流化床反应器的流动模型

Table 1 Relationship between solids voidage and f low regimes
流型 鼓泡流态化 湍动流态化 快速流态化 气力输送
根据空隙率虽能确定流化床的内部流型, 但无 法判断节涌流态化的发生与否。为此 , 需要床径、 最 大稳定气泡直径( m ax imum stable bubble diamet er) 等参数。一旦最大稳定 气泡直径大 于床体半 径 D 时, 就会发生节涌 流态化。床径 可通过式 ( 8) 或式 ( 9) 求得。最大稳定气泡直径根据粒径的不同有多 种算法, 本文选用式 ( 11) [ 5] 计算 , 即 : 1. 5 d bm ax = 0. 652 ∀D ( u0 - um f ) 计算流程图
g( p 18
2
g
) )
p
, Re p < 0. 4
2
1 3
4g ( p 225 g 3. 1d m in g (
g
g
d m in , 0. 4< Rep < 500 g
( 3)
)
1 2
, 500< Rep < 200000
d m in
具有代表性的小粒径颗粒直径 , mm 。
第 i 组分颗粒直径, mm;
作者简介 : 周继良 ( 1979 ) , 男 , 博士生 ; E mail: zjl _224@ 163. com ;
面参数的计算方法, 但其也未考虑到流化床床体参 数的确定、 气泡的尺寸, 同时也未考虑反应器的处理 能力、 反应动力学 ( 例如反应速度 ) 对流化床的影响 等; 另外, 该模型的部 分参数仍有 进一步商 榷的余 地。流动模型的不够全面在一定程度上制约了流化 床还原设备的广泛应 用。本文在 前人研究 的基础 上, 建立了一个气 固鼓泡自由 流化床的流动模型, 讨论了包括气体流速、 空隙率、 床体和分布板尺寸、 处理能力和内部流态化流型判断等多方面的内容, 为流化床主体设备的设计、 工艺设计和工艺模型的 建立提供了参考。
1. 1. 4 实际操作气速 实际操作气速 ( u 0 ) 选定的一般依据是流化数, 即 u0 / um f 。通常为 1 5~ 10, 但根据需要也有高达几 十甚至几百的。除使用流化数确定外, 还可按照 u0 / ut = 0 1~ 0 4 的原则进行选取 [ 5] 。所用气体流速一 般在 0 15~ 0 5 m/ s 左右。需注意的是, 在实际操 作中 u t 并不是 u 0 的上限 , 如使用循环流化床或多 ( 2) g
A Flow Model for Fluidized Bed Reactor
ZH OU Ji liang 1 , WANG Chen1 , XU H ui1 , ZOU Zong shu1 , YU Ai bing 1, 2
( 1. Colleg e o f M ater ial and M etallur gy , N o rtheast ern U niversity, Shenyang 110004, Liaoning, China; 2. Center fo r Simulation and M o deling o f Par ticulate Systems, School of M ater ials Science and Eng ineering, U niver sity o f N ew South Wales, Sydney , N SW 2052, Austr alia) Abstract: A flow mo del based o n theor etic analysis was dev elo ped to represent F BR ( Fluidized Bed R eacto r) . Some equatio ns w ere g iv en to confirm parameters of fluidized bed reactor , such as gas v elo city, r eacto r size, and pro duc tio n capabilit y and so o n. A cr iter ion w as pr oposed to judg e the fluidizat ion reg ime. Results of the given example show goo d co nsistency w ith that of literat ur e. Par ameters result fr om above mo del is reasonable. T he model pro vides a go od guidance for fluidized bed r eactor iro n making pr ocess. Key words: fluidized bed reactor ; flow model; r eductio n o f iro n o re fines; iro n making
