 2. 接收器 3.床身 4. 压差计 5. 孔板压差计 6.水槽 7.水泵 8. 孔板流量计 9. 按钮开关
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B、 聚式流化
对于密度差较大的系统，则趋向于另一种流化 形式——聚式流化。例如，在密度差较大的 气—固系统的流化床中，超过流化所需最小气 量的那部分气体以气泡形式通过颗粒层，上升 至床层上界面时即行破裂。在这些气泡内可能 夹带有少量固体颗粒。这时床层内分为两相， 一相是空隙小而固体浓度大的气固均匀混合物 构成的连续相，称为乳化相；另一相则是夹带 有少量固体颗粒而以气泡形式通过床层的不连 续相，称为气泡相。由于气泡在上界面处破裂， 所以上界面是以某种频率上下波动的不稳定界 面，床层压强降也随之作相应的波动。
实验装置
四、注意事项
在全部的操作中，流量调节是关键，要求流量调节要缓 慢，由其是在临界流化点附近要更加缓慢，做出流化曲 线的全部过程，至少要做15—20个点左右，点并均匀分 布。
由于实验完毕后，床层颗粒的孔隙率增大，为了使下一 次实验数据准确性好些，用手轻轻拍一下床体，使固体 的孔隙率减小，床层高度为实验前原有的高度。
本实验室装置为二维床。便于观察现象。但固体颗粒回 收到床内，并不十分方便。所以操作中注意流量调节不 要过猛，防止颗粒带出。
固定床、流化床、移动床、浆态床比较
四种反应器形式比较一、固定床反应器（一）概念凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备都称为固定床反应器。
而其中尤以利用气态的反应物料，通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气固相催化反应器在化工生产中应用最为广泛。
例如石油炼制工业中的加氢裂化、歧化、异构化、加氢精制等；无机化学工业中的合成氨、硫酸、天然气转化等；有机化学工业中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙烯水合制乙醇、乙苯脱氧制苯乙烯、苯加氢制环己烷等。
（二）特点结构简单、操作稳定、便于控制、易实现大型化和连续化生产等优点，是现代化工和反应中应用很广泛的反应器。
1、优点主要表现在以下几个方面：1）在生产操作中，除床层极薄和气体流速很低的特殊情况外，床层内气体的流动皆可看成是理想置换流动，因此在化学反应速度较快，在完成同样生产能力时，所需要的催化剂用量和反应器体积较小。
2）气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性。
3）催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。
4）适宜于高温高压条件下操作。
2、由于固体催化剂在床层中静止不动，相应地产生一些缺点：1）催化剂载体往往导热性不良，气体流速受压降限制又不能太大，导致床层中传热性能较差，也给温度控制带来困难。
对于放热反应，在换热式反应器的入口处，因为反应物浓度较高，反应速度较快，放出的热量往往来不及移走，而使物料温度升高，这又促使反应以更快的速度进行，放出更多的热量，物料温度继续升高，直到反应物浓度降低，反应速度减慢，传热速度超过了反应速度时，温度才逐渐下降。
所以在放热反应时，通常在换热式反应器的轴向存在一个最高的温度点，称为“热点”。
如设计或操作不当，则在强放热反应时，床内热点温度会超过工艺允许的最高温度，甚至失去控制而出现“飞温”。
此时，对反应的选择性、催化剂的活性和寿命、设备的强度等均极不利。
2）不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，破坏了正常操作，所以催化剂的活性内表面得不到充分利用。
固定床的工作原理
固定床的工作原理
固定床是一种广泛应用于化工和石化工业中的反应器，其工作原理如下：
1. 固定床通常由一系列填料或催化剂床层组成，填料或催化剂可以是喷涂球、金属屏、石英珠等。
这些床层提供了增大反应物接触面积的表面积。
2. 反应物通过固定床自上而下或自下而上地流经填料或催化剂床层。
反应物可以是气体、液体或多相流体。
3. 在流经填料或催化剂床层的过程中，反应物与填料或催化剂表面发生物理或化学作用。
这些作用可能包括物质吸附、表面扩散、化学反应等。
4. 反应物在填料或催化剂床层中发生反应，并通过固定床底部或顶部的出口离开反应器。
5. 反应物离开固定床后，可以经过额外的处理步骤，如分离、冷却或加热。
固定床的工作原理基于填料或催化剂床层提供的大表面积，以及反应物在床层中与表面发生的相互作用。
这种反应器的主要优点包括高效传质和反应、稳定的操作条件、适用于连续生产等。
然而，固定床在一些情况下可能面临堵塞、催化剂失活和床层压降增加等问题，需要定期维护和监控。
固定床的特点及应用
蚀，无相变，温度范围200~ 350℃
3.熔盐：温度范围300℃～400℃，由无机熔盐KNO3、NaNO3、NaNO2按
一定比例组成，在一定温度时呈熔融液体，挥发性很小。但高温下渗
透性强，有较强的氧化性。
4.烟道气：适用于600～700℃的高温反应。
32
汽化 效率高 选择性提高
压力高
温度易控 投 资 大 设 备
其中以利用气态物质为反应物料，通过由固体催化剂所构 成的床层进行反应的气固相催化反应器在化工生产中应用最为 广泛。
固定床反应器 - 基本原理
• 又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用
