化学反应工程教案17(化工13)-胡江良

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流化床反应过程的计算
教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：：
1. 掌握流化床的基本概念；
2. 掌握流化床的工艺计算；
教学重点及难点：
重点：固定床催化反应器的特点、类型和设计要求。

难点：一维拟均相理想流动模型对反应器进行设计计算。

教学基本容方法及手段
7.1流化床的基本概念
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的操作。

固体颗粒层与流体接触的不同类型：
7.1.1流化床的基本概念
1）当通过床层的流体流量较小时，颗粒受到的升力（浮力与曳力之和）小于颗粒自身重力时，颗粒在床层内静止不动，流体由颗粒之间的
空隙通过。

此时床层称为固定床。

讲解
2）随着流体流量增加，颗粒受到的曳力也随着增大。

若颗粒受到的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、前后的激烈运动，这种现象被称为固体的流态化，整个床层称为流化床。

曳力（表面曳力、形体曳力）曳力是流体对固体的作用力，而阻力是固体壁对流体的作用力，两者是作用力与反作用力的关系。

表面曳力由作用在颗粒表面上的剪切力引起，形体曳力由作用在颗粒表面上的压强力扣除浮力部分引起。

3).流化床类似液体的性状
（a）轻的固体浮起；
（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
流化床的优点
(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) 气体和固体之间的热质传递较其它方式高；
(6) 流化床与床内构件的给热系数大。

mf mf
u mf：初始流态化速度
d P：颗粒平均粒径
ρ，ρP：流体密度，颗粒密度
L mf：初始流态化时的浓相段床高
D e：流体的扩散系数
μ：流体粘度
浓相段和稀相段（P185-186）
1).当流体通过固体床层的空塔速度值高于初始流化速度但低于逸
出速度(p188)，颗粒在气流作用下悬浮于床层中，所形成的流固混合物称为浓相段。

2).在浓相段中上升的气泡在界面上破裂，气泡内颗粒以及受气泡
挟带的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。

整个流化床反应器由浓相段和稀相段组合而成。

3)流态化的不正常现象
在流态化操作中沟流和节涌是聚式流化床两种常见的不正常操作情况。

沟流：由于流体分布板设计或安装上存在问题，使流体通过分布板进入浓相段形成的不是气泡而是气流，称沟流。

沟流造成气体与乳化相之间接触减少，传质与反应效果明显变差。

节涌（腾涌）
在流化床内径较小而床高与床径比较大时，气泡在上升过程中因聚并而增大，气泡有可能占据整个床层截面，气流将床层一节节地往上做柱塞式推动，在上升到某一位置而崩落，流化床的正常操作被破坏。

这种现象称节涌（腾涌）。

流化床反应器的特点：P186
7.2流化床的工艺计算
故逸出速度由此速度值再加以校正而得。

•u T=Fu
•Re<10时，F≈1
•Re>10时，Re-F见下图
• 3 反应器内径的计算
V G：气流的体积流量m3s-1
d T：流化床内径m
u：气流的空塔流速m.s-1
可见，流化床的内径取决于气流的空塔气速，而流化床的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。

即维持流化状态的最低气速与最高气速之间。

4、浓相段高度的计算
催化剂在床层中堆积高度称静床层高度(L0)。

在通入气体到起始流化时，床高L mf≈L0。

若继续加大气量，床层内产生一定量的气泡，浓相段床高(L f)远大于静床层高度。

关于浓相段床高的计算通常用计算床层空隙率(εf)来获得。

令床层膨胀比R
5、稀相段床高的估算
稀相段也称分离段，主要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。