流体化固定床
固定床和流化床反应器ppt课件
• ③列管式固定床反应器。
• 当流体通过床层的速度逐渐提高到某值时，颗粒 出现松动，颗粒间空隙增大，床层体积出现膨胀。 如果再进一步提高流体速度，床层将不能维持固 定状态。此时，颗粒全部悬浮与流体中，显示出 相当不规则的运动。随着流速的提高，颗粒的运 动愈加剧烈，床层的膨胀也随之增大，但是颗粒 仍逗留在床层内而不被流体带出。床层的这种状 态和液体相似称为流化床。其中，流化床的种类 有：最小流化床，鼓泡流化床，腾涌流化床。
固定床反应器的结构
1.绝热式固定床反应器 1.1单段绝热式
1-矿渣棉2-瓷环3-催化剂 1-催化剂 2-冷却器
固定床反应器有三种基本形式
• 固定床反应器有三种基本形式： • ①轴向绝热式固定床反应器。流体沿轴向自上而
下流经床层，床层同外界无热交换。 • ②径向绝热式固定床反应器。流体沿径向流过床
固定床反应器
• 固定床反应器又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固 体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通 常呈颗粒状，粒径2～15mm左右，堆积成一定高度或厚 度的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。
固定床 反应器
分类及其应用
不同 的传 热要 求和 传热 方式
单段绝热式
二段
绝 热 式 多段绝热式
真思考如何为以后的发展开好头。
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流化床反应器的结构
流化床反应器类型 ➢ 按固体颗粒是否在系统内循环分
第六章 固定床
水力半径
• 湿周---在总流的有效截面上，流体与固体壁面的接 触长度称为湿周，用字母L表示。
• 水力半径---总流的有效截面积A和湿周L之比。用字
母RH表示
RH = A / L
44
• 对于圆形截面的管道，其几何直径用水力半径表示 时可表示为
• A=(1/4)×πd2 • L=πd • 则 R=A/L=(1/4)×d → d = 4 R
当ReM>1000 湍流, 局部阻力损失为主, f≈1.75 , 略去第一项
结论： 对ΔP影响最大的是ε和u
49
Pf L
'(duSm 2 )(1B3B)
f ' 1501.75 ReM
一般床压不宜超过床内压力的15%，所以颗粒不 能太细，应做成圆球状。
50
➢ 压降的计算 ΔP=ΔP1+ ΔP2
= 15fu 0 OG L 0(1)21.75fuO 2 G L 0(1)
dS 2
3
dS
3
Pa
式中混合物的粘度
1
yi
fi M
2 i
f
1
yiM
2 i
kg/m.s
51
6.3 固定床中的传热
传热包括： 粒内传热，颗粒与流体间的传热，床层与器壁的传热
给热系数 αP 给热系数αW ,λer 总给热系数α t
当单纯作为换热装置时，以床层的平均温度tm与 管壁温差为推动力-----总给热系数αt
n
算术平均直径： d xWidi i1
调和平均直径：
1 n xWi
d
d i1 i
几何平均直径：
di
didi
30
6.2.3 床层空隙率及分布
反应操作单元(固定床、流化床、釜式、管式、塔式反应器)机械化自动化设计指导方案
反应操作单元（固定床、流化床、釜式、管式、塔式反应器）机械化、自动化设计指导方案目录1反应物系的相态化学反应是指分子破裂成原子，原子重新排列组合生成新分子的过程。
按反应物系的相态来分类，化学反应分为均相反应和多相反应，其中均相反应分为气相均相、液相均相、固相均相三类；多相反应分为气-固、气-液、液-液、液-固、固-固、气-液-固等六类。
2反应器类型反应器是一种实现反应过程的设备，根据不同特性，有不同的分类，工业生产中常用的五种反应器有固定床反应器、流化床反应器、釜式反应器、管式反应器、塔式反应器。
2.1固定床反应器化学工业中最为常用的气固相反应器主要是固定床反应器。
凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器,其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占最主要的地位。
如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。
此外还有不少非催化的气-固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2)以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。
2.2流化床反应器流态化技术是一种强化流体(气体或液体)与固体颗粒间相互作用的操作，可使操作连续，生产强化，过程简化。
具有传热效率较高、床层温度分布均匀、相间接触面积很大、固体粒子输送方便等优点。
流态化的过程与流化床的结构紧密联系，要根据生产任务正确识别流化床反应器及其附属设备。
流化床反应器是将流态化技术应用于流体（通常指气体）、固相化学反应的设备。
有气-固相流化床催化反应器和气-固相流化床非催化反应器两种。