以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒
径2～15mm左右,堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止 不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器及移动床反
特点：传热面积大，传热效果 好，易控制催化剂床层温度， 反应速率快，选择性高。 缺点：结构较复杂，设备费用高。 应用：能适用于热效应大的反应。
列管式固定床反应器
二〉换热式固定床反应器
✪列管式固定床反应器
热效应较大，不宜采用绝热式反应器，可采用换热式固定床反
应器。此设备如同列管式换热器，又称为列管式固定床反应器。
应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用
于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、 烃类蒸汽转化炉等。用于气固相或液固相非催化反应时，床层
则填装固体反应物。涓流床反应器也可归属于固定床反应器，
气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。
• 涓流床反应器，是固流床三相反应器之一。指在反应器中，气液成逆 流或气液向下并流，液体以薄膜形式与气体接触的三相床反应器。液 体流为非连续相由上而下流动。用于石油产品的加氢脱硫、脱氮、脱 钒、脱金属和加氢裂化，丙烯水合和废水处理等过程。滴流床的优点 是接触时间分布较窄，且可在进入反应区前脱除毒物。床内流动接近 平推流可获得高转化率；荷液量低，可减少加氢脱硫时油品热裂解， 缺点是低液流速率，液体与催化剂的比例较低，可能形成局部的温度 与浓度梯度，甚至不完全润湿，影响反应效果；径向传热差，易于局 部过热而导致失活；在催化剂颗粒较大、反应速率较快时，内扩散影 响会导致有效系数低落；长期操作中，积炭、污垢等会使催化剂孔口 堵塞，影响寿命。
化工基础实验固定床和流化床实验
流化床阶段，每一个空塔速度对应一个相应的床层空隙 率，流体的流速增加，空隙率也增大，但流体的实际流 速总是保持颗粒的沉降速度μt不变，且原则上流化床有 一个明显的上界面。
C、颗粒输送阶段 当立体在床层中的实际流速超过颗粒的沉降速度μt时，
流化床的上界面消失，颗粒将虚浮在流体中并被带出器 外，如图（e）所示。
流化床压力与气速的关系
log
固定床
流化床
带出开始
C
B
A
D
A 起始流化速度
带出速度
logu
图 3-28 流化床压力降与气速关系
三、实验装置图
图2 气固系统流程图 1.鼓风机 2.孔板流量计 3.孔板压差计 4. 压差计 5.床身 6.接收管 7.旋风分离器 8.按钮开关
图2 液固系统流程图 1. 旋液分离器 2. 接收器 3.床身 4. 压差计 5. 孔板压差计 6.水槽 7.水泵 8. 孔板流量计 9. 按钮开关
此时，实现了固体颗粒的气力或液力输送，相应的床 层称为相输送床层。
2、两种不同流化形式 A、散式流化 散式流化状态的特点：固体颗粒均匀的分散在流化介
质中，故称均匀流化。当流速增大时，床层逐渐膨胀 而没有气泡产生，颗粒彼此分开，颗粒间的平均距离 或床层中各处的空隙率均匀增大，床层高度上升，并 有一稳定的上界面。通常两相密度差小的系统趋向散 式流化，故大多数液—固流化属于“散式流化”。
二、实验原理
1.流态化现象 当一种流体自上而下流过床层时，随着
流速的增大会出现三种不同的情况：
A、 固定床阶段 当流体通过床层的空塔速度较低时，若床
层空隙中流体的实际流速u小于颗粒的沉降速 度ut，则颗粒静止不动，颗粒层为固定床。
固定床反应器设计[字编辑]
![固定床反应器设计[字编辑]](https://img.taocdn.com/s3/m/a30e709c7e192279168884868762caaedd33ba0a.png)
fM（?EdrfuSgu02 n?1??）3??L
fM
? 修正摩擦系数
fM
? 150 Re M
? 1 .75
Re M
?
修正雷诺数
Re M
?
dS ? fu0 ?f
???1
1 ?
?
??? ?
dSG
?f
???1
1 ?
?
?? ?
具体的计算公式
： 当 Re M ＜10 时 流体处于滞流状态，
? P ? 150 ? fu0 ??1 ? ??2 L
处理方法
? 对于这样复杂的传热过程，根据不同情况和要求，作不同程度的简 化处理。
? 如多数情况下，可以把催化剂颗粒看成是恒温体，而不考虑颗粒内 的传热阻力。除了快速强放热反应外，也可以忽略催化剂表面和流 体之间的温度差。
? 床层内的传热阻力是不能忽视的。为了确定反应器的换热面积和了 解床层内的温度分布，必须进行床层内部和床层与器壁之间的传热 计算。针对不同的要求也有不同的计算方法。如为了计算反应器的 换热面积，可以不计算床层内径向传热，而采用包括床层传热阻力 的床层对壁给热系数计算；
? 在固定床反应器中，由于催化剂粒径不能太小，故常常 采用多孔催化剂以提供反应所需要的表面积。
? 结果：反应主要在内表面进行，内扩散过程则直接影响 着反应过程的宏观速率。
外扩散过程
? 流体与催化剂外表面间的传质。
? ? N A ? k cA Se? cGA ? cSA
? 在工业生产过程中，固定床反应器一般都在较高流速下 操作。因此，主流体与催化剂外表面之间的压差很小， 一般可以忽略不计，因此外扩散的影响也可以忽略。
dV
?
