第七章 流化床反应器

第七章 流化床反应器
7.1 概述
流态化：固体粒子像流体一样进行流动的现象。 一、流态化的形式
气泡
图 7-1 流态化的各种形式
二、流化床反应器的特点
➢结构简单 ➢传热效能高，床层温度均匀 ➢气固相间传质速率较高 ➢催化剂粒子小，效能高 ➢有助于催化剂循环再生 ➢催化剂和设备磨损大 ➢气流不均时气固相接触效率降低 ➢返混大，影响产品质量均一性
（ii）气泡晕中的颗粒含量
c
(1 mf
) Vc Vw Vb
（7-49）
因为气泡晕中的情况与乳相相同，即相当于临界流化状态，将
式（7-40）关系引入，可导得：
c
(1
mf
)
3umf / mf
0.711(gdb )1/ 2 umf
/ mf
Vw
Vb
（7-50）
（iii）乳相中的颗粒含量
e
(1 b
乳化相中气体流动较复杂，存在位置随机变化的向上流区域和回 流区域。
向上流区域：以umf速度向上流动的气体； 回流区域：被大于umf速度向下回流的颗粒所吸附和裹夹的气体。 定常态操作时床层截面上平均上流与回流量大致恒定。当气速增 大时，回流量相应增大。当流化数u0/umf>6~11时，乳化相中气体回流 量将超过上流量，净流量成为向下流动的了。
（7-43）
图 7-11 尾涡体积与粒径的关系
（iv）气泡云、气泡晕与气泡的体积比
ac Vc /Vb
a (Vc Vw ) /Vb ac aw （v）气泡占床层的体积分率
（7-45）
假设：进入床层的气流分为两个部分，一部分是以ub流动 的气泡，另一部分则以umf在乳相中流动。床层达到临界流态化 以后，床层高度增加的部分完全是气泡所作的贡献。
p
W
At
Lmf (1 mf )( p
)g
（7-1）
b. 经验关联式计算 临界流态化时，对床层受力平衡分析得
p2
Vmf (1 )g
p
W At
Lmf (1 mf )( p
)g
（7-1）
即
p Lmf
(1 mf )( p
)g
固定床中流动压降也可由欧根公式计算
p1
Vmf (1 ) p g
对气流进行物料衡算
u0 ubb umf (1 b ab )
故
b
ub
u0 umf umf (1
a)
u0
umf ub
或
b
Lf
Lmf Lf
（7-46） （7-47）
（4）床层中各部分的颗粒含量与气泡体积之比
（i）气泡中的颗粒含量
全部气泡中颗粒的体积
b 全部气泡的总体积
（7-48）
b 0.001 ~ 0.01, 通常可忽略。
确定颗粒粒度的原则： a. 颗粒粒径应在A类或B类范 围内。 b. 颗粒应具有适当的粒度分 布。 讨论：为何流化床中颗粒要有一定 的粒度分布？
图 7-7 根据流化特性的粒子分类
（3）乳相中的气体流动状况 流化床中，大部分气体以气泡形式通过床层，乳化相中气
量很少，甚至可忽略，但它的返混对化学反应的影响往往并不 能被忽略。
cm / s
式中， db——气泡直径，cm ； g ——重力加速度，980 cm/s2。
（7-28）
b. 气泡群上升速度
ub u0 umf 0.711(gdb )1/ 2
cm/ s （7-29）
事实上床层内气泡大小是不均匀的，且是不断长大的，有人提 出一些不同的经验式。由于气泡行为的复杂性，现有的经验公式都 存在一定的局限性。 c. 气泡中气体的穿流量
界空隙率，其值与颗粒直径和形状等有关，也可由手册查取。若查不 到，可由以下二式估算。
1
S
3 mf
14 ,
1 mf
S2
3 mf
11
（7-5）
式（7-5）代入式（7-2）可导出
d pumf
33.72
0.0408
d
3 p
(p 2
)g
1/ 2
33.7
（7-6）
小颗粒，ReP<20时，欧根公式中第一项可忽略，式（7-2）简化为：
r R
图 7-26 cR－r/R关联图
由图可见，将垂直管安装于距床层中心1/3半径处，传热系数较 高。
解：（1）计算器壁ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ热系数
dP u0
(110 4 )(0.5)(0.4) 2 10 5
1.0
查图7-25得， 8104 将及有关数据代入式（7-62）计算得 hw 764 [W/(m 2 K )]
