7.1流化床反应器
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化剂的效能。 缺点：
1. CSTR：转化率甚至小于CSTR（气泡短路） 2. 颗粒磨损：催化剂要贱，设备要被磨 3. 气流出口分离粉尘，回收系统麻烦 4. 副反应：∵RTD太宽
流化床的型式
1. 自由床 2. 构件床：
横板：苯氧化制苯酐 垂直：塔型,指状冷却官
蒸 汽 洗 脱
烧 焦 罐
石灰石
尾气
予热区
液面静压连通器粘度711流态化的各种状态固定床fixedbed鼓泡流化床bubblefludized湍流床turbulentfluidized气流输送pneumaticconveying床层膨胀散式流化床mf附近聚式气固居多鼓泡床或沸腾床泡分散相相变cluster分散相夹带压力波动达极大值压力波动趋于流化床的分类
到临界流化速率时，整个颗粒床层开始流化； • 流化床层的压降为一个常数； • 流化床层具有稳定的床层界面； • 流态化床层的空隙率均匀，不因床层的位置而
变化
流态化现象的利用
废气
1.固体粒子输送：比自来水、煤气管困难
1940年石油催化裂化制汽油；
反
再
沸腾床焙烧FeS矿；
应
生
沸腾床烧煤粉（出灰方便）
3 2
B 粗 定流化 小幅度、高频率的△P波动较
1 0.5 0.2
A细 C 易粘
好不正常流化： •节涌：小直径床，大颗粒
20 50 100 200 500 1000 2000
粒径dp(m)
• 沟流：细颗粒
• 稀相输送
图7-1-3 颗粒分类图(Geldart)
（1）临界(起始)流化速度(umf):
Lf
UmfUt 属流化区,
Lmf
此区内固体有流体
的表现可为化工操
作利用。
对小颗粒 Re p 0.4, U t / U mf 可达90； 土豆流化
对大颗粒 Re p 1000, U t / U mf 可达10
pout Bed
更大颗粒，流化区很窄，很难操作。
喷床
空塔速U0=Umf 时，膨胀比R=1，床层高Lmf≈L0
3. 气泡云与尾涡
• 气泡云直径Rc：
当Ubr>Uf
时，
Rc Rb
3
Ubr 2U f Ubr U f
式中 U f
Umf / mf
气泡越大，则云越薄
• 穿流量：
q
Rb Rc
q (Rb )2 3Umf 3U f mf Rb2
4. 气泡中的粒子含量
全体气泡中粒子的体积
2. 细颗粒催化剂的利用
石油 催化 空气
剂输
消除内扩散；固定床因有△P限制不能用 送
3. 强放热反应
氧化反应：萘氧化剂制苯酐需熔盐冷却；
丙烯氨氧化法制丙烯腈
流化床反应器的优点：（ 流态化技术）
• 传热效能高，且床内温度易于维持均匀； • 大量固体粒子可方便地往来输送； • 由于粒子细，可消除内扩散阻力，充分发挥催
气泡区 上升
乳相区 上升
回流区 颗粒下降
泡云区 气流循环（反应区在泡云区）
指刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流速。
⊿P,mmH2O
500 固定床 流化床
300
B
200 0
C
100 A mf
⊿Pmax
夹带开始
W p
At
50
1 2 3 5 10 20 30 50 100
Umf
Ut 空床流速U0, m/s
图7-1-4 均匀砂粒的压降与气速的关系
•求Umf：测定床层压降变化的方法；用公式算。
Umf < U0<Ut 之间， R
Lf Lmf
1 mf 1 f
,
1/R 1 0.1
f ——膨胀后床层空隙率
R约为5~2之间 R与U0，dp，ρ p 有关
10-2
10-1
U0 Umf 0.7 Ut Umf
•[例7-1]某催化裂化装置的再生烟气的密度为:
0.73310-4g•cm-1 • s-1, 催化剂的颗粒密度 s为1.3 g•cm-3，其筛分数据如下： 粒径/m 0~20 20~40 40~80 80~110 110~150 质量分率/% 0.48 10.52 85 3.86 0.14 试计算催化剂的临界流化速度和终端速度。
p W At Lmf 1 mf p g
固体颗粒、流体的密度，kg/m3
• 处于流化状态时，作用于床层的各力达到平衡， 即
床层压降p 床A层t 截V面1积=床中s g的固V体1重-固 体g所受浮力
真密度 床层空隙率
p Lf 1 s g
CD
0.43