?6V P
第六章 固定床剖析
φys s
As Ap
≤1
3
缺点： ④传热性能较差。 ⑤催化剂再生更换不方便。
固定床内固体－可以是催化剂，也可以是固体反应物。 适用于气固催化反应，固相加工反应
5
• . (1) 绝热式固定床反应器 － 结构简单，造价低廉， 但适用热效应不大或催化剂对温度要求不高的反应。
(2) 换热式固定床反应器
• 列管式固定床反应器－管内装填催化剂，反应物料自 上而下通过床层；管间为载热体，以维持所需的温度
11
主要内部构件: 气体入口分布器, 段间多孔排管式分布器
一部分物料由反应器顶部气体入口分布器进入; 另一部分物料由反应器催化剂两段之间加入。 物料沿径向做到浓度均匀、温度均匀、速度均匀 ，获 得均匀的流量分配 。
12
2．换热式－对外换热式, 自动换热式
• 对外换热式－以各种载热体为换热介质。 • 注: 载热体温度与反应温度之差不宜过大，以免
8
（a)间接换热式；（b）原料气冷激式；（c）非原料气冷激式
9
多段固定床绝热反应器
Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅲ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅳ
Ⅳ
产品
(a)
(b)
(c)
（a)间接换热式；（b）原料气冷激式；（c）非原料气冷激式 10
绝热床反应器
典型例子是乙苯脱氢制苯乙烯。 水蒸汽作用：可安全地加热到高温。热容量大， 可带入大量显热，还起稀释作用、清除积炭。
产中发生异常事故时能够分析问题和解决问题。
3
6.1 概述 定义：反应物料呈气态通过由静止的催化剂
颗粒构成的床层进到反应装置，称为气固 相固定床催化反应器，简称固定床反应器。
化工反应过程之固定床反应器
热传导、 热对流、 热辐射。
热传导、 热对流
傅立叶定律：
dQ dl T
z
牛顿冷却定律：
dQ dA T
z
一般情况下，可以把催化剂颗粒看成是等温体，忽略颗粒内
部、颗粒在流体间和床层径向传热阻力，床层的传热阻力全
部集中在管壁处。这样传热过程的计算就可简化成床层与器
壁之间的传热计算
固定床中的传质传热
固 传热速度方程为 dQ t Tm Tw dF
为了消除壁效应，一般，管径与粒径之比应 大于8。
催化剂床层特性
固定床的当量直径de为水力半径RH的四倍
固 定 床
流道有效截面积 4
de
4RH
4 流道润湿周边长
Se
当 量 直
Se
（1 ）AP
VP
（6 1 ）
dS
径
de
4RH
4
Se
2 3 1
dS
流体在固定床中的流动特性
在固定床中，流体在颗粒间的空隙中流动，流动通 道是弯曲、变径、相互交错的，流体撞击颗粒后分 流、混合、改变流向，增加了流体的扰动程度。
绝热式固定床反应器
中间换热式
多 段
进料
绝
热
式
固
催化剂
定
床
反
应
器
催化剂
中间换热式是指冷、 热流体是通过段间的 换热器管壁进行热量 的交换。其作用是将 换 上一段的反应气体冷 热 却至适宜温度后再进 器 入下一段反应，反应 气体冷却所放出的热 量可用于对未反应的 原料气体预热或通入 外来换热介质移走。 而换热设备可以放在 反应器外
截面积的流速。
u0
V0 AR
固定床的经验法计算
固定床移动床流化床
固定床：当气体以较小的速度流过固定床时，流动气体的上升阻力不致使颗粒的运动状态发生变化，床高维持不变；床层压降随流速对数增大而增大。
流化床：固体颗粒可以像水等液体一样在设备内有明显的界面，即使设备倾斜，界面仍会保持水平；床层压降不随流速变化（基本不变）。
输送床：固体颗粒在设备内无明显界面；床层压力随流速增大而减小。
流化床和沸腾床可能只是叫法上不同。
流化床，也就是沸腾床，接触面大，传热传质效率高，时空产率高，但返混严重。
需要注意的是不能堵塞气体分布器，堵了很麻烦的。
固定床和移动床比较适合气－气、气－液和液－液反应，床层本身作为[wiki]催化剂[/wiki]，优点是返混小，固相带出少，分离简单。
流化床的床型是设计中很重要的，与反应体系的匹配要求比较高。
此外，操作中的气速、带出量、与配套的旋风等分离设备设计比较严格。
流化床的传热和破汽泡、沟流措施也是研究比较多的。
固定床反应器是一种被广泛采用的多相催化反应器,反应器内填充有固定不动的固体颗粒,可以是固体催化剂也可以是固体反应物.例如管式固定床反应器,管内装催化剂,管内装催化剂,反应物料自上而下通过床层,管间为载热体与管内反应物进行换热,以维持所需的温度条件.此外,固定床反应器也可用于气固及液固非催化反应.沸腾床是流化床的一种,固体在流化床反应器内流动,流体和固体颗粒所构成的床层犹如沸腾的液体. 沸腾床反应器下部设有分布板,板上放固体颗粒,流体自分布板下送入,当流体速度达到一定数值后,固体颗粒开始松动,再增大流速就进入流化状态.反应器内一般设有挡板,换热器,及流体与固体分离装置等内部部件.移动床与固定床相似,不同的是固体颗粒自顶部连续加入,由底部卸出.沸腾床因为固体处于运动状态,反应或传热效果好,但动力消耗大,而且在煤调湿中粉尘携带量大.固定床：固定床反应器又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。
固体物通常呈颗粒状，粒径2～15mm左右,堆积成一定高度（或厚度）的床层。
固定床反应器和流化床反应器
