化学反应工程-24-第八章-流化床反应器

u
2 mf
d P (ρ P − ρ ) = g ⋯⋯ (3') 24.5 ρ
Re P > 1000 时：
2、带出速度ut 、带出速度 ⑴两种曳力——表面和形体曳力 两种曳力 表面和形体曳力 当流体以速度u绕过一静止颗粒，流体作用于颗粒表面上任 何一点的力可分解为与表面相切及垂直的两个分力，即剪应 力τW和压强P。
2、聚式流化床 、 ①一般发生于气固系统； ②当u0>umf时，床内就出现一些空穴，气体取道空穴至床层顶 部逸出； ③空穴的移动与合并，酷似气泡的运动，又被称为鼓泡流化床。
⑴气泡相和乳化相 聚式流化床内存在两个相，气泡相、乳化相。 气泡相、乳化相 气泡相 乳化相内的状态接近于起始流化状态，其中的空穴率接近于εmf。 气泡相内气体以超过umf速度流过床层。 ⑵浓相区和稀相区 流化床中，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 浓相段。 浓相段 浓相段特征：上升的气泡在界面上破裂，气泡及乳化相内的固 浓相段特征 体颗粒被抛向浓相区上方空间，该空间由于实际气速较小，固体 颗粒将在重力作用下返回浓相段。 稀相区： 稀相区：颗粒离开浓相区有一定的向上运动速度，故在上方空 间将上升一定距离后才能下降，该段空间称为稀相段或分离段。
流化床有明显的上界面：
3、颗粒输送阶段 、
当 u 0 > u t 时，为颗粒输送阶段。 ε 第二阶段的流化床称为狭义流化床，广义流化床则包括气力输送阶段。
二、实际的流化现象 1、散式流化床 、 ①一般发生于液固系统； ②在流化阶段，床层膨胀，颗粒均布于流体之中并作随机运动， 颗粒充分混合； ③上界面比较清晰； ④较接近理想流化床。
u0
ε
< u t 时，床层为固定床阶段。
ε为固定床的空隙率，大小不变。
2、流化床阶段 、
当
u0
ε
= u t 时，为流化床阶段，
ε随u0的变化而变化，u0越大，ε也越大，但床层实际流速总 等于颗粒的沉降速度ut。 起始（最小）流化速度umf：是指刚刚能够使粒子流化起来的 气体空塔流速；ε 记为εmf。 和ut一样，也是表征流体在床层中运动特征的一个参数。
⑵沟流 若床层直径大，由于颗粒堆积不匀或气体初始分布不良，可 能在床层内局部地方形成沟流，此时大量气体经过沟流区域上 升，其余部分则未被流化仍处于固定床状态。
8.1.2 流化床内的两相运动 一、流化床的主要特性 1、液体样特性 、
固体颗粒的流出具有实际意义，它使流化床在操作中能够实现固体 固体颗粒的流出 的连续加料和卸料。
2、固体的混合 、
由于固体颗粒处于悬浮状态并不停地运动，从而造成床内颗 粒的混合。流化床内固体颗粒能够达到宏观上均匀混合。 如果流化床内进行一个放热反应，由于固体颗粒的强烈混合， 很易获得温度的均匀，这是流化床的主要优点。
3、恒定的压降 、 当床层一旦流化，全部颗粒处于悬浮状态，对整个床层作受力分析并 应用动量守恒定律： Fi = ma，由于a = 0 ，故床层受力达到平衡。 ∑ 受力分析如下图所示：
u mf 为初始流化速度；dP 为颗粒平均粒径；
ρ、ρ P 分别为流体和颗粒密度；
Lmf 为初始流化时浓相区高度；
De 为流体扩散系数；
µ
为流体黏度。
4、流态化的不正常现象 、 由于气流的不均匀分布可能导致以下两种现象： ⑴腾涌或节涌
气泡在上升过程中会合并增大，如果床层直径较小而浓相区的高度较 高，则气泡可能大到与床层直径相等的程度。此时气泡将床层分节， 每节颗粒如活塞般的向上移动，部分颗粒在气泡四周或在整个截面均 匀洒落，这种现象称为腾涌或节涌。
床层流化质量优劣判断： 床层流化质量优劣判断 若床内出现腾涌，压降将有大幅度的起伏波动； 若床内发生沟流，压降较正常值为低。
