第六节 催化裂化流态化原理

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讨论：
为什么床层的实际线速uf60-100cm/s，大于3.37cm(uf)， 但是床层仍能维持流化操作。 ① 在流化床中催化剂颗粒并不是以单个颗粒进行运动而是成团 絮状进行运动的，而我们的计算是以单个颗粒考虑的 ② 实际上还有一些从一级旋分器料腿返回密相窗层的增大催化 剂循环量。
③ 对于它的解释我们在下一节中阐述。
② 沟流
在大型鼓泡床中，气泡经常不是在整个床截面中均匀分 布而是形成几个鼓泡中心，气泡聚合后沿几条“捷径”上升。 当气速增大及床高增加时，鼓泡趋于集中，甚至几乎只 集中与床层中央部分。
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严重的鼓泡集中使气泡连续沿着“捷径”上升而形成短路，这种现象 叫沟流。 发生沟流时，局部床层的压降下降。显然沟流对催化裂化反应 是不利的。 鼓泡床顶上的稀密相 ① 密相床
d、旋分离的安装及安装高度
设置旋分器的目的是回收催化剂。旋分器安装的合理位置是分 离空间高度处。人们一般将密相床界面到旋分器安装高度处叫稀相 空间高度。
固体颗粒的终端速度小于表观气速，将被气体带走，它们不在返回。 这种由气体从粗细不同的颗粒的混合中将细粒带出床层的现象叫“扬 析”。
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在稀相段的固体颗粒的浓度随着高度的增高而降低，在达到分
离高度以后，固体浓度不再降低。这时带出的催化剂是叫饱和带出 量。
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一个固体颗粒在静止的流体中沉降时，将受到3个力的作用。即： 自身向下的重力，流体给予向上浮力和颗粒与流体之间因作相对运动 而产生的向上摩擦阻力。其中重力和浮力对于一定的颗粒和流体是定 值，而摩擦阻力则随颗粒的沉降速度加快而增大。固体颗粒是以等加 速度向下沉降的，当沉降速度增加到三个力平衡时(即：重力-浮力=阻 力)颗粒则将以等速下沉，此时的速度便是所谓的自由沉降速度或颗 粒的终端速度Ut。 若固体颗粒是在向上运动的流体中沉降，则当流体速度达到颗粒 的终端速度时，颗粒将悬浮在流体中，不再下沉。如果流体速度超过 终端速度，颗粒则将会被流体带走。可见最大流化速度在数值上与颗 粒的终端速度相等。
/ 1
mf /
式 中 ： mf 、 mf 起 始 流 化 状 态 的 空 隙 率 和 床 密 度
、 流 化 床 的 空 隙 率 和 床 密 度
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L Lmf
1 m f
/ 1
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它们是与流化状态有关的参数学者给出一个这样计算公式：
2 u m f 0 .0 0 7 8 d p