以-定的流动速率使固体催化剂颗粒呈悬浮湍动，并在催化剂作用下进行化学反应的设备称为气-固相流化床催化反应器（常简称为流化床），它是气-固相催化反应常用的一种。
流化床反应器的结构形式很多，除单器外，还有双器流化床反应器。
固定床、流化床、移动床、浆态床比较
四种反应器形式比较一、固定床反应器（一）概念凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备都称为固定床反应器。
而其中尤以利用气态的反应物料，通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气固相催化反应器在化工生产中应用最为广泛。
例如石油炼制工业中的加氢裂化、歧化、异构化、加氢精制等；无机化学工业中的合成氨、硫酸、天然气转化等；有机化学工业中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙烯水合制乙醇、乙苯脱氧制苯乙烯、苯加氢制环己烷等。
（二）特点结构简单、操作稳定、便于控制、易实现大型化和连续化生产等优点，是现代化工和反应中应用很广泛的反应器。
1、优点主要表现在以下几个方面：1）在生产操作中，除床层极薄和气体流速很低的特殊情况外，床层内气体的流动皆可看成是理想置换流动，因此在化学反应速度较快，在完成同样生产能力时，所需要的催化剂用量和反应器体积较小。
2）气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性。
3）催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。
4）适宜于高温高压条件下操作。
2、由于固体催化剂在床层中静止不动，相应地产生一些缺点：1）催化剂载体往往导热性不良，气体流速受压降限制又不能太大，导致床层中传热性能较差，也给温度控制带来困难。
对于放热反应，在换热式反应器的入口处，因为反应物浓度较高，反应速度较快，放出的热量往往来不及移走，而使物料温度升高，这又促使反应以更快的速度进行，放出更多的热量，物料温度继续升高，直到反应物浓度降低，反应速度减慢，传热速度超过了反应速度时，温度才逐渐下降。
所以在放热反应时，通常在换热式反应器的轴向存在一个最高的温度点，称为“热点”。
如设计或操作不当，则在强放热反应时，床内热点温度会超过工艺允许的最高温度，甚至失去控制而出现“飞温”。
此时，对反应的选择性、催化剂的活性和寿命、设备的强度等均极不利。
2）不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，破坏了正常操作，所以催化剂的活性内表面得不到充分利用。
固定床的工作原理
固定床的工作原理
固定床是一种广泛应用于化工和石化工业中的反应器，其工作原理如下：
1. 固定床通常由一系列填料或催化剂床层组成，填料或催化剂可以是喷涂球、金属屏、石英珠等。
这些床层提供了增大反应物接触面积的表面积。
2. 反应物通过固定床自上而下或自下而上地流经填料或催化剂床层。
反应物可以是气体、液体或多相流体。
3. 在流经填料或催化剂床层的过程中，反应物与填料或催化剂表面发生物理或化学作用。
这些作用可能包括物质吸附、表面扩散、化学反应等。
4. 反应物在填料或催化剂床层中发生反应，并通过固定床底部或顶部的出口离开反应器。
5. 反应物离开固定床后，可以经过额外的处理步骤，如分离、冷却或加热。
固定床的工作原理基于填料或催化剂床层提供的大表面积，以及反应物在床层中与表面发生的相互作用。
这种反应器的主要优点包括高效传质和反应、稳定的操作条件、适用于连续生产等。
然而，固定床在一些情况下可能面临堵塞、催化剂失活和床层压降增加等问题，需要定期维护和监控。
fluent固定床的一种模拟方法
fluent固定床的一种模拟方法Fluent是一种流体力学仿真软件，可用于模拟各种工程问题，
包括气体和液体在固定床中的流动。
在固定床模拟中，Fluent可以提供准确的流体流动和质量传递解决方案。
固定床模拟是指在固定位置上的颗粒床中流体的运动。
它在许
多工程领域中都有广泛的应用，例如化工工艺、废水处理、碳捕
集和催化剂反应工程等。
通过模拟流体在固定床中的流动，可以
优化床层设计，改善传质效率，并提高工艺的可持续性和经济性。
实现固定床模拟的方法之一是使用Fluent软件。
Fluent提供了
一系列的物理模型和数值算法，可以准确地描述颗粒床中的流动
行为。
该软件允许用户定义床层的几何形状、颗粒属性和边界条件，并将其输入模拟中。
随后，Fluent会根据所选的模拟方案，对床层中的流体运动进行计算，并提供关于压降、速度分布和质量
传递等参数的详细结果。
为了准确模拟固定床流动，用户需要正确选择和定义模拟参数。
这些参数包括颗粒属性（如密度、粒径和形状）、流体特性（如
粘度和密度）、床层几何形状和边界条件。
用户还可以选择适当
的物理模型和数值方法，以便更准确地模拟床层中的流动。
根据
不同的应用需求，用户可以通过调整这些参数来优化模拟结果。
Fluent是一种用于模拟固定床流动的强大工具。
通过正确选择
和定义模拟参数，使用者可以准确地模拟床层中的流体运动，并
获得有关压降、速度分布和质量传递等参数的详细结果。
这种模
拟方法对于优化床层设计、改善传质效率和改进工艺可持续性非
常有益。
化工基础实验固定床和流化床实验