固定床反应器1.概述凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器，其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占最主要的地位。
如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。
此外还有不少非催化的气—固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2) 以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。
2.固定床反应器优点1)固定床中催化剂不易磨损；2)床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。
3)由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大生产中尤为重要。
3.固定床反应器缺点1)固定床中的传热较差；2)催化剂的更换必须停产进行。
4.类型固定床反应器形式多种多样，按床层与外界的传热方式分类，可有以下几类：●绝热式固定床反应器●多段绝热式固定床反应器●列管式固定床反应器，●自热式反应器。
（1）绝热式固定床反应器下图是绝热式固定床反应器的示意图。
它的结构简单，催化剂均匀堆置于床内，床内没有换热装置，预热到一定温度的反应物料流过床层进行反应就可以了。
典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。
反应需供热140kJ／mol，是靠加入高温(710℃)水蒸汽来供应的(乙苯:水蒸汽=1: 2.6(质量))，混合后在630℃入床，离床时降到565℃。
在此，水蒸汽的作用是：a) 可以带入大量的显热；b) 起稀释作用，使反应的平衡向有利于生成苯乙烯的方向移动，提高单程转化率；c) 使催化剂可能产生的结炭随时得到清除，从而保持反应器长期连续运转。
（2）多段绝热式固定床反应器热效应大，常把催化剂床层分成几段(层)，段间采用间接冷却或原料气（或惰性组分）冷激，以控制反应温度在一定的范围内 。
化工反应过程之固定床反应器
化工反应过程之固定床反应器固定床反应器是一种常见的化工反应器，广泛应用于工业生产中的催化反应、气体吸附分离、气体净化等领域。
它的特点是反应物固定在反应器内的催化剂床层上，反应过程中通过流体将反应物质质量传递到催化剂表面进行反应，反应生成物质通过床层离开反应器。
固定床反应器的结构主要由反应器本体、进料管、排料管和反应器床层组成。
反应器本体通常由金属材料制成（如不锈钢），具有良好的发热、承压和耐腐蚀性能。
进料管在反应器底部引入反应物质，排料管则在反应器顶部将反应生成物排出。
床层是固定床反应器的核心部分，通常由催化剂颗粒物质装填而成，具有大的比表面积和较高的孔隙度，以提供足够的反应表面积和反应空间。
固定床反应器在化工生产中具有重要的应用。
首先，它广泛用于催化反应。
在固定床反应器中，催化剂床层有效地提供了反应的活性表面，使得反应速率得以提高。
例如，加氢反应、氧化反应、脱氢反应等都可以使用固定床反应器进行。
其次，固定床反应器也被用于气体吸附分离和气体净化。
吸附剂床层能够吸附特定成分，实现气体组分的分离和纯化。
此外，固定床反应器还适用于颗粒物质的固液分离、固气分离等过程。
固定床反应器的工作原理主要包括质量传递和物质平衡两个方面。
在反应物进入床层前，需要先经过预热区，以使其达到适宜的反应温度。
之后，在床层内发生质量传递过程，即反应物质通过流体传递到催化剂表面，发生化学反应。
在反应过程中，需要保持适宜的温度和压力条件，以提供反应的最佳反应速率和选择性。
反应生成物质则随着流体一起流出固定床反应器。
固定床反应器的优势在于：一、反应物质与催化剂的接触充分，反应效率高；二、催化剂寿命长，催化剂载体不易破碎；三、床层的填料物质易于更换和维护；四、反应器体积相对较小，能够实现高度效能的连续化生产。
然而，固定床反应器也有一些缺点需要克服。
首先，反应床层在长时间运行后会出现积碳、堵塞等现象，需进行定期清洗和更换床层。
其次，固定床反应器对反应物料的物理性质要求较高，如化学性质、颗粒度等。
固定床反应器内的流体流动
固定床反应器内的流体流动
催化剂的物理性状
比表面积 指每克催化剂的表面积，记为，单位为m2/g。 空隙率 指催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比，用ε表示。 表观密度 又称假密度或颗粒密度，即包括催化剂颗粒中的孔隙容积时，该颗 粒的密度，记为，单位为g/cm3。 堆积密度 又称填充密度，是对催化反应床层而言。即当催化剂自由地填入反 应器中时，包括床层中的自由空间，每单位体积反应器中催化剂的质量。记 为，单位可用g/cm3、g/l或kg/m3表示。
AP VP
=
π d S2 π 3
6 dS
6VP dS = AP
形状系数：用体积相同的球形颗粒的外表面积比上非球形颗粒的外表面积。
AS ϕS ≡ ≤1 AP
三种直径的关系：
ϕ S dV= ϕ S 1.5 d a dS=
平均直径
算术平均直径：
d = ∑ xWi d i
i =1
n
n
调和平均直径：
1 = d
流体通过固定床的压力降
压降产生原因： 摩擦阻力ΔP1：由于流体颗粒表面之间的摩擦产生。 局部阻力ΔP2：流体在孔道内的收缩、扩大及再分布所引起的。