p

f
g / uf
ut gdp
2

p

f
/ 1 8u f
2
dp 固 体 颗 粒 直 径
p、
f
固 体 颗 粒 及 气 体 密 度 ， g / cm
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当气速增大到B点作用于床层的各力达到平衡,整个床层被 悬浮起来而固体颗粒自由运动.
(床层压降)×(床层截面积)=(床中固体重)-(固体所受浮力)
pF V
1 s
V
1 g
2
p 床 层 压 降 ,kg/m F 床 层 截 面 积 ,m V 床 层 体 积 ,m
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终端速度ut(速度) 相当于C点的气速 u﹤umf umf﹤u﹤ ut u>ut 为固体床 为流化床 稀相输送（输送床）
在固体床阶段,粒子之间的空隙形成了许多曲曲弯弯的小通 道。气体流过这些小通道时固摩擦阻力而产生压降摩擦阻力与气 体的流速的平方成正比,固此气体流速越大,产生的床层压力降越 大。
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3、鼓泡床的基本现象 如果床层的直径足够大，而且气体的流速uo不是很大，即器 壁的影响和个气池的影响可以忽略不计，我们可以观察到一个气 泡的运动情况。 (1) 气泡的发生与形成 气体以高速通过分布器时形成气泡。 正常气泡的形状下图。
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气泡的上半部分呈半环形，气泡的尾部则有一个凹入的部
鼓泡床层的顶部有一个波动的界面，当气速增大时，界面起浮 动的度就大，在界面以下的叫密相床。
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对于催化裂化反应器和再生器，密相床层的密度随气体速度等因 素而变化，一般在100-150kg/m3 。 ② 稀相段 密相段以上的空间叫稀相段。由于气速减小，稀相段含有固 体颗粒少，密度小。 当气速较低时，稀密相的差别大，两相间的界面明显，而气 速增大，则界面不明显。
催化裂化工艺 第六节 流态化基本原理 一、流化床的形成和转化 1、流化床的转化
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实验将发生如下现象： 当气速U较小时，床层内的催化剂颗粒不活动，处于堆紧状态， 即处于固定床，只是随气体流速的增大，床层压将增加图AB段。 气速增大到一定程度时，床层开始膨胀，一些细粒在有限的 范围内运动。 气速再增大到某个数值，如C点固体颗粒被气流带走，床层压降下 降，气体再继续增大，被带出的粒子越多。最后被全部带出，压 降为0。 临界流化速度umf。(又叫起始流化速度) 固体颗粒开始流化的最小速度。相当于B点的气速
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g-重力加速度,981cm/s2 uf-气体的粘度,pa·s
例9-1 根据给出的条件umf和ut 计算结果为： umf=0.075cm/s ut=5.37cm/s 鼓泡流化床 uf一般为0.6-1m/s 即60-100cm/s
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a、夹带：固体颗粒的终端速度大于表面气速，而被气泡带入稀相的叫 做夹带。
b、分离空间高度
随着气体离开床层表面的向上运动，沿着整个容器的速度分布渐趋 于均匀，当气体上升到某个高度时，气速等于表关气速，此高度称为分 离空间高度分离高度,与气体和固体颗粒的物性、床径、气速有关。 c、扬析：在分离空间内，被夹带出床层的固体颗粒。 固体颗粒的终端速度大于表观气速，将返回到密相床。
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二、流化床的一些基本现象 1、散式流化和聚式流化
(1) 散式流化
当气流速度超过临界流化速度不多时，流化 床内没有聚集现 象，固体颗粒均匀地分散在流化介质压降平稳变化。
(2) 聚式流化
床层中固体颗粒不是以单个而是以集团进行运动，气体的气 泡形式通过床层，床层不是均匀的而是分为两相：气泡相，主要 是气泡，其中夹带有少量固体；颗粒相，是流化的固体颗粒，其 间有接近于临界流化速度的气体通过，它的床层界面起伏不稳， 流化裂化一般属于此类。
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2、流化床的膨胀比
流化床的体积与起始流化时的床层体积比叫膨胀比。
若床层的直径不变，它就是流化床高LB与起始流化床高Lmf之比。 根据床层中固体重量不变的关系可以推断导出以下关系式：
L Lmf 1 m f
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④ 快速床 当操作气速超过快速床流化点速度Ufp低于载流点速度Upt时。 即Ufp﹤U0﹤Upt。
这时床层中气泡消失，出现絮状颗粒团，在床内上下飘浮，时而解体， 时而形成。床层密度随固体循环量的增加而增加，密相床已不能继续 维持而被气流带走，此时必须靠一定的固体循环量来维持，密相床层 的密度与固体循环量密切相关。烧焦也是此类。
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2、气-固流态化域 我们把床层的不同流化状态叫流态化域。
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①散式流化床 当气体流速U0界于临界流化速度Umf和最小鼓泡速度Umb之间 时，呈现散式流化状态。即Umf﹤U0 ﹤Umb。 ②鼓泡床 当气体流速U0界于最小鼓泡速度Umb和床层波动最大速度Uc。 之间时。即Umb﹤U0 ﹤Uc。这时气速约在0.3m/s以下，床层内有气 泡存在，但床层界面清晰。 ③湍流床 当操作气速U0超过床层波动最大气速Uc和床层波动开始稳定的 气速Uk时。即U0﹥Uc﹥Uk。 床层波动趋于稳定，进入湍流床，这时 气体速度一般约在0.6m/s以上，气泡数量增多，但气泡直径变小，携 带到稀相的颗粒增多，床层界面变得模糊不清。
当气泡升至床层界面时，气泡破裂，尾波区的颗粒散落下来。 这是固体颗粒的返混。 气泡内的气体与周围的颗粒相中固体颗粒中的气体也相互交换。
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气泡四周向下与动的固体颗粒借摩擦力将颗粒中的气体曳引 向下，当气泡和颗粒间的速度足够高的时候，这部分颗粒相中的 气体由压力较低的尾波区进入气泡，而气泡中的部分气体也会由 顶部的云层透过气泡边界渗入颗粒相中。
mf /
式 中 ： mf 、 mf 起 始 流 化 状 态 的 空 隙 率 和 床 密 度
、 流 化 床 的 空 隙 率 和 床 密 度
设计流化床反应器和再生器时，需确定流化床的高度、 密度等数值，因此膨胀比是一个重要的设计数据。
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分，称为尾波区，体积占球形体积的20-30%。尾波区夹带有固 体颗粒，而气泡相对则基本不含固体颗粒。
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(2) 气泡运动与返混 气泡上升过程中，尾波区的压力较低，气泡周围的固体颗粒 被引至尾波区并随气泡向上运动。
当尾波区夹带的固体颗粒较多时，它变得不稳定，于是上升 的过程中会甩下一部分夹带的颗粒，而其余的仍被带上去。
⑤ 输送床 当气速增加到载流点速度Upt以后快速床被破坏，则进入气力输 送床阶段。
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3、临界流化速度和终端速度 临界流化速度umf 终端速度 ut 当流体通过床层的速度大于固体颗粒在流体中的自由沉降速度 时，颗粒就不再向下沉降，而将被流体带走，所以数值上与颗粒 自由沉降速度相等的流体速度即为最大流化速度。
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床层空隙率 s、
g
固 体 颗 粒 及 气 体 的 重 度 ， kg/m
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以上公式可以写成： pF V
1 s

