化学反应工程教案

化学反应工程课程教案

课次1７课时２课型

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授课题目(教学章、节或主题):

第7章气固相催化反应流化床反应器

7。3流化床反应过程得计算

教学目得、要求(分掌握、熟悉、了解三个层次)::

1. 掌握流化床得基本概念;

2。掌握流化床得工艺计算;

教学重点及难点:

重点:固定床催化反应器得特点、类型与设计要求。

难点:一维拟均相理想流动模型对反应器进行设计计算、

教学基本内容方法及手段

7、1流化床得基本概念

流态化现象:使微粒固体通过与气体或液体接触而转变成类似流体得

操作、

固体颗粒层与流体接触得不同类型:

7．１。1流化床得基本概念

1）当通过床层得流体流量较小时,颗粒受到得升力(浮力与曳力之与)

小于颗粒自身重力时,颗粒在床层内静止不动,流体由颗粒之间得空

隙通过。此时床层称为固定床。

2）随着流体流量增加,颗粒受到得曳力也随着增大、若颗粒受到得升力

恰好等于自身重量时,颗粒受力处于平衡状态,故颗粒将在床层内作

上下、左右、前后得激烈运动,这种现象被称为固体得流态化,整个

床层称为流化床、

曳力(表面曳力、形体曳力)曳力就是流体对固体得作用力,而阻力就

是固体壁对流体得作用力,两者就是作用力与反作用力得关系。表面曳力

由作用在颗粒表面上得剪切力引起,形体曳力由作用在颗粒表面上得压强

力扣除浮力部分引起。

讲解

３)。流化床类似液体得性状

(a) 轻得固体浮起;

(b)表面保持水平;

(c)固体颗粒从孔中喷出;

(ｄ)床面拉平;

(ｅ)床层重量除以截面积等于压强

流化床得优点

(１) 颗粒流动类似液体,易于处理、控制;

(２) 固体颗粒迅速混合,整个床层等温;

(3) 颗粒可以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) 宜于大规模操作;

(5) 气体与固体之间得热质传递较其它方式高;

(6) 流化床与床内构件得给热系数大。

流化床得缺点

(1)气体得流动状态难以描述,偏离平推流,气泡使颗粒发生沟流,接触效率下降;

(２)颗粒在床层迅速混合,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,颗粒易于聚集与烧结

流化床得工业应用

•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平方米得煤气发生炉开始运转。

•目前最重要得工业应用:

•SOＤ(Stanｄarｄ Oil Develoｐｍent pany) IV型催化裂化。

散式流态化与聚式流态化Ｐ１8５

(1)散式流态化

随着流体流量得加大,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通过床层,人们称这种

7、２流化床得工艺计算

1、指根据已知气体流量及催化剂用量,计算反应器得床层内径以及反应

器得床层高度。

1 初始流化速度:

－－颗粒开始流化时得气流速度

(气体向上运动时产生得曳力)=(床层体积)×(固体颗粒分率)×(颗粒

密度),即:

• 将上式与固定床压降方程(E ｒg ｕn 方程)相结合,可得临界流化速

度计算式。

• E ｒgu ｎ方程:(φs —颗粒外表面利用系数)

与考虑固定床压降时得方程对照:

可以瞧出所作简化、

前一项为粘滞力损失,后一项为动能损失、

合并两式并整理:

低雷诺数时,粘滞力损失占主导,忽略后一项:

• 解得:

高雷诺数时,动能损失占主导,忽略前一项:

高雷诺数时,动能损失占主导,忽略前一项:

解得

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,瞧雷诺数就是否在适用范围之内、

()()2g s g 3p 2mf g p 3mf s mf g p 3mf 2s mf 75.11150μρρρμρεφμρεφεg d u d u d -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-＋

２ 逸出速度(终端速度):

当流体对颗粒得曳力与颗粒得重量相等,颗粒会被流体带走:

• CD--曳力系数 对于单颗粒,有半经验公式: • 以上计算就是针对一个颗粒得,在流化床内由于颗粒间有相互影响,

故逸出速度由此速度值再加以校正而得。 • ｕT =Fu •

Ｒe ＜1０时,F≈1 •

Re ＞１０时,Re —F 见下图 • 3 反应器内径得计算

V G :气流得体积流量ｍ3ｓ-1

ｄＴ:流化床内径m

u :气流得空塔流速m 。s －

1

可见,流化床得内径取决于气流得空塔气速,而流化床得空塔气速应

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

态得最低气速与最高气速之间。

4、浓相段高度得计算

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,床层内产生一定量得气泡,浓相段床

高(L f )远大于静床层高度。

关于浓相段床高得计算通常用计算床层空隙率(εf )来获得、

令床层膨胀比Ｒ

5、 稀相段床高得估算

稀相段也称分离段,主要就是用来保证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。 阿基米德数可整理成23

2)(,3

4:μρρρ-==p p ep D g d Ar Ar R C ()()()21g s p D 3122g s 21D g s 2p D 52.520000Re 50043.02254500Re 2Re 10

182Re Re 24⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=<<=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=<<=-=<=ρρρρμρρμ

ρρd u C d g u C g

d u C p 对应对应对应