二、流化床的操作范围——内径的确定 流化床的操作范围 内径的确定 1、起始流化速度umf 、起始流化速度 umf确定的两种方法： ⑴通过测定床层压降变化的方法来确定 如上图1所示，实线的拐弯点即umf。 ⑵公式计算 mg ρ P − ρ ， m = ALmf 1 − ε mf ρ P ∆P = ρ A P
u
2 mf
ϕS dP ρP − ρ 3 = ⋅ ⋅ gε mf ⋯⋯ (3) ρ 1.75
ε mf ：可从相关图形读出（见陈甘棠主编《化学反应工程》，第一版
P257页图7-2-2）； 若该值不知道，则可近似地取： 1 − ε mf 1 ， 2 3 ≅ 11 ≅ 14 3
ϕ S ε mf
ϕ S ε mf
P1 A = P2 A + W表观 ，W表观
m mg − = ρg ，即：(重量-浮力），故： ρP
mg ρ P − ρ P1 − P2 = ∆P = ρ A P
式中：A：床层截面积；L：床层高度；m：床层颗粒总质量；ρP、 ρ：分别为颗粒和流体的密度；ΔP：床层压降。 由上式可知：压降等于单位截面床层内固体的表观重量，与气速 压降等于单位截面床层内固体的表观重量， 无关，始终保持定值。作图如下： 无关，始终保持定值。
(
)
故： ∆P = Lmf 1 − ε mf (ρ P − ρ )g ⋯ (a )
(
)
根据固定床压降式：
⋯ (b ) d P ρu mf d S ρu mf 150 Re ， P = ， ϕS dP = dS λ'= + 1.75 ，Re m = µ µ (1 − ε mf ) Re m
沉降的等速阶段： 沉降的等速阶段：
4(ρ P − ρ )gd P ut = 3ρζ 2 (ρ P − ρ )gd P 当Re P < 0.4 时： u t = ； 18µ 1 2 2 4 (ρ P − ρ ) g 3 u dP； 当 0.4 < Re P < 500 时， t = ρµ 225
在颗粒表面上任取一微元面积dA，作用于其上的剪力为τWdA、压力 为pdA，设所取微元面积与流动方向成夹角α，则剪力在流动方向上 的分力为τWdAsinα。 则表面曳力： 表面曳力：
∫τ
A
W
sin αdA
同样压力pdA在流动方向上的分力为pdAcosα，将此力 在整个颗粒表面积分可得：
∫ P cosαdA = ∫ Γ cosαdA − ∫
则： FD = ζ AP ⋅
1 2 ρu 2
式中：AP：颗粒在运动方向上的投影面积； ζ：无因次曳力系数。
对球形颗粒： 对球形颗粒：
24 ； Re P 10 当 0.4 < Re P < 500 时为阿仑区： = ζ ； Re 0.5 P
ζ 当 Re P < 0.4 时为斯托克斯区： =
当 500 < Re P < 2 × 10 5 时为牛顿区：ζ ≈ 0.43 。 对非球形颗粒： 对非球形颗粒： 当 Re P < 0.05 时： ζ = 当 ； ϕS 0.8431g Re P 0.065 2 × 10 3 时，ζ值由下表获得：
①直线AB为固定床阶段，压降与表观速度的一次方成正比，斜率为1； 图中虚线是由于不同填充方式所造成的ε不同所致； 在B点处由于床层颗粒开始时紧紧挤在一起，流化时应先松动开来， 故压力稍高。 ②u0 >umf后，床层流化，∆P基本不变； BC段略向上倾斜是由于流体与反应器壁和分布板的摩擦阻力随气 速增大而造成的； CD段向下倾斜，表示此时的u0≈ut，部分颗粒被陆续带走，器内颗粒 存量减少所致。
则前面三式分别为：
d P u mf ρ
µ
d ρ (ρ P − ρ )g 2 = 33.7 + 0.0408 ⋅ µ2
3 P
1
2
− 33.7 ⋯⋯ (1')
对于小颗粒，当 Re P < 20时：
u mf
2 d P (ρ P − ρ ) = g ⋯⋯ (2') 1650µ
对于大颗粒，当
当 500 < Re P < 2 × 10 5 时：u t = 1.74
等速阶段，速度对时间的导数为零，则对球形颗粒：
(ρ P − ρ )gd P
ρ
。