g

s g p F V 1 s
式中V(1-ε )Γ 就是固体颗粒的重量,当没有加入和带出固 体颗粒时,它是一个常数.结果在流化床的状态下 当u上升,V上升,ε 上升,Δ P×F不变 又因为F不变,所以Δ P下降,利用Δ P不变可以通过测定流化 床中不同高度的两点间的压差计算床层中的固体芷量或床密度。
这样形成了气体在流化床的返混。返混使各部位的性质均一。
(3) 气泡对流化和反应的影响 气泡的长大，使得气泡内的气体量增大，这些气体不能和催 化剂很好地接触，所以没有经过反应就离开床层，对反应是不利 的。下面我们看一下流化床的特殊现象。
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① 气节（腾涌） 在直径较小的流化床中，有时气泡能长大到和床层直径 大小一样，形成了一层气泡相，一层固体颗粒相，这种现象 称为气节。 在气节状态时，气体与催化剂的接触情况与一般鼓泡床 不一样，操作压力波动甚至会发生反应器振动。
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4、夹带和扬析
气体离开床层界面时，床层中的某些固体颗粒也被气体携带 至稀相段 这些颗粒分为两类： 1、它们的终端速度低于表观速度 2、它们的终端速度高于表观速度而低于气体速度。
对于终端速度大于表观速度的颗粒，由于气体的速度大于床 层的表观速度，所以这些颗粒以气泡的速度抛向稀相叫夹带。