流态化原理

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。
1.4 散式流化与聚式流化
散式流化 以液体为流化介质的流化床，床层随流体 的增加平衡膨胀，床层中的固体颗粒彼此散开运 动，流化得很均匀。压力降与速度的关系接近理 想曲线，这种流化床叫做散式流化床或均匀流化 床。 聚式流化 以气体为流化介质的流化床，床层中的固 体颗粒不是单独存在的，而是许多颗粒以集团形 式团聚在一起。气体是以气泡形式通过床层，流 速较高时，固体颗粒运动猛烈，床层搅动得很厉 害，床的膨胀比小于散式流化，气体把颗粒带出， 形成一个稀相，这种流化床叫不均匀流化床，即 聚式流化。再生器及反应上部就是聚式流化。
1 气泡的形成与形状
气体通过分布器后，很快形成气泡，随着气泡的上升， 小气泡合并成大气泡，气泡直径扩大。初始生成的气泡 大小与分布器孔径和气速大小有关，孔径与气速大，则 生成的气泡就大。如图，气泡的形状是上半部呈半球形， 下半部凹入，这部分称作尾波区，约占球形体积的2030%，尾波区夹带有固体颗粒，气泡中基本不含固体颗 粒。 气泡向上运动的速度大于床层 平均速度，气泡越大上升速度越快 。实际上气泡形状是经常变化的， 以上所说的形状是理想状态。
• 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 umf 0.0078 dp p f
ut gdp 2 p f
/18uf
g / uf
dp 固体颗粒直径
p、 f 固体颗粒及气体密度，g / cm 2
g-重力加速度,981cm/s2 uf-气体的粘度,pa·s 鼓泡流化床 uf一般为0.6-1m/s 即60-100cm/s
u>ut
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。
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)
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 终端速度ut(速度)
相当于C点的气速
u﹤umf umf﹤u﹤ ut 为固体床 为流化床
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。
1.3气-固流态化域 我们把床层的不同流化状态叫流态化域。
流态化原理
• 气-固流态化技术对催化裂化技术的发展 有着密切的关系，而MTO技术的工业化应 用，也是借鉴催化裂化的流态化技术设计 而来。流化催化的反应、再生的操作状况、 催化剂在两器之间的循环输送及催化剂损 失等，都与流化态有密切关系。对于固体 流化，问题复杂，还有许多问题没弄清楚， 有待进一步研究。我们就对一些基本原理 进行简单介绍，大家一起学习讨论。
• 2.1 流化床的一般规律 工业生产中，装置内的流化状况不能直 接观察到，但可以靠测定床层不同部位的压 差间接了解流化情况，以指导生产。前面已 经讲过，床层开始流化以后，床层的总压降 不随流速而变化，成为一个常数，即床层的 压力降等于床层的静压力，这是一个重要的 特点。用图分析：
F1=F2+G F1-F2=G=mg (p1-p2)A=mg △p=p1-p2=mg/A=Ahρg/A=Hρg 得△p=Hρg 式中 :△p——床层压降，Pa H——床层高度，m ρ——密度，kg/m³ g——重力加速度，9.81m/s² 这样计算的结果是△p单位为Pa。
2 气泡相与颗粒相的物质交换 气泡相中的气体和尾波区夹带颗粒的固体颗粒 存在着与周围的颗粒相的物质交换。气泡四周的 颗粒相在向下运动时，靠摩擦力将颗粒相中气体 向下拽引。当上升的气泡与向下流动的颗粒相对 速度达到足够高时，颗粒相中气体就会由压力较 低的尾波区进入气泡中，而气泡中的部分气体则 由气泡顶部，透过气泡边界渗入到颗粒相中。 气泡的尾波区压力较低，在气泡向上运动时， 气泡周围的粒子会被拽引到尾波区内，气泡不断 上升，拽引进的粒子越来越多，就使得它变得不 稳定了，有一部分颗粒被甩掉，回到颗粒相中。 这些交换很重要，促进了流化床的化学反应。