流化床阶段，每一个空塔速度对应一个相应的床层空隙 率，流体的流速增加，空隙率也增大，但流体的实际流 速总是保持颗粒的沉降速度μt不变，且原则上流化床有 一个明显的上界面。
C、颗粒输送阶段 当立体在床层中的实际流速超过颗粒的沉降速度μt时，
流化床的上界面消失，颗粒将虚浮在流体中并被带出器 外，如图（e）所示。
流化床压力与气速的关系
log
固定床
流化床
带出开始
C
B
A
D
A 起始流化速度
带出速度
logu
图 3-28 流化床压力降与气速关系
三、实验装置图
图2 气固系统流程图 1.鼓风机 2.孔板流量计 3.孔板压差计 4. 压差计 5.床身 6.接收管 7.旋风分离器 8.按钮开关
图2 液固系统流程图 1. 旋液分离器 2. 接收器 3.床身 4. 压差计 5. 孔板压差计 6.水槽 7.水泵 8. 孔板流量计 9. 按钮开关
此时，实现了固体颗粒的气力或液力输送，相应的床 层称为相输送床层。
2、两种不同流化形式 A、散式流化 散式流化状态的特点：固体颗粒均匀的分散在流化介
质中，故称均匀流化。当流速增大时，床层逐渐膨胀 而没有气泡产生，颗粒彼此分开，颗粒间的平均距离 或床层中各处的空隙率均匀增大，床层高度上升，并 有一稳定的上界面。通常两相密度差小的系统趋向散 式流化，故大多数液—固流化属于“散式流化”。
二、实验原理
1.流态化现象 当一种流体自上而下流过床层时，随着
流速的增大会出现三种不同的情况：
A、 固定床阶段 当流体通过床层的空塔速度较低时，若床
层空隙中流体的实际流速u小于颗粒的沉降速 度ut，则颗粒静止不动，颗粒层为固定床。
化工反应过程之固定床反应器
热传导、 热对流、 热辐射。
热传导、 热对流
傅立叶定律：
dQ dl T
z
牛顿冷却定律：
dQ dA T
z
一般情况下，可以把催化剂颗粒看成是等温体，忽略颗粒内
部、颗粒在流体间和床层径向传热阻力，床层的传热阻力全
部集中在管壁处。这样传热过程的计算就可简化成床层与器
壁之间的传热计算
固定床中的传质传热
固 传热速度方程为 dQ t Tm Tw dF
为了消除壁效应，一般，管径与粒径之比应 大于8。
催化剂床层特性
固定床的当量直径de为水力半径RH的四倍
固 定 床
流道有效截面积 4
de
4RH
4 流道润湿周边长
Se
当 量 直
Se
（1 ）AP
VP
（6 1 ）
dS
径
de
4RH
4
Se
2 3 1
dS
流体在固定床中的流动特性
在固定床中，流体在颗粒间的空隙中流动，流动通 道是弯曲、变径、相互交错的，流体撞击颗粒后分 流、混合、改变流向，增加了流体的扰动程度。
绝热式固定床反应器
中间换热式
多 段
进料
绝
热
式
固
催化剂
定
床
反
应
器
催化剂
中间换热式是指冷、 热流体是通过段间的 换热器管壁进行热量 的交换。其作用是将 换 上一段的反应气体冷 热 却至适宜温度后再进 器 入下一段反应，反应 气体冷却所放出的热 量可用于对未反应的 原料气体预热或通入 外来换热介质移走。 而换热设备可以放在 反应器外
截面积的流速。
u0
V0 AR
固定床的经验法计算
固定床内的流体流动
7.1.1 固定床内的流体流动
1. 床层空隙率
固定床床层是由许许多多的催化剂颗粒堆积而成的，床层空隙率是表征床层结构的主要参数。
固定床中同一横截面上的空隙率是不均匀的。
对粒度均一的颗粒构成的固定床，在距器壁1～2倍顆粒直径处，ε最大，而床层中心ε较小，如图7.1。
器壁的这种影响,称为壁效应。
对拉西环，鲍尔环等非球形颗粒所充填的床层，同一截面上的ε值，除壁效应影响可及的范围外，都是均匀的；
对球形或圆柱形颗粒，ε值除壁效应可及的范围外，还在一平均值上下波动。
(见图7.1)
床层直径与颗粒直径之比越大，ε的分布越均匀，通常所指的床层空隙率是指床层平均空隙率。
空隙率径向分布不均匀，引起流速在径向上分布也不均匀，流速不均匀，引起床层内传质、传热不均匀，停留时间不均匀，必定影响反应的结果，为了
消除这种影响，。
2．床层压降
流体流过固定床所产生的压力降来自两个方面：
一是流体与颗粒表面之间的摩擦——层流
二是流体流动过程中颗粒间孔道截面积突然扩大和收缩及流体对颗粒的撞击和流体的再分布——高流速及薄层床中
式中：ds——比表面积相当直径
u
——空床平均流速
o
f——摩擦系数, f =
当Re<10 层流, f≈150/Re
当Re>1000 湍流, f≈1.75
∴对ΔP影响最大的是ε和u
0,。
固定床移动床流化床
固定床：当气体以较小的速度流过固定床时，流动气体的上升阻力不致使颗粒的运动状态发生变化，床高维持不变；床层压降随流速对数增大而增大。
流化床：固体颗粒可以像水等液体一样在设备内有明显的界面，即使设备倾斜，界面仍会保持水平；床层压降不随流速变化（基本不变）。
输送床：固体颗粒在设备内无明显界面；床层压力随流速增大而减小。
流化床和沸腾床可能只是叫法上不同。
流化床，也就是沸腾床，接触面大，传热传质效率高，时空产率高，但返混严重。
需要注意的是不能堵塞气体分布器，堵了很麻烦的。
固定床和移动床比较适合气－气、气－液和液－液反应，床层本身作为[wiki]催化剂[/wiki]，优点是返混小，固相带出少，分离简单。
流化床的床型是设计中很重要的，与反应体系的匹配要求比较高。