压降的计算 ∆P=∆P1+ ∆P2
2 µ f uOG L0 (1 − ε ) 2 ρ f uOG L0 (1 − ε ) = 150 ⋅ + 1.75 ⋅ 2 3 dS dS ε ε3
Pa
式中混合物的粘度 µ
f
∑ y i µ fi M = 1 ∑ y i M i2
1 2 i
固定床流体力学
床层空隙率对压力降的影响十分显著，当 (1 ) 3 ReM>1000时，压力降正比于 ， 由0.4增至0.5时， 压力降可降至原来的1/2.3。床层空隙率的大小与颗粒的 形状、粒度分布、填充方法、颗粒直径与容器直径之比 值等因素有关。混合颗粒的粒度越不均匀，小颗粒填充 在大颗粒之间，所组成的床层空隙率越小。催化剂在使 用过程中逐渐破碎、粉化，当质量流率不变时，由于空 隙率减小，床层压力降相应地逐步增大。催化剂使用后 期床层压力降较前期压力降增加的程度随催化剂的机械 强度而定。即使不计入破损，操作一段时期后，由于床 层中颗粒填实，使床层下沉，空隙率降低而增高压力降。
d 2
上式应用于固定床时，u0e应为流体在床层空隙中的 真正平均流速ue，圆管的直径应以固定床的当量直径de 代替，而管长则应以流体在固定床中的流动途径来代替。 将 ue u0 和 de ( 2 / 3 )[ε[ε1 ε)]ds， 代入式(5-12)，又考虑 到流体在固定床中的流动途径远大于固定床的高度 L， 并等于L的若干倍，则固定床的压力降可表示为 2 (5-13) ρ f u0 1 ε
三. 径向流动反应器中流体的分布
径向流动反应器的优点： 流体流通截面积大、流速 小、流道短，床层压力降 小。 径向流动反应器的结构如 图5-9。
四. 固定床流体的径向及轴向混合
1. 固定床径向及轴向混合有效弥散系数 （effective dispersion coefficient）
当流体流经固定床时，不断发生分散与汇合， 形成了一定程度的径向及轴向混合，尤其当固定床 中进行化学反应而又与外界换热时，床层中不同径 向位置处流速、温度及反应速率都不相同，也就必 然存在着径向浓度分布，更加加剧床层中径向及轴 向的混合过程，而其中径向混合比轴向更加显著。
固定床、移动床、流化床反应器区别
固定床、移动床、流化床反应器区别固定床、移动床、流化床反应器，这三种反应器都是有固体颗粒床层的反应器一、首先，“床”指的是什么？大量固体颗粒堆积在一起，便形成了具有一定高度的颗粒床层，这就是名称里的"床"。
这些固体颗粒可以是反应物，也可以是催化剂。
如何区分固定床、移动床、流化床反应器如果这个颗粒床层是固定不动的，就叫固定床。
如果这个颗粒床层是整体移动的，固体颗粒自顶部连续加入，又从底部卸出，颗粒相互之间没有相对运动，而是以一个整体的状态移动，叫做移动床。
当流体（气体或液体）通过颗粒床层时，进行反应。
如果将流体通过床层的速度提高到一定数值，固体颗粒已经不能维持不变的状态，全部悬浮于流体之中，固体颗粒之间进行的是无规则运动，整个固体颗粒的床层，可以像流体一样流动，这即是流动床。
二、固定床反应器的详细介绍又称填充床反应器，内部装填有固体催化剂或固体反应物，以实现多相反应。
固体物通常呈颗粒状，堆积成一定高度（或厚度）的床层，床层静止不动，流体通过床层进行反应。
固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。
用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。
涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。
优点：（1）催化剂机械磨损小。
（2）床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。
（3）由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率。
（4）可在高温高压下操作。
缺点：（1）固定床中的传热较差。
（2）催化剂的再生、更换均不方便，催化剂的更换必须停产进行。
（3）不能使用细粒催化剂，但固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。
目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。
固定床反应器的分类（一）按传热方式分类1、绝热式反应器绝热式固定床催化反应器在反应过程中，床层不与外界进行热量交换。
固定床与流化床特点
固定床反应器与流化床反应器特点基本形式固定床反应器流化床反应器轴向绝热式、径向绝热式、列壳体、气体分布装置、换热管式装置、气—固分离装置、内构件以及催化剂加入和卸出装置等组成主要用于气固相催化反应。
石应用广泛，催化或非催化油炼制工业中的裂化、重整、的气-固、液-固和气-液-固异构化、加氢精制等；无机化反应。
在化工、炼油、冶金、学工业中的合成氨、硫酸、天能源、材料、机械、生化等然气转化等领域都可以见到1、反应速率快，催化剂用量1.采用细分颗粒，并在悬小，反应器体积小；浮状态下与流体接触，2、气体停留时间可以严格流固相界面积大，有利控制，温度分布可以调节，于非均相反应的进行，有利于提高化学反应的转提高了催化剂的利用化率；率；3、催化剂不易磨损，可以较2.由于颗粒在床内混合激长时间连续使用；烈，使颗粒在全床内的4、适宜于高温高压条件下温度和浓度均匀一致，操作床层与内浸换热表面间的传热系数高，全床热容量大，热稳定性高。