(500 Re p 2.0E5)
Ut
d
2 p
(
s
f
18
)g
Ut
4
225
(s
f )2 f
g2
1/ 3
dp
1/ 2
Ut
3.1(
s
f
f
)g
问题：为什么Ut Umf ,临界流化时颗粒也是浮起来 颗粒的重力＝摩擦力
980 0.058[cm s1 ]
校核Re：
Re d p umf
5.3 103
0.733103 3.7 104
0.058
6.09 104
20
（3）计算ut：
• 如果全床空隙率均匀，处于压力最低处的床顶
粒子将首先被带出，故取最小粒子dp=10m计 算。设Re<0.4
压力波动
压力波动
达极大值
趋于 0
散式
聚式
快床
0
Umf Ub 鼓泡床 Uc 湍床
Ut 夹带
相变 泡分散相
Cluster 分散相
颗粒含率
快 床 颗 粒 的 径 向 分 布
实际分布 模型分布
气流输送 高 度
快床
湍流床
鼓泡流化床
0.2 0.4 0.6 密度
图 7-1-2 各种状态 流化床沿床高密度变化
理想流化状态具有以下几个特征： • 有一个明显的确临界流化速率：当表观速率达
dt 4R2
泡因浮力上升速度 ~ R 当R由0→R* 时， R dR 气泡脱离分布板
dt
• 气泡结构：
乳相—E mulsion 气泡云—C loud 气泡—B ubble 尾涡—W ake 约占1/3气泡
气泡内原料通过B－C交换进入云相，再通 过C－E交换进入乳相进行催化反应。
Uf>Ub
穿流
固定床
鼓泡流化床
湍流床
Fixed bed Bubble Fludized Turbulent
Fluidized
快床
气流输送 Pneumatic conveying
图 7-1-1 流态化的各种状态
流化床的分类：
按相态来分：乳相，泡相
组成
散式——液固居多、或小颗粒气固Umf附近 聚式——气固居多、鼓泡床或沸腾床
7. 流化床反应器（Fluidized Bed ）
流化床反应器:利用气体或液体自下而上 通过固体颗粒床层而使固体颗粒处于悬浮运 动状态,并进行气固相反应或液固相反应的反 7.1流应化器床中的两相运动 流态化：固体粒子像流体一样
进行流动的现象。
• 固体具有液体性质： 液面、静压、连通器、粘度
床层膨胀 散式流化床
•计算Umf有几十种公式，但 mf ， s 不准，dp不 均一，与床壁有摩擦力，很难计算。
mf 0.7
P219
0.4
简易经验式
dp
Re
p
d
p
f
u
小粒子： Rep 20
Umf
d
2 p
(s
f
)
g
/
1650
大粒子： Rep 1000 Um2f d p(s f )g / 24.5 f
床层高度
在临界流化状态时，从图可见，固定床的压
降等于流化床的压降，即：
Ergun公式：
p固
p流
Rem
d p um (1 b
)
P固
150 Rem
1.75
L dp
1 b3
b
um 2
p流 Lf 1 s g
此时：
b mf , L Lf Lmf , u0 um umf
（2）带出速度ut
• 流体对粒子的曳力=粒子的重力，粒子就会被
气流带走，此时的气体空床速度即带出速度。
6
d
3 p
(
s
f
)
1 2
CD
s
g
4
d
2 p
U
2 t
4
d
2 p
CD
24 Re p
(Rep 0.4)
C D
10 Re1p/ 2
(0.4 Re p 500)
分解区
提
升 管
热回 燃料 收区
3. 多段床：煅烧石灰
空气
空气
4. 催化裂化：提升管
油气
5. 喷动床(Spout Bed)：粮食加工、干燥
7.1.2 流化床中的气-固运动
7.1.2.1颗粒的流态化性能
正常流化：
p g cm3
10
△P≈△Pmf且有脉动；
5 4
D不能稳 流化质量：流化均匀性、
解： （1）催化剂的平均粒径d p
dp
1 xi
1
100 53m 5.3103 cm
0.48 10.52 85 0.14
d pi 10 30 60 130
（2）按 Rep 20
Umf
d
2 p
(s
f
)
g
/
1650
计算
umf
5.3 103 2 1.3 0.733 103 1650 3.7 104
ut
10 104
2 1.3 0.733103 18 3.7 104
980 0.191[cm s1 ]
校核Re：
Re
d p ut
10
104
0.733103 3.7 104