MTO流化床属于聚式流化，它是不均 匀的，在流化床中存在着气泡相和颗粒相。 气泡相中催化剂含量很少，占床层催化剂 总量的1%以下。在气泡以外的颗粒相的催 化剂，密度最大，处于临界流化状态。聚 式流化气体主要是以气泡形式通过床层向 上运动，所以这种流化床也叫鼓泡床。气 泡在床层中的运动情况对传热、传质、化 学反应起着十分重要的作用，同时对催化 剂的回收和损耗也有着重要的影响。
•
例3-1 再生器床层总压降为14000Pa，高度为 12m。床层有效截面积为50㎡，求再生器的 平均密度和床层的藏量为多少？
2.2、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。 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。
3 气泡的合并与破碎
前面讲过气体离开分布器很快就形成气泡。小气泡在上升 过程中不断增大，增大的原因就是气泡的合并。 体积相差不多的上下相邻的两个气泡，下方的气泡会被上 方的气泡尾波区吸引而加速，变得细长。下方的气泡已进入上 方气泡尾波区，立即合并。 在气泡体积相差较大的气泡之间，也发生合并。大气泡上 升速度比小气泡快，在它超过小气泡时，先把小气泡抛在一边， 随后小气泡被大气泡拽入尾波区，小气泡被捕获后变得细长， 然后气泡发生合并。 气泡越大上升速度越快，超过最大流速则气泡变得不稳定， 容易破碎。所以底层的气泡不可能长得太大，而是有一定限度， 叫做临界体积。 气泡在上升过程中，受到周围的颗粒撞击，或是碰到设备 内构件和器壁，都会发生变形和破碎。气泡就是这样，在运动 中不断合并变大，又不断破碎成小气泡，这种破碎和合并过程 都是很快的。
• （2）流化床
流体的速度增加到一定程度，颗粒悬浮在 流体中，床内固体颗粒开始往各个方向运动， 此时床层处于流化状态。气（液）、固系统 类似于流体，是无形的，具有流动性。在这 个阶段当线速再增加时，床层高度增加，孔 隙率增大，但床层总压降不变，约等于单位 面积床层的重量，如图a中BC线段所示。
• （3）输送床 当气体线速超过C点时，整个床层中颗粒 形成悬浮的稀相，并与气泡一起从床层中带 出，这个阶段被称为气流输送阶段。 了解上述情况对掌握流化床操作很重要， 如果线速太高，就形成不了流化床，催化剂 损失很大，操作失常；如果线速太低或中断， 就会形成死床或流化失常。可见保持适当的 操作线速是保证正常流化的关键。
气体流化床的气泡现象揭示了为什 么床层操作线速度比最大流化速度高 出许多倍，床层还会存在，而且催化 剂中还保存有细粉。这是因为气泡周 围的催化剂是处于临界流化状态，虽 然气泡上升速度很快，但乳化区内气 体速度则很低，所以床层中催化剂不 会被吹光，而又床层存在，催化剂还 含有细粉。
2.4流化床的带出现像
4 床层的返混现象
气泡在流化床中的运动是造成固体颗粒和气体返混的 主要原因。气泡在向上运动中不断与周围的颗粒和气体进 行着质的交换，最后夹带着一部分固体颗粒升到床层顶而 破裂。气体冲出密相床层，大部分固体落回床中，少部分 固体被气体带出。线速度高的流化床，气泡大，流速快。 在气泡周围处于临界流化状态的固体，夹带着气体一同向 下运动。虽然固体向下运动速度比较快，但比上升的气泡 速度慢得多，大约只有其1/10，而被夹带在乳化区里的气 体就更慢一点。这种高线速度流化床气泡以外的乳化区中 固体和气体向下的运动的现象叫做床层返混。 从上述情况可以看出，气泡在流化床中运动是复杂的。 如气泡的合并、崩碎，到达床面破裂，夹带固体回落到床 层中，而一部分固粒又被带出等一系列现象，造成了气体 流化床的不均匀、不稳定和床面剧烈波动。
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。
• 气体流化床有一个波动的界面，气速越大， 波动越大。密相床上面的空间不单纯是上 升的气体，而是在气体中仍含有大量的催 化剂颗粒，但固体密度比密相床中小得多， 所以把密相床以上的空间称为稀相。
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。