此外，操作中的气速、带出量、与配套的旋风等分离设备设计比较严格。
流化床的传热和破汽泡、沟流措施也是研究比较多的。
固定床反应器是一种被广泛采用的多相催化反应器,反应器内填充有固定不动的固体颗粒,可以是固体催化剂也可以是固体反应物.例如管式固定床反应器,管内装催化剂,管内装催化剂,反应物料自上而下通过床层,管间为载热体与管内反应物进行换热,以维持所需的温度条件.此外,固定床反应器也可用于气固及液固非催化反应.沸腾床是流化床的一种,固体在流化床反应器内流动,流体和固体颗粒所构成的床层犹如沸腾的液体. 沸腾床反应器下部设有分布板,板上放固体颗粒,流体自分布板下送入,当流体速度达到一定数值后,固体颗粒开始松动,再增大流速就进入流化状态.反应器内一般设有挡板,换热器,及流体与固体分离装置等内部部件.移动床与固定床相似,不同的是固体颗粒自顶部连续加入,由底部卸出.沸腾床因为固体处于运动状态,反应或传热效果好,但动力消耗大,而且在煤调湿中粉尘携带量大.固定床：固定床反应器又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。
固体物通常呈颗粒状，粒径2～15mm左右,堆积成一定高度（或厚度）的床层。
固定床反应器和流化床反应器
固定床反应器1.概述凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器，其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占最主要的地位。
如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。
此外还有不少非催化的气—固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2) 以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。
2.固定床反应器优点1)固定床中催化剂不易磨损；2)床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。
3)由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大生产中尤为重要。
3.固定床反应器缺点1)固定床中的传热较差；2)催化剂的更换必须停产进行。
4.类型固定床反应器形式多种多样，按床层与外界的传热方式分类，可有以下几类：●绝热式固定床反应器●多段绝热式固定床反应器●列管式固定床反应器，●自热式反应器。
（1）绝热式固定床反应器下图是绝热式固定床反应器的示意图。
它的结构简单，催化剂均匀堆置于床内，床内没有换热装置，预热到一定温度的反应物料流过床层进行反应就可以了。
典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。
反应需供热140kJ／mol，是靠加入高温(710℃)水蒸汽来供应的(乙苯:水蒸汽=1: 2.6(质量))，混合后在630℃入床，离床时降到565℃。
在此，水蒸汽的作用是：a) 可以带入大量的显热；b) 起稀释作用，使反应的平衡向有利于生成苯乙烯的方向移动，提高单程转化率；c) 使催化剂可能产生的结炭随时得到清除，从而保持反应器长期连续运转。
（2）多段绝热式固定床反应器热效应大，常把催化剂床层分成几段(层)，段间采用间接冷却或原料气（或惰性组分）冷激，以控制反应温度在一定的范围内 。
化工反应过程之固定床反应器
化工反应过程之固定床反应器固定床反应器是一种常见的化工反应器，广泛应用于工业生产中的催化反应、气体吸附分离、气体净化等领域。
它的特点是反应物固定在反应器内的催化剂床层上，反应过程中通过流体将反应物质质量传递到催化剂表面进行反应，反应生成物质通过床层离开反应器。
固定床反应器的结构主要由反应器本体、进料管、排料管和反应器床层组成。
反应器本体通常由金属材料制成（如不锈钢），具有良好的发热、承压和耐腐蚀性能。
进料管在反应器底部引入反应物质，排料管则在反应器顶部将反应生成物排出。
床层是固定床反应器的核心部分，通常由催化剂颗粒物质装填而成，具有大的比表面积和较高的孔隙度，以提供足够的反应表面积和反应空间。
固定床反应器在化工生产中具有重要的应用。
首先，它广泛用于催化反应。
在固定床反应器中，催化剂床层有效地提供了反应的活性表面，使得反应速率得以提高。
例如，加氢反应、氧化反应、脱氢反应等都可以使用固定床反应器进行。
其次，固定床反应器也被用于气体吸附分离和气体净化。
吸附剂床层能够吸附特定成分，实现气体组分的分离和纯化。
此外，固定床反应器还适用于颗粒物质的固液分离、固气分离等过程。
固定床反应器的工作原理主要包括质量传递和物质平衡两个方面。
在反应物进入床层前，需要先经过预热区，以使其达到适宜的反应温度。
之后，在床层内发生质量传递过程，即反应物质通过流体传递到催化剂表面，发生化学反应。
在反应过程中，需要保持适宜的温度和压力条件，以提供反应的最佳反应速率和选择性。
反应生成物质则随着流体一起流出固定床反应器。
固定床反应器的优势在于：一、反应物质与催化剂的接触充分，反应效率高；二、催化剂寿命长，催化剂载体不易破碎；三、床层的填料物质易于更换和维护；四、反应器体积相对较小，能够实现高度效能的连续化生产。