0.191
3.8
104
0.4
故上式符合假定范围。
7.1.2.2 气泡及其行为
1. 气体： • 起始流化速度流经床层的空隙； • 多余----以气泡状态通过床层。
2. 密相床层的两种聚集状态： • 气（泡）相：固体颗粒极少； • 乳相：含绝大多数固体颗粒的连续相
7.1.2.2 气泡及其行为
1. 气泡的结构 • 气泡在分布板上形成： Row用X线观察，每秒约7个泡 气泡直径扩大： dR Q
气泡直径： 气泡聚并（Coalescene）分散相聚结 大气泡吞食小气泡（通过wake的引力）
db a l db0
床高度 与分布板孔径有关
• 最大稳定气泡直径：
如果床层直径足够大（无节涌），则
db,max
Ut
0.711 2 g
因为当U0=Ut 时，尾涡中颗粒上升，气
泡破裂。
气泡群的上升速度：
Ub U0 0.711(gdb )1/2 Umf
Ub由二部分推力组成：
0.711(gdb )1/2 Umf (浮力)
如果没有浮力，只要U0＞Umf气泡群仍要上 升(后浪推前浪)
床层气泡分率：
b
Lf
Lmf Lf
U0 Ub b Umf (1 b )
rb=
全部气泡的总体积
Rb之值约在0.001~0.01左右，通常忽略不计。
颗粒的运动： 所谓气泡运动，实际是颗粒运动的结果
全混：几米直径、几分钟就混合，气泡是床层 的振动源。
大循环：
小循环：
尾涡夹带颗 粒上升床面 上气泡破裂， 颗粒下降。
乳相内、颗粒 速度是万向的
• 气流的循环
乳相上流气量Umf ，U0>Umf 时多余气为气泡流 量Ub ，气泡基本上是平推流，但大、小泡上升速 度不一样，泡间有聚结和破裂（有返混）。当床面 上气泡破裂量大时（U0/Umf>6），大量尾涡颗粒向 下降落时所夹带的气流量＞ Umf 。
Uf
Uf~Ub
Uf
泡内外气体只靠扩散交换
Uf<Ub
Uf
产生气泡云，形成循环气流
Uf
2. 气泡的速度和大小
• 单气泡（注入一个气泡）浮力与阻力平衡时：
上升速度：Ubr 0.711( gdb )1/ 2 泡相对于乳相速度为：0.711(gdb )1/2 Umf • 鼓泡床内的气泡群速度：
乳相区为Umf 当U0 > Umf 时，多余气体的上升要求Ub>U0 （空塔气速）
1. CSTR：转化率甚至小于CSTR（气泡短路） 2. 颗粒磨损：催化剂要贱，设备要被磨 3. 气流出口分离粉尘，回收系统麻烦 4. 副反应：∵RTD太宽
流化床的型式
1. 自由床 2. 构件床：
横板：苯氧化制苯酐 垂直：塔型,指状冷却官
蒸 汽 洗 脱
烧 焦 罐
石灰石
尾气
予热区
液面静压连通器粘度711流态化的各种状态固定床fixedbed鼓泡流化床bubblefludized湍流床turbulentfluidized气流输送pneumaticconveying床层膨胀散式流化床mf附近聚式气固居多鼓泡床或沸腾床泡分散相相变cluster分散相夹带压力波动达极大值压力波动趋于流化床的分类
到临界流化速率时，整个颗粒床层开始流化； • 流化床层的压降为一个常数； • 流化床层具有稳定的床层界面； • 流态化床层的空隙率均匀，不因床层的位置而
变化
流态化现象的利用
废气
1.固体粒子输送：比自来水、煤气管困难
1940年石油催化裂化制汽油；
反
再
沸腾床焙烧FeS矿；
应
生
沸腾床烧煤粉（出灰方便）
3 2
B 粗 定流化 小幅度、高频率的△P波动较
1 0.5 0.2
A细 C 易粘
好不正常流化： •节涌：小直径床，大颗粒
20 50 100 200 500 1000 2000
粒径dp(m)
• 沟流：细颗粒
• 稀相输送
图7-1-3 颗粒分类图(Geldart)
（1）临界(起始)流化速度(umf):
Lf
UmfUt 属流化区,
Lmf
此区内固体有流体
的表现可为化工操
作利用。
对小颗粒 Re p 0.4, U t / U mf 可达90； 土豆流化
对大颗粒 Re p 1000, U t / U mf 可达10
pout Bed
更大颗粒，流化区很窄，很难操作。
喷床
空塔速U0=Umf 时，膨胀比R=1，床层高Lmf≈L0
3. 气泡云与尾涡
• 气泡云直径Rc：
当Ubr>Uf
时，
Rc Rb
3
Ubr 2U f Ubr U f
式中 U f
Umf / mf
气泡越大，则云越薄
• 穿流量：