3.流化床内的颗粒群有类似流体的性质，可以大量地从装置中移出、引入，并可以在两个流化床之间大量循环；4.流体与颗粒之间传热、传质速率高；5.流态化技术的操作弹性范围宽，单位设备生产能力大，设备结构简单、造价低，符合现代化大生产的需要。
1、催化剂载体往往导热性1、气体流动状态与活塞流不良，床层中传热性能较偏离较大，气流与床层差，操作不当，床内热点颗粒发生返混，以致在温度会超过工艺允许的最床层轴向没有温度差及高温度，甚至失去控制而浓度差，使气固接触不出现“飞温”；良，使反应的转化率降2、不能使用细粒催化剂，否低；则流体阻力增大，破坏了2、催化剂颗粒间相互剧烈应用优点缺点正常操作；碰撞，造成催化剂的损3、催化剂的再生、更换均不失和除尘的困难；方便3、由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的磨损严重。
生物反应器的分类
生物反应器的分类
1 生物反应器的分类
生物反应器是生物反应技术中最重要的一个模块，它决定了生物反应技术有效性及商业实用性。
因此，介绍生物反应器分类，也就变得很有必要。
根据反应过程的特点，可将生物反应器又分为液体反应器，固体反应器，气体反应器和流体化床反应器几类。
1.1 液体反应器
液体反应器一般用于发酵和重分子化合物的生物集成反应，它大多为容器反应装置，具有反应物易更换和操作便捷等特点。
常见的液体反应器有气反应器、斜角反应器、搅拌反应器、旋流反应器、搅拌-旋流反应器、双环反应器等。
1.2 固体反应器
固体反应器由无介质物种和辅助物质构成，主要用于重分子物质的高精密反应。
通常的固体反应器有填料反应器、层流反应器、多旋流反应器、膜分离反应器等。
1.3 气体反应器
气体反应器被广泛用作生物分离和抽提手段，在食品和制药行业中也有重要应用。
它们多用于固定滴定和气-溶液平衡反应，其中常见的反应器有气固反应器、沉淀柱反应器和吸附反应器等。
1.4流体化床反应器
流体化床反应器是相对比较新的一种反应器。
它将传统的固定床
反应器和液体传统反应器进行有机结合，具有质量传质量大，反应速
率高，操作条件容易控制等优势。
常见的该类反应器有悬浮子反应器、包润体反应器、气动反应器和乳化液体反应器等。
综上所述，生物反应器可以分为液体反应器，固体反应器，气体
反应器和流体化床反应器几类，它们在生物反应技术中发挥着至关重
要的作用。
fluent固定床的一种模拟方法
fluent固定床的一种模拟方法Fluent是一种流体力学仿真软件，可用于模拟各种工程问题，
包括气体和液体在固定床中的流动。
在固定床模拟中，Fluent可以提供准确的流体流动和质量传递解决方案。
固定床模拟是指在固定位置上的颗粒床中流体的运动。
它在许
多工程领域中都有广泛的应用，例如化工工艺、废水处理、碳捕
集和催化剂反应工程等。
通过模拟流体在固定床中的流动，可以
优化床层设计，改善传质效率，并提高工艺的可持续性和经济性。
实现固定床模拟的方法之一是使用Fluent软件。
Fluent提供了
一系列的物理模型和数值算法，可以准确地描述颗粒床中的流动
行为。
该软件允许用户定义床层的几何形状、颗粒属性和边界条件，并将其输入模拟中。
随后，Fluent会根据所选的模拟方案，对床层中的流体运动进行计算，并提供关于压降、速度分布和质量
传递等参数的详细结果。
为了准确模拟固定床流动，用户需要正确选择和定义模拟参数。
这些参数包括颗粒属性（如密度、粒径和形状）、流体特性（如
粘度和密度）、床层几何形状和边界条件。
用户还可以选择适当
的物理模型和数值方法，以便更准确地模拟床层中的流动。
根据
不同的应用需求，用户可以通过调整这些参数来优化模拟结果。
Fluent是一种用于模拟固定床流动的强大工具。
通过正确选择
和定义模拟参数，使用者可以准确地模拟床层中的流体运动，并
获得有关压降、速度分布和质量传递等参数的详细结果。
这种模
拟方法对于优化床层设计、改善传质效率和改进工艺可持续性非
常有益。
流化床的基本原理
保持固定床状态的最大空床气速 umax 床层பைடு நூலகம்态由固定床向流化床转换的临界条件：
u1
u1,max umax fixedbed
u1,maxut
up 0
ut
umaxu1,ma xut
umax为维持固定床状态的最大表观 气速。
起始流化速度：umf=umax
如果是均一的颗粒，其ut 可以计算出
um f ut fi xebd e d
2、Reh气固两相操作图
回忆与总结
1. 固定床
流速较低时，颗粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙中通过 料层高度不变 实际流速线形增长 通风阻力随风速的平方关系增大
2. 流化床
颗粒不再由布风板所支持，而全部由流体的摩擦力所承托。此时， 对于单个颗粒来讲，可在床层中自由运动；就整个床层而言，具有 了许多类似流体的性质—流态化。此时：
umax为维持固定床状态的最大表观 气速。 当流体速度到达最小流化速度后，床层处于流化床阶段，在此阶段，床层阻力根本上保持恒定。 5、上升到床层外表破碎时，将大量颗粒抛入床层上方，使流化床颗粒损失。
m<1，固定床/移动床 2 最小流态化速度
随着流体流量的增加 和 空隙率的减小，又出现 1、 床层物料具有很高的颗粒表面积
空隙率即等于横截面上空隙面积的分率。
qv1uu1
u
qV D2
4
u u1