然而，固定床反应器也有一些缺点需要克服。
首先，反应床层在长时间运行后会出现积碳、堵塞等现象，需进行定期清洗和更换床层。
其次，固定床反应器对反应物料的物理性质要求较高，如化学性质、颗粒度等。
固定床、移动床、流化床反应器区别
固定床、移动床、流化床反应器区别固定床、移动床、流化床反应器，这三种反应器都是有固体颗粒床层的反应器一、首先，“床”指的是什么？大量固体颗粒堆积在一起，便形成了具有一定高度的颗粒床层，这就是名称里的"床"。
这些固体颗粒可以是反应物，也可以是催化剂。
如何区分固定床、移动床、流化床反应器如果这个颗粒床层是固定不动的，就叫固定床。
如果这个颗粒床层是整体移动的，固体颗粒自顶部连续加入，又从底部卸出，颗粒相互之间没有相对运动，而是以一个整体的状态移动，叫做移动床。
当流体（气体或液体）通过颗粒床层时，进行反应。
如果将流体通过床层的速度提高到一定数值，固体颗粒已经不能维持不变的状态，全部悬浮于流体之中，固体颗粒之间进行的是无规则运动，整个固体颗粒的床层，可以像流体一样流动，这即是流动床。
二、固定床反应器的详细介绍又称填充床反应器，内部装填有固体催化剂或固体反应物，以实现多相反应。
固体物通常呈颗粒状，堆积成一定高度（或厚度）的床层，床层静止不动，流体通过床层进行反应。
固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。
用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。
涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。
优点：（1）催化剂机械磨损小。
（2）床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。
（3）由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率。
（4）可在高温高压下操作。
缺点：（1）固定床中的传热较差。
（2）催化剂的再生、更换均不方便，催化剂的更换必须停产进行。
（3）不能使用细粒催化剂，但固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。
目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。
固定床反应器的分类（一）按传热方式分类1、绝热式反应器绝热式固定床催化反应器在反应过程中，床层不与外界进行热量交换。
固定床与流化床特点
固定床反应器与流化床反应器特点基本形式固定床反应器流化床反应器轴向绝热式、径向绝热式、列壳体、气体分布装置、换热管式装置、气—固分离装置、内构件以及催化剂加入和卸出装置等组成主要用于气固相催化反应。
石应用广泛，催化或非催化油炼制工业中的裂化、重整、的气-固、液-固和气-液-固异构化、加氢精制等；无机化反应。
在化工、炼油、冶金、学工业中的合成氨、硫酸、天能源、材料、机械、生化等然气转化等领域都可以见到1、反应速率快，催化剂用量1.采用细分颗粒，并在悬小，反应器体积小；浮状态下与流体接触，2、气体停留时间可以严格流固相界面积大，有利控制，温度分布可以调节，于非均相反应的进行，有利于提高化学反应的转提高了催化剂的利用化率；率；3、催化剂不易磨损，可以较2.由于颗粒在床内混合激长时间连续使用；烈，使颗粒在全床内的4、适宜于高温高压条件下温度和浓度均匀一致，操作床层与内浸换热表面间的传热系数高，全床热容量大，热稳定性高。
3.流化床内的颗粒群有类似流体的性质，可以大量地从装置中移出、引入，并可以在两个流化床之间大量循环；4.流体与颗粒之间传热、传质速率高；5.流态化技术的操作弹性范围宽，单位设备生产能力大，设备结构简单、造价低，符合现代化大生产的需要。
1、催化剂载体往往导热性1、气体流动状态与活塞流不良，床层中传热性能较偏离较大，气流与床层差，操作不当，床内热点颗粒发生返混，以致在温度会超过工艺允许的最床层轴向没有温度差及高温度，甚至失去控制而浓度差，使气固接触不出现“飞温”；良，使反应的转化率降2、不能使用细粒催化剂，否低；则流体阻力增大，破坏了2、催化剂颗粒间相互剧烈应用优点缺点正常操作；碰撞，造成催化剂的损3、催化剂的再生、更换均不失和除尘的困难；方便3、由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的磨损严重。
固定床流化床设计计算
炔烃液相选择加氢固定床床反应器设计计算由于固定床反应器具有结构简单、操作方便、 操作弹性大、建设投资低等优点，而广泛应用于各类油品催化加氢裂化及精制、低碳烃类选择加氢精制等领域。
将碳四馏分液相加氢新工艺就是采用单台固定床绝热反应器进行催化选择加氢脱除碳四馏分中的乙基乙炔和乙烯基乙炔等。
在工业装置中，由于实际所采用的流速足够高，流体与催化剂颗粒间的温差和浓差，除少数强放热反应外，都可忽略。
对于固定床反应器来讲最重要的是处理好床层中的传热和催化剂粒子内扩散传质的影响。
一、固定床反应器设计碳四馏分选择性加氢反应器一般采用绝热固定床反应器。
在工程上要确定反应器的几何尺寸，首先得确定出一定生产能力下所需的催化剂容积，再根据高径比确定反应器几何尺寸。