当气速增大到一定值时，流体对粒子的曳力与粒子的重力相等，
则粒子将会被气流带走，此时气体的空床速度即带出速度，或称终
端速度。
颗粒的带出速度等于其自由沉降速度，对球形固体颗粒，可用以
下公式计算：
ut
d
2 p
(
p
18
)g
1
ut
4
225
(p
)2
g2
3 dp
Rep 0.4 0.4 Rep 500
ut
（3）流化床的膨胀比 流化床的体积与起始流化时床层体积之比。
R Lf 1 mf mf Lmf 1 f f
膨胀比是流化床反应器设计的重 要参数，影响因素比较多，如颗粒的 尺寸、物性，流体的流速和物性，床 层尺寸和内部构件的形式等。右图反 映了气速和床径对膨胀比的影响。由 图可见，气速越大，床径越小则膨胀 比越大。R值一般在1.15~2之间。
p Lmf
1.75
1
mf
3 mf
um2 f S d p
150
(1
mf 3
mf
)2
umf (S d p )2
因为
Δp p
整理得
1.75
S
3 mf
d
pumf
2
150(1
S2
3 mf
mf
)
d
pumf
d
3 p
(
p
)g
2
（7-2）
式中，S 是颗粒的形状系数，部分颗粒的S 值可由手册查取。 mf 是临
umf
dP2 ( p )g 1650
（7-7）
大颗粒，ReP>1000时，欧根公式中第二项可忽略，式（7-2）简化为：
um2 f
dp(p )g 24.5
（7-8）
应用以上各式计算时要注意：
a. 对具有一定筛分的颗粒要用调和平均直径 。
1
d p
xi / d pi
式中, xi——颗粒各筛分的重量百分数；
f
)
c
b
(1 mf )(1b ) b
c
b
（7-51）
7.2.3 乳相的动态
乳相是指床层中气泡相之外的区域。该区域内颗粒密集， 是发生化学反应的主要场所。
（1）床层中颗粒的流动 在上升气泡作用下，乳相中的颗粒形成上下循环和杂乱
无章的随机运动。这种运动促使颗粒快速混合均匀。
注意：颗粒运动规律与床层结构有关。 浅床层：中心下降，外围上升。 深床层：中心上升，外围下降。 在按装挡板或挡网等内部构件的床
（7-20）
例题
p
解：
（7-7）
（小颗粒）
（7-7）
算术平均值
，由式（7-14） 0.4
由带出速度的校正系数图，查得F0=1，故不需校正。
7.2.2 气泡及其行为
流化床层由固体颗粒密集区域（乳化相）和固体颗粒很少 的区域（气泡相）组成，气泡的结构和行为是分析流化床特性 和建立数学模型的基础。
（1）气泡的结构
{ 气泡 气泡晕 （气泡云+尾涡） 气泡晕中粒子浓度与乳化相相同，包 在气泡周围，伴随着气泡一起上升。
（2）气泡的速度 气泡上升速度是影响气泡相与乳化相
之间传质和传热的重要因素。根据不同
的模型和实验数据，整理出一些经验公
式。
7-10
气泡云
a. 单个气泡上升速度
ubr 0.711(gdb )1/ 2
（i）流化床中，气体操作流速的下限是umf，上限是ut。
小颗粒
ut umf
式式（（77174）） 91.6
大颗粒
ut umf
式式（（77186）） 8.72
（ii）细颗粒床层中，气体操作流速的范围更宽。
（iii）实用操作气速的确定
a. 流化数
u0 1.5 ~ 10 umf
b.
u0 0.1 ~ 0.4
（2）计算床层中心垂直管壁给热系数
床层中心：cR=1，将数据代入式（7-63）计算得
hw d P
0.01844(1)(1
0.7)
1.003
0.5
0.43
1 0.23
1.088
0.8
1000
0.66
1.04
0.0349
1.003 0.5
故 hw 1.04(0.0349 ) /(110 4 ) 363.4 [W/(m2 K )]
（7-14） （7-15）
1
ut
3.1d p ( p
)g
2
500 Rep 200000
（7-16）
注意：以上各式求得的ut也都需代入到Rep中检验。
存在大量颗粒的流化床中，粒 子沉降会互相干扰，按单个粒子计 算的带出速度需校正。
ut校正 F0 ut 式中，校正系数F0可由右图查取。
讨论：流化床的操作气速
三、流化床反应器的重要应用
➢石油催化裂化 ➢丙烯-氨氧化制丙烯腈 ➢萘氧化制邻苯二甲酸酐 ➢煤燃烧与转化 ➢金属提取和加工
7.2 流化床中的气、固运动