u1
ut
流体
〔1〕固定床阶段
up u1ut
颗粒的直径一定，在流体介质中的沉降速度ut 一定。
如果流体介质静止或者上升流速u1 ， u1<ut
up0,即颗粒绝对 下速 ，度 沉方 落向 而 。 向 堆
随着上升流体流量的增大，u1增大，当到达u1=ut时，颗粒的表 观速度up=0 。 当u1 稍微大于ut时，颗粒便会上升，发生由固定 床向流化床的转化。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
u
5 40
此时，床层压降既符合固定床计算式，又符合流化床计算式。
2020/8/16
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
13
2020/8/16
p
p
Xi----各种粒度的质量分数。
umf
2
3 mf
150 1 - mf
d
2 ev
p
g
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
14
umf
de2(p )g 1650
压力流体
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
16
5.4.5 流化质量
流化质量 是指流化床内流体分布及流---固两相接触的均匀程度。 提高流化质量的措施： 1、增加分步板的阻力(达到流体分布均匀)， 2、采用内部构件(设置水平挡板和垂直构件,限制大尺度的空穴)， 3、采用宽粒径分步的颗粒(小颗粒带出,经过旋风分离器收集后， 再通入流化床中）。 4、采用细颗粒、较高气速的操作条件。
3、设备紧凑，易于实现连续化、自动化操作，便于同连续的化 工过程相衔接。
4、在气力输送过程中，可同时进行粉料的干燥、粉碎、冷却或 加热等操作。
2020/8/16
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
18
5.5 气力输送 （简介）
气力输送的主要缺点：
消耗的动力较大，颗粒尺寸受一定限制，在输送过程中颗粒易 于破碎，管壁受磨损。对于含水量大、有黏附性或高速运动时 易产生静电的物料，不宜用气力输送。
10
5.4.3 流化床的主要特性----恒定的总压降
流化床的横截面积A ,床层高度L ，床
内所有颗粒的质量m ，颗粒的密度ρp
P2
流体的密度ρ，截面1的压强P1 ，截面
2的压强P2 。
方向向上的力之和=方向向下的力之和
L
P1 A
m
p
g
P2 A
mg
P1
总床层 高度上 的压降
P1
P2
mg A
m
p
g
（1）流化床的压降
Pf
mg A
m
p
g
1 Vs ( p )g
A
A
Vbed 1 ( p )g
A
A
L1 ( p
A
)g
L1 ( p
)g
5 39
根据第4章中的欧根方程，对于小颗粒(Rep＜20）又可以利用固
定床压降的计算式（5-40） （2）固定床的压降
pf
150
1
3
2
L
2dev2
随着上升流体流量的增大，u1增大，当达到u1=ut时，颗粒的表观 速度up=0 。 当u1 稍微大于ut时，颗粒便会上升，发生由固定床 向流化床的转化。
2020/8/16
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
4
保持固定床状态的最大空床气速 umax 床层形态由固定床向流化床转换的临界条件：
u1
u u 1,max
2020/8/16
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
19
送或液力输送。
流化床的操作范围： umf~ut
流体
很显然，如果将流体的流量（流速）逐渐减小，则将由流化床 转化为固定床。
2020/8/16
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
9
5.4.2 实际的流化现象
散式流化 聚式流化（鼓泡流化） 两类
散式流化 ： 一般发生于液—固系统
床内固体颗粒充分混合，流化床的上界面清晰，接近于理想流 化床。 聚式流化 ：一般发生于气—固系统
1 A
流体
如果忽略 浮力
P1
P2
mg A
特别注意：总床层高度上的压降近似等于单位 截面床内固体颗粒的重量，与流体速度无关， 是定值。但是，单位床层高度上的压降随着流
2020/8/16
第5章 颗体粒的速沉度降和增固加体而流态减化小。
11
注意：在流化床的范围内，随着气体速度的增加，床层高度L逐 渐增加，尽管总床的压降基本不变。但是，单位床层高度上的 压降是变化（减小）的。
5 42
P161
p
2020/8/16
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
15
起始流化速度umf (5-42)式，最小带出速度ut ， 此速度范围称 为流化速度范围。流化床的实际操作速度与起始流化速度umf 之比称为流化数。 P162 例5－6 流化床的操作范围
umf ~ ut
2020/8/16
流体
存在的物理基础。
2020/8/16
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
8
（3）颗粒输送阶段
如果流体（气体）流量继续增加，始
终出现u1＞ut的关系，始终up＞0 ， 则颗粒被带出床外，此时，称为颗粒
输送阶段。此时的流体表观速度u称