反应器的设计主要依据试验结果和技术要求确定的参数，对反应器的大小及高径比、催化剂床层和液体分布板等进行计算和设计。
1. 设计参数反应器进口温度： 20℃ 进口压力：0.1MPa进料量(含氢气进料组分) 体积流量：197.8m 3/h 质量流量：3951kg/h 液相体积空速：400h -1 2. 催化剂床层设计计算正常状态下反应器总进料量为2040m 3/h 液体体积空速400h -1则催化剂用量3R V V V /S 2040/400 5.1m ===总 催化剂堆密度3850/B kg m ρ=催化剂质量850 5.14335B B R m V kg kg ρ=⨯=⨯= 求取最适宜的反应器直径D:设不同D 时，其中高径比一般取2-10，设计反应器时，为了尽可能避免径向的影响，取反应器的长径比5，则算出反应器的直径和高度为：按正常进料量32040m h ／及液体空速400h -1，计算反应器的诸参数：取床层高度L=5m ，则截面积2R S V /L 5.1/51.02m ===床层直径 1.140D m ===因此,圆整可得反应器内径可以选择1200mm 此时，床层高度02244 5.1L 4.5123.14 1.2R V m D π⨯===⨯ 反应器选型表4-1和表4-2为反应器类型。
化工原理之流体通过颗粒层的流动概述
4.4.2.1板框过滤机
如果将非洗涤板编号为1、框为2、洗涤板为3，则板框的组合方 式服从1—2—3—2——1—2—3之规律。组装之后的过滤和 洗涤原理如图所示。
4.4.2.1 板框过滤机
滤液的排出方式有明流和暗流之分，若滤液经由每块板底 部旋塞直接排出，则称为明流（显然，以上讨论以明流为 例）；若滤液不宜暴露于空气中，则需要将各板流出的滤液 汇集于总管后送走，称为暗流。 说明：
4.2.2.5 回转真空过滤机
在水平安装的中空转鼓表面上覆以滤布，转鼓下部浸入盛有悬浮
液的滤槽0中.1 ~并3r以/ min
的转速转动。转鼓内分12个扇形格，
每格与转鼓端面上的带孔圆盘相通。此转动盘与装于支架上的固定
盘藉弹簧压力压紧叠合，这两个互相叠合而又相对转动的圆盘组成
一付分配头。转鼓表面的每一格按顺时针方向旋转一周时，相继进
数 ，就其物理意义而言称为固定床的流动摩擦系数。
4.3.1颗粒床层的简化模型
（3）模型的检验和模型参数的估值
当床 层 雷 诺 数Re deu1 u 2 时 实 验 数 据 符 合 下 式
4 a(1 )值为5.K0。 的可能误差不超过10%。
4.4.2.3转筒过滤机
③当这些小孔凹槽4相对时，这几个小孔对应的连通 管及相应的转筒表面与压缩空气吹气相连，压缩空 气经连通管从内向外吹向滤饼，此为吹松。
④随着转筒的转动，这些小孔对应表面上的滤饼又与 刮刀相遇，被刮下。此为卸渣。继续旋转，这些小 孔对应的又重新浸入滤浆中，这些小孔又与固定盘 上的凹槽2相对，又重新开始一个操作循环。
A0
流动截面积 床层截面积
床层截面积A-颗粒所占的平均截面积A P 床层截面积A
1
AP A
流化床的基本原理
保持固定床状态的最大空床气速 umax 床层பைடு நூலகம்态由固定床向流化床转换的临界条件：
u1
u1,max umax fixedbed
u1,maxut
up 0
ut
umaxu1,ma xut
umax为维持固定床状态的最大表观 气速。
起始流化速度：umf=umax
如果是均一的颗粒，其ut 可以计算出
um f ut fi xebd e d
2、Reh气固两相操作图
回忆与总结
1. 固定床
流速较低时，颗粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙中通过 料层高度不变 实际流速线形增长 通风阻力随风速的平方关系增大
2. 流化床
颗粒不再由布风板所支持，而全部由流体的摩擦力所承托。此时， 对于单个颗粒来讲，可在床层中自由运动；就整个床层而言，具有 了许多类似流体的性质—流态化。此时：
umax为维持固定床状态的最大表观 气速。 当流体速度到达最小流化速度后，床层处于流化床阶段，在此阶段，床层阻力根本上保持恒定。 5、上升到床层外表破碎时，将大量颗粒抛入床层上方，使流化床颗粒损失。
m<1，固定床/移动床 2 最小流态化速度
随着流体流量的增加 和 空隙率的减小，又出现 1、 床层物料具有很高的颗粒表面积
空隙率即等于横截面上空隙面积的分率。
qv1uu1
u
qV D2
4
u u1
u1
ut
流体
〔1〕固定床阶段
up u1ut
颗粒的直径一定，在流体介质中的沉降速度ut 一定。
如果流体介质静止或者上升流速u1 ， u1<ut
up0,即颗粒绝对 下速 ，度 沉方 落向 而 。 向 堆
随着上升流体流量的增大，u1增大，当到达u1=ut时，颗粒的表 观速度up=0 。 当u1 稍微大于ut时，颗粒便会上升，发生由固定 床向流化床的转化。
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当流体的空床流速u>umf时，则出现u1>ut ,即up＞0 ，则颗粒向 上运动。同时引起床层空隙率的改变（增加）。床内的颗粒将 “浮起” ，颗粒层将“膨胀”，床内空隙率ε增大。
u1
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u