q
Rb Rc
q (Rb )2 3Umf 3U f mf Rb2
4. 气泡中的粒子含量
全体气泡中粒子的体积
2. 细颗粒催化剂的利用
石油 催化 空气
剂输
消除内扩散；固定床因有△P限制不能用 送
3. 强放热反应
氧化反应：萘氧化剂制苯酐需熔盐冷却；
丙烯氨氧化法制丙烯腈
流化床反应器的优点：（ 流态化技术）
• 传热效能高，且床内温度易于维持均匀； • 大量固体粒子可方便地往来输送； • 由于粒子细，可消除内扩散阻力，充分发挥催
气泡区 上升
乳相区 上升
回流区 颗粒下降
泡云区 气流循环（反应区在泡云区）
指刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流速。
⊿P,mmH2O
500 固定床 流化床
300
B
200 0
C
100 A mf
⊿Pmax
夹带开始
W p
At
50
1 2 3 5 10 20 30 50 100
Umf
Ut 空床流速U0, m/s
图7-1-4 均匀砂粒的压降与气速的关系
•求Umf：测定床层压降变化的方法；用公式算。
Umf < U0<Ut 之间， R
Lf Lmf
1 mf 1 f
,
1/R 1 0.1
f ——膨胀后床层空隙率
R约为5~2之间 R与U0，dp，ρ p 有关
10-2
10-1
U0 Umf 0.7 Ut Umf
•[例7-1]某催化裂化装置的再生烟气的密度为:
0.73310-4g•cm-1 • s-1, 催化剂的颗粒密度 s为1.3 g•cm-3，其筛分数据如下： 粒径/m 0~20 20~40 40~80 80~110 110~150 质量分率/% 0.48 10.52 85 3.86 0.14 试计算催化剂的临界流化速度和终端速度。
p W At Lmf 1 mf p g
固体颗粒、流体的密度，kg/m3
• 处于流化状态时，作用于床层的各力达到平衡， 即
床层压降p 床A层t 截V面1积=床中s g的固V体1重-固 体g所受浮力
真密度 床层空隙率
p Lf 1 s g
CD
0.43
(500 Re p 2.0E5)
Ut
d
2 p
(
s
f
18
)g
Ut
4
225
(s
f )2 f
g2
1/ 3
dp
1/ 2
Ut
3.1(
s
f
f
)g
问题：为什么Ut Umf ,临界流化时颗粒也是浮起来 颗粒的重力＝摩擦力
980 0.058[cm s1 ]
校核Re：
Re d p umf
5.3 103
0.733103 3.7 104
0.058
6.09 104
20
（3）计算ut：
• 如果全床空隙率均匀，处于压力最低处的床顶
粒子将首先被带出，故取最小粒子dp=10m计 算。设Re<0.4
压力波动
压力波动
达极大值
趋于 0
散式
聚式
快床
0
Umf Ub 鼓泡床 Uc 湍床
Ut 夹带
相变 泡分散相
Cluster 分散相
颗粒含率
快 床 颗 粒 的 径 向 分 布
实际分布 模型分布
气流输送 高 度
快床
湍流床
鼓泡流化床
0.2 0.4 0.6 密度
图 7-1-2 各种状态 流化床沿床高密度变化
理想流化状态具有以下几个特征： • 有一个明显的确临界流化速率：当表观速率达
dt 4R2
泡因浮力上升速度 ~ R 当R由0→R* 时， R dR 气泡脱离分布板
dt
• 气泡结构：
乳相—E mulsion 气泡云—C loud 气泡—B ubble 尾涡—W ake 约占1/3气泡
气泡内原料通过B－C交换进入云相，再通 过C－E交换进入乳相进行催化反应。
Uf>Ub
穿流
固定床
鼓泡流化床
湍流床
Fixed bed Bubble Fludized Turbulent
Fluidized
快床
气流输送 Pneumatic conveying
图 7-1-1 流态化的各种状态
流化床的分类：
按相态来分：乳相，泡相
组成
散式——液固居多、或小颗粒气固Umf附近 聚式——气固居多、鼓泡床或沸腾床
7. 流化床反应器（Fluidized Bed ）
流化床反应器:利用气体或液体自下而上 通过固体颗粒床层而使固体颗粒处于悬浮运 动状态,并进行气固相反应或液固相反应的反 7.1流应化器床中的两相运动 流态化：固体粒子像流体一样
进行流动的现象。
• 固体具有液体性质： 液面、静压、连通器、粘度
床层膨胀 散式流化床