应当注意的是：对于小颗粒，沉降的加速阶段很短，可以忽略，因此 ut称为颗粒的沉降速度或终端速度 沉降速度或终端速度。 沉降速度或终端速度 另一在广泛范围内 Re P < 2 × 10 5 都颇准确且使用也很方便的式子是：
第八章 流化床反应器
8.1 流化床的两相运动 8.1.1 概述 一、流化床的基本概念
床层的三个阶段： 1、固定床阶段 、 两个速度概念： ①流体表观速度（空塔速度）u0：单位床层面积通过的流体 体积流量，是表征流体在床层中运动状态的一个变量； ②颗粒的沉降速度ut：又名带出速度，是表征流体在床层中 运动特征的一个参数。 当流体在床层中实际流速 u1 =
联合（1）（2）式，可推导得：
2 ρumf ∆P = Lmf λ ' d S
1 − ε mf ε 3 mf
1.75 d P u mf ρ 150(1 − ε mf + 3 2 3 ϕ S ε mf µ ϕ S ε mf
2
) d
⑵曳力系数 对光滑圆球，影响曳力的诸因素为：
FD = f (d P ,u, ρ , µ )
应用因次分析可以得出： FD = φ d P uρ µ A ⋅ 1 ρu 2 P 2 令： Re P =
d P uρ
， ζ = φ (Re P ) µ
F 重场力： b =
③曳力FD 曳力F
m
ρP
ρg ；离心力场：Fb =
m
ρP
ρrω 2
1 2 FD = ζAP ⋅ ρu 2
u：颗粒相对于流体的运动速度。 以下仅讨论重力场，根据牛顿第二定律： g − Fb − FD = m F 对球形颗粒可得：
du dt
du ρ P − ρ 3ζ g − = ρu 2 dt ρ P 4d P ρ P
A A
ห้องสมุดไป่ตู้
A
ρgzdA
上式等号右边第一项称为形体曳力，第二项即颗粒所受浮力。 当颗粒与流体无相对运动时，则不存在表面和形体曳力， 当颗粒与流体无相对运动时，则不存在表面和形体曳力，但仍 有浮力存在。 有浮力存在。
总曳力：为表面曳力和形体曳力之和。 总曳力：为表面曳力和形体曳力之和。 只有对几何形状简单的少数情况可以获得曳力的理论计算式，一 只有对几何形状简单的少数情况可以获得曳力的理论计算式， 般流动情况下对球形颗粒及其它形状的颗粒，曳力的数值尚需通 般流动情况下对球形颗粒及其它形状的颗粒， 过实验来解决。 过实验来解决。

P
3 u mf ρ d P ρ (ρ P − ρ )g = ⋯⋯ (1) 2 µ µ
对于小颗粒，当 Re P < 20 时：
u mf
3 (ϕ S d P )2 ρ P − ρ ε mf = ⋅ ⋅ g
150
µ
1 − ε mf
⋯⋯ (2)
对于大颗粒，当 Re P > 1000 时：
整个流化床反应器由浓相区和稀相区组成。如下图所示： 整个流化床反应器由浓相区和稀相区组成。如下图所示：
3、两种流态化的判别 、 可用四个准数的乘积来表征流化形态：
ρ P − ρ Lmf Frmf ⋅ Re mf ⋅ ⋅ ρ De < 100 ，为散式流化；
ρ P − ρ Lmf Frmf ⋅ Re mf ⋅ > 100 ，为聚式流化。 ⋅ ρ De 2 u mf d P u mf ρ 式中： Frmf = ，为弗鲁特准数；Re mf = ，雷诺准数； dP g µ
2 × 10 3 < Re P < 2 × 10 5 时：ζ = 5.31 − 1.88ϕ S
⑶颗粒在静止流体中的自由沉降 沉降的加速阶段： 沉降的加速阶段： 颗粒在沉降过程时所受的力包括： 场力F ①场力
重场力： Fg = mg ；离心力场： FC
= mrω 2
r：旋转半径；ω：颗粒旋转角速度。 浮力F ②浮力Fb
24
0.05 < Re P <
ϕS
0.670 0.806 0.846 0.946 1.000 当
ReP 1 28 27 27 27.5 26.5 10 6 5 4.5 4.5 4.1 100 2.2 1.3 1.2 1.1 1.07 400 2.0 1.0 0.9 0.8 0.6 1000 2.0 1.1 1.0 0.8 0.46