u
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（2）流化床
u1
u
又可能出现 u1 ut
up u1 ut 0
流体
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第5章 颗粒的沉降和固体流态化
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（3）颗粒输送阶段 如果流体（气体）流量继续增加，始 终出现u1＞ut的关系，始终up＞0 ， 则颗粒被带出床外，此时，称为颗粒 输送阶段。此时的流体表观速度u称 为带出速度。在带出状态下床截面上 的空隙率即认为是1.0 ，此时u=u1 。 显然，带出速度u数值上等于ut 。据 此原理，可以实现固体颗粒的气力输 送或液力输送。 流化床的操作范围： umf~ut
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up u1 ut
颗粒空隙中流体的实际流速u1 。颗粒的绝对 运动速度 up ，床层表观流速u ，即空床流速。 其关系：
u1
ut
考察单位床层截面上流体的体积流量： 空隙率即等于横截面上空隙面积的分率。
qv 1 u u1
qV D
2
u
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4
u1
u
流体
3
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
因此，在流化床的范围内，每一个表观气速u对应一个空隙率， 表观气速越大，空隙率也越大。只要颗粒悬浮状态，表明流体 通过空隙时的实际速度u1不变，始终为颗粒的ut 。
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（2）流化床
需要特别指出的是，流化床原则上应有一个明 显的上界面。在此界面之下的颗粒，u1=ut 。
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5.5 气力输送 （简介）
利用气体在管内的流动来输送粉状固体的方法称为气力输送。
空气是最常用的输送介质，但若是输送易燃、易爆粉料时，则 用惰性气体。 气力输送的主要优点：
1、系统密闭，可避免物料飞扬，减少物料损失，同时改善了劳 动条件。
2、输送管线不受地形限制，在无法铺设道路或安装输送机械的 地方尤为适宜。 3、设备紧凑，易于实现连续化、自动化操作，便于同连续的化 工过程相衔接。
起始流化速度：umf=umax 如果是均一的颗粒，其ut 可以计算出
umf ut fixedbed
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u
5
（2）流化床 起始流化速度：umf=umax 此时 u1=ut
u1
ut
如为均匀颗粒，其ut 已知
umf ut fixedbed
ut
dp p g
2
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与流体介质运动与否没有关系。
如果流体介质静止，则颗粒垂直向下的运动速度就是 ut 。
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如果颗粒邻近的流体介质以方向向上的流速 u1 运动起来， 则颗粒的绝对速度（表观速度）（以固定点为参照点）up (规 定向上的方向为正）为
出现暂时的颗粒回落现象，又出现床层空隙率减小。 随着流体流量的增加 和 空隙率的减小，又出现
u1 ut
u u1
颗粒再次上升，床层又膨胀，空隙率再次增 大。当床层膨胀到一定程度，空隙率稳定在 某一数值上，空隙中流体的流速u1 稳定于颗 粒的ut 时，颗粒悬浮于流体中，便形成了流 化床 。 注意： u
L
mL
pf,L
A
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5.4.4流化床的操作范围
1、起始流化速度umf 设流化床的床层高度为L，床层空隙率为ε，则此时，床层 压降既符合固定床计算式，又符合流化床计算式。 （1）流化床的压降 mg m 1 Vs ( p ) g Vbed 1 ( p ) g Pf g A p A A A
4、在气力输送过程中，可同时进行粉料的干燥、粉碎、冷却或 加热等操作。
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5.5 气力输送 （简介）
气力输送的主要缺点：
消耗的动力较大，颗粒尺寸受一定限制，在输送过程中颗粒易 于破碎，管壁受磨损。对于含水量大、有黏附性或高速运动时 易产生静电的物料，不宜用气力输送。
10
5.4.3 流化床的主要特性----恒定的总压降 流化床的横截面积A ,床层高度L ，床 内所有颗粒的质量m ，颗粒的密度ρp 流体的密度ρ，截面1的压强P1 ，截面 2的压强P2 。 方向向上的力之和=方向向下的力之和
P2
L
P1 A
总床层 高度上 的压降
m
p
g P2 A mg