•计算Umf有几十种公式，但 mf ， s 不准，dp不 均一，与床壁有摩擦力，很难计算。
mf 0.7
P219
0.4
简易经验式
dp
Re
p
d
p
f
u
小粒子： Rep 20
Umf
d
2 p
(s
f
)
g
/
1650
大粒子： Rep 1000 Um2f d p(s f )g / 24.5 f
床层高度
在临界流化状态时，从图可见，固定床的压
降等于流化床的压降，即：
Ergun公式：
p固
p流
Rem
d p um (1 b
)
P固
150 Rem
1.75
L dp
1 b3
b
um 2
p流 Lf 1 s g
此时：
b mf , L Lf Lmf , u0 um umf
（2）带出速度ut
• 流体对粒子的曳力=粒子的重力，粒子就会被
气流带走，此时的气体空床速度即带出速度。
6
d
3 p
(
s
f
)
1 2
CD
s
g
4
d
2 p
U
2 t
4
d
2 p
CD
24 Re p
(Rep 0.4)
C D
10 Re1p/ 2
(0.4 Re p 500)
分解区
提
升 管
热回 燃料 收区
3. 多段床：煅烧石灰
空气
空气
4. 催化裂化：提升管
油气
5. 喷动床(Spout Bed)：粮食加工、干燥
7.1.2 流化床中的气-固运动
7.1.2.1颗粒的流态化性能
正常流化：
p g cm3
10
△P≈△Pmf且有脉动；
5 4
D不能稳 流化质量：流化均匀性、
解： （1）催化剂的平均粒径d p
dp
1 xi
1
100 53m 5.3103 cm
0.48 10.52 85 0.14
d pi 10 30 60 130
（2）按 Rep 20
Umf
d
2 p
(s
f
)
g
/
1650
计算
umf
5.3 103 2 1.3 0.733 103 1650 3.7 104
ut
10 104
2 1.3 0.733103 18 3.7 104
980 0.191[cm s1 ]
校核Re：
Re
d p ut
10
104
0.733103 3.7 104
0.191
3.8
104
0.4
故上式符合假定范围。
7.1.2.2 气泡及其行为
1. 气体： • 起始流化速度流经床层的空隙； • 多余----以气泡状态通过床层。
2. 密相床层的两种聚集状态： • 气（泡）相：固体颗粒极少； • 乳相：含绝大多数固体颗粒的连续相
7.1.2.2 气泡及其行为
1. 气泡的结构 • 气泡在分布板上形成： Row用X线观察，每秒约7个泡 气泡直径扩大： dR Q
气泡直径： 气泡聚并（Coalescene）分散相聚结 大气泡吞食小气泡（通过wake的引力）
db a l db0
床高度 与分布板孔径有关
• 最大稳定气泡直径：
如果床层直径足够大（无节涌），则
db,max
Ut
0.711 2 g
因为当U0=Ut 时，尾涡中颗粒上升，气
泡破裂。
气泡群的上升速度：
Ub U0 0.711(gdb )1/2 Umf
Ub由二部分推力组成：
0.711(gdb )1/2 Umf (浮力)
如果没有浮力，只要U0＞Umf气泡群仍要上 升(后浪推前浪)
床层气泡分率：
b
Lf
Lmf Lf
U0 Ub b Umf (1 b )
rb=
全部气泡的总体积
Rb之值约在0.001~0.01左右，通常忽略不计。
颗粒的运动： 所谓气泡运动，实际是颗粒运动的结果
全混：几米直径、几分钟就混合，气泡是床层 的振动源。
大循环：
小循环：
尾涡夹带颗 粒上升床面 上气泡破裂， 颗粒下降。
乳相内、颗粒 速度是万向的
• 气流的循环
乳相上流气量Umf ，U0>Umf 时多余气为气泡流 量Ub ，气泡基本上是平推流，但大、小泡上升速 度不一样，泡间有聚结和破裂（有返混）。当床面 上气泡破裂量大时（U0/Umf>6），大量尾涡颗粒向 下降落时所夹带的气流量＞ Umf 。
Uf
Uf~Ub
Uf
泡内外气体只靠扩散交换
Uf<Ub
Uf
产生气泡云，形成循环气流
Uf
2. 气泡的速度和大小
• 单气泡（注入一个气泡）浮力与阻力平衡时：
上升速度：Ubr 0.711( gdb )1/ 2 泡相对于乳相速度为：0.711(gdb )1/2 Umf • 鼓泡床内的气泡群速度：
乳相区为Umf 当U0 > Umf 时，多余气体的上升要求Ub>U0 （空塔气速）