根据铁矿粉的还原过程动力学分析, 可得还原 率( R ) 与时间( t) 的关系式( 10) [ 7] : R= 5 k dp
p 3
A
t - 7. 5
3
k dp
p
2
A
t + ( 10)
2
4. 5
k A t dp p
临界床层高 , m; 流化床半径, m 。
[ 5]
A = 1+ K ( c0 - cr ) K k 反应速率常数 平衡常数 K ( 6) 1. 4
1
流动模型
在流态化理论中固体颗粒根据粒径、 密度以及
流态化气体的密度、 粘度、 速度等性质 , 可分为图 1 所示的几种流态化流型。
修订日期 : 2007 05 20
40பைடு நூலகம்
中国冶金
第 17 卷
图 1 流态化 流型 Fig. 1 Flow regimes of fluidization
1. 1
气体流速 流化床的气体流速包括临界流态化气速、 实际操
g
+ 0. 41
)
1 2
1. 2. 1 空隙率
气体的动力粘度 , P a s; 颗粒的密度, kg m - 3 ; 气体的密度, kg m - 3; 颗粒的雷诺数, R ep = d p u g / , 下同。
( 18R ep + 0. 36R ep ) d
3 p
2
0. 21
( 4)
p 2
是阿基米德数, A r =
采用流化床反应器还原铁矿粉炼铁日益受到人 们的重视。目前已开发了众多以流化床为还原设备 的工艺, 诸如韩国 奥地利的 FINEX 法、 澳大利亚的 H ISM EL T 法、 日本的 DIOS 法以及委内瑞拉 - 奥 地利的 FINM ET 法等 [ 1] 。 自 1922 年流态化粉煤气化专利发表以来, 流化 床就广 泛 应用 到工 业 中。 Wen、 Yu、 Daizo Kunii、 H aider 以及白丁荣、 金涌、 祝京旭、 陈甘棠等国内外 众多知名学者对流化床进行了深入的研究。其中, Daizo Kunii 和 Oct ave L ev enspiel 研究后建立了循 环流化床的一个比较全面的流动和接触模型[ 2] , 该 模型对流态化 气速、 空隙率、 气 固相的接触等进行 了详细的描述, 但该模型并未涉及到流化床床体、 分 布板参数和流态化气泡尺寸等的确定方法, 以及判 断发生节涌流态化依据等方面的内容。中国科学院 化工冶 金 研究 所 的 王立 新 也 建立 了 一 个流 动 模 型[ 3] , 确定了流态化气速、 空隙率、 分布板设计等方
分离高度 H 由式 ( 6)
3
计算 , 即:
1. 55 - 1. 1
式中
L0
H = 1. 2 ! 10 L 0 Re p A r 流化床的静床高, m 。
式 ( 6) 在 15< R ep < 300 同时 1 95 ! 104 < A r < 6. 5 ! 105 时适用。 流化床反应器总高度的最小值 H bedm in 应是床层 最大高度 L max 和分离高度 H 之和 , 即 H bedm in = L m ax + H。 1. 2. 3 气体分布板 气体分布板的主要作用是将流态化气体均匀地 分布在整个床层截面上, 在许多情况下, 它还可起到 支撑流态化颗粒的作用。 分布板须有足够的压降才能保证气体在整个床 层 截 面 上 的 均 布, 分 布 板 的 压 降 应 约 不 小 于 3432 31 Pa 。 分布板单位截面上的开孔数 N 0r 可用式( 7) 算, 即 : N or = 式中 1. 3 ∀ 2 d 0r C d 4 u0 2 #P d
41
H ( 即分离高度 - T ranspo rt Diseng ag ing H eight , 简 称 T DH 或 H ) 。 床层最大高度由式( 5) [ 6] 确定, 即 : L m ax = 1+ 式中 L max L mf D u 0 - um f L mf 0. 35 4gD 床层最大高度 , m ; ( 5)
Xi 第 i 粒级的质量分数。 1. 1. 2 临界流态化气速 根据颗粒雷诺数 ( R ep ) 不同 ( 即粒径不同) 临界 流态化气体流速 ( u mf ) 可按式 ( 2) [ 4] 分别计算 , 即 : u mf = u mf = u mf = 式中
p g
d g ( p1 650
2 p
g
)
, R ep < 20
计算过程中应使用具有代表性的小粒径颗粒。不同 雷诺数范围内 u t 的计算见式( 3) ut = ut = ut = 式中 d
2 m in [ 4]
:
作气速、 终端气速等, 各种气速均与固体颗粒的粒径、 气 固相间的密度差以及气体的粘度等性质有关。 1. 1. 1 粒径 粒径是流化床体系中最基本的参数之一, 通常 采用等比表面积平均当量直径 ( d p ) , 即: dp = 式中 di ni d 3 i 2= ni d i 1 ( Xi/ d i) ( 1)