当表观气速超过起始流化速度umf而开始流化后，床内出现一些 空穴，气体将优先取道穿过各个空穴至床层顶部逸出。由于 “气泡”在界面处破裂，床层上界面频繁地起伏波动，界面以 上的空间也会存在一定量的固体颗粒。流化床界面以上的区域 称为稀相区，流化床界面以下的区域称为浓相区。
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第5章 颗粒的沉降和固体流态化
注意：在流化床的范围内，随着气体速度的增加，床层高度L逐 渐增加，尽管总床的压降基本不变。但是，单位床层高度上的 压降是变化（减小）的。 pf,L1 L1 mL1 例5－4床层固存量的近似估计 mL g 在某一各处均匀状态的流化床中，pf,L
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P1
流体
mg m 1 P1 P2 g A p A
如果忽略 P P mg 1 2 浮力 A
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特别注意：总床层高度上的压降近似等于单位 截面床内固体颗粒的重量，与流体速度无关， 是定值。但是，单位床层高度上的压降随着流 体速度增加而减小。 11 第5章 颗粒的沉降和固体流态化
（1）固定床阶段
up u1 ut
颗粒的直径一定，在流体介质中的沉降速度ut 一定。
如果流体介质静止或者上升流速u1 ，
u1<ut
up 0,即颗粒绝对速度方向向 下，沉落而堆积在一起 。
随着上升流体流量的增大，u1增大，当达到u1=ut时，颗粒的表观 速度up=0 。 当u1 稍微大于ut时，颗粒便会上升，发生由固定床 向流化床的转化。
假设某个悬浮的颗粒由于某种原因离开了床层 而进入界面以上的空间，在该空间中（ε=1.0） 该颗粒的表观速度u即为其真实速度u1 u=u1＜ut 故颗粒必然回落到界面上。
由此可见，流化床存在的基础是大量颗粒的群 居。群居的大量颗粒可以通过床层的膨胀以调 整空隙率，从而能够在一个相当宽的表观速度 范围内悬浮于流体之中。这就是流化床之可能 存在的物理基础。
流体
很显然，如果将流体的流量（流速）逐渐减小，则将由流化床 转化为固定床。
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5.4.2 实际的流化现象 散式流化 聚式流化（鼓泡流化） 两类
散式流化 ： 一般发生于液—固系统 床内固体颗粒充分混合，流化床的上界面清晰，接近于理想流 化床。 聚式流化 ：一般发生于气—固系统
A L1 ( p ) g
L1 ( p ) g
5 39
p
p
Xi----各种粒度的质量分数。
2
3 d ev p g 2 mf umf 1501 - mf
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A 根据第4章中的欧根方程，对于小颗粒(Rep＜20）又可以利用固 2 定床压降的计算式（5-40） 1 L pf 150 2 2 u 5 40 3 d ev （2）固定床的压降
此时，床层压降既符合固定床计算式，又符合流化床计算式。
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umf ~ ut
压力流体
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5.4.5 流化质量
流化质量 是指流化床内流体分布及流---固两相接触的均匀程度。
提高流化质量的措施： 1、增加分步板的阻力(达到流体分布均匀)， 2、采用内部构件(设置水平挡板和垂直构件,限制大尺度的空穴)， 3、采用宽粒径分步的颗粒(小颗粒带出,经过旋风分离器收集后， 再通入流化床中）。 4、采用细颗粒、较高气速的操作条件。
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第5章 颗粒的沉降和固体流态化
4
保持固定床状态的最大空床气速 umax 床层形态由固定床向流化床转换的临界条件：
u1
ut
u1,max
fixedbed
umax
u1,max ut
up 0
umax u1,max ut
umax为维持固定床状态的最大表观 气速。
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
umf
d ( p )g
2 e
1650
5 42
P161p Nhomakorabea2015-4-28
第5章 颗粒的沉降和固体流态化
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起始流化速度umf (5-42)式，最小带出速度ut ， 此速度范围称 为流化速度范围。流化床的实际操作速度与起始流化速度umf 之比称为流化数。 P162 例5－6 流化床的操作范围
5.4 固体流态化技术
固体流态化：将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗 粒具有类似于流体的某些表观特性，这种流固接触状态称为固体 流态化。
压力流体
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