为带出速度。在带出状态下床截面上
的空隙率即认为是1.0 ，此时u=u1 。 显然，带出速度u数值上等于ut 。据 此原理，可以实现固体颗粒的气力输
5
（2）流化床
u1
起始流化速度：umf=umax 此时 u1=ut
如为均匀颗粒，其ut 已知 umf ut fixedbed
ut
当流体的空床流速u>umf时，则出现u1>ut ,即up＞0 ，则颗粒向 上运动。同时引起床层空隙率的改变（增加）。床内的颗粒将
“浮起” ，颗粒层将“膨胀”，床内空隙率ε增大。
为什么颗粒能够悬浮于流体中呢？这要从颗粒的沉降速度、 流体的运动速度分析起。
重力场中，颗粒处于流体介质中，颗粒与介质之间的相对速
度ut （设是层流状态，并规定重力的方向为正。）
ut
dp2
p 18
g
与流体介质运动与否没有关系。
如果流体介质静止，则颗粒垂直向下的运动速度就是 ut 。
2020/8/16
当表观气速超过起始流化速度umf而开始流化后，床内出现一些 空穴，气体将优先取道穿过各个空穴至床层顶部逸出。由于 “气泡”在界面处破裂，床层上界面频繁地起伏波动，界面以 上的空间也会存在一定量的固体颗粒。流化床界面以上的区域 称为稀相区，流化床界面以下的区域称为浓相区。
2020/8/16
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
空隙率即等于横截面上空隙面积的分率。
qv 1 u u1
u
qV
D2
4
2020/8/16
u
u1
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
u1
ut
流体
3
（1）固的沉降速度ut 一定。
如果流体介质静止或者上升流速u1 ， u1<ut
up 0,即颗粒绝对速度方向向下，沉落而堆积在一起。
例5－4床层固存量的近似估计 pf,L1 L1 mL1 在某一各处均匀状态的流化床中，pf,L L mL
pf,L
mLg A
2020/8/16
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
12
5.4.4流化床的操作范围
1、起始流化速度umf 设流化床的床层高度为L，床层空隙率为ε，则此时，床层
压降既符合固定床计算式，又符合流化床计算式。
max f ixe d be d
u1,max ut
up 0
ut
umax u1,max ut
umax为维持固定床状态的最大表观 气速。
起始流化速度：umf=umax
如果是均一的颗粒，其ut 可以计算出
umf ut fixedbed
u
2020/8/16
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
5.4 固体流态化技术
固体流态化：将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗 粒具有类似于流体的某些表观特性，这种流固接触状态称为固体 流态化。
压力流体
2020/8/16
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
1
5.4.1流化床的基本概念
观看录像
将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有 类似于流体的某些表观特性，这种流固接触的状态称为固体流 态化。这种床层称为流化床。 反应器、焙烧炉、干燥器等
化床 。 注意：u
因此，在流化床的范围内，每一个表观气速u对应一个空隙率，
表观气速越大，空隙率也越大。只要颗粒悬浮状态，表明流体
通过空隙时的实际速度u1不变，始终为颗粒的ut 。
2020/8/16
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
7
（2）流化床
需要特别指出的是，流化床原则上应有一个明 显的上界面。在此界面之下的颗粒，u1=ut 。
假设某个悬浮的颗粒由于某种原因离开了床层 而进入界面以上的空间，在该空间中（ε=1.0） 该颗粒的表观速度u即为其真实速度u1
u=u1＜ut 故颗粒必然回落到界面上。
由此可见，流化床存在的基础是大量颗粒的群
居。群居的大量颗粒可以通过床层的膨胀以调
整空隙率，从而能够在一个相当宽的表观速度
范围内悬浮于流体之中。这就是流化床之可能
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
2
如果颗粒邻近的流体介质以方向向上的流速 u1 运动起来， 则颗粒的绝对速度（表观速度）（以固定点为参照点）up (规 定向上的方向为正）为
up u1 ut
颗粒空隙中流体的实际流速u1 。颗粒的绝对 运动速度 up ，床层表观流速u ，即空床流速。 其关系：
考察单位床层截面上流体的体积流量：
u
u1
2020/8/16
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
u
6
（2）流化床
u
u1
又可能出现u1 ut
up u1 ut 0
出现暂时的颗粒回落现象，又出现床层空隙率减小。
随着流体流量的增加 和 空隙率的减小，又出现 u1 ut
u
u1
颗粒再次上升，床层又膨胀，空隙率再次增 大。当床层膨胀到一定程度，空隙率稳定在 某一数值上，空隙中流体的流速u1 稳定于颗 粒的ut 时，颗粒悬浮于流体中，便形成了流