流化床反应器描述
流化床反应器
流化床反应器fluidized bed reactor(FBR) :一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。
在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。
流态化过程：当流体向上流过颗粒床层时，其运动状态是变化的。
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。
当流速增加到某一速度之后，颗粒不再由分布板所支持，而全部由流体的摩擦力所承托。
此时，对于单个颗粒来讲，它不再依靠与其他邻近颗粒的接触而维持它的空间位置，相反地，在失去了以前的机械支承后，每个颗粒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。
这种状态就被称为流态化。
颗粒床层从静止状态转变为流态化时的最低速度，称为临界流化速度。
流化床的性质：（1）在任一高度的静压近似于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重量；（2）无论床层如何倾斜，床表面总是保持水平，床层的形状也保持容器的形状；（3）床内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔口中排出；（4）密度高于床层表观密度的物体在床内会下沉，密度小的物体会浮在床面上；（5）床内颗粒混合良好，因此，当加热床层时，整个床层的温度基本均匀。
一般的液固流态化，颗粒均匀地分散于床层中，称之为“散式”流态化；一般的气固流态化，气体并不均匀地流过颗粒床层，一部分气体形成气泡经床层短路逸出，颗粒则被分成群体作湍流运动，床层中的空隙率随位置和时间的不同而变化，因此这种流态化称为“聚式”流态化。
与固定床反应器相比，流化床反应器的优点是：①可以实现固体物料的连续输入和输出；②流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反应。
但另一方面，由于返混严重，可对反应器的效率和反应的选择性带来一定影响。
再加上气固流化床中气泡的存在使得气固接触变差，导致气体反应得不完全。
因此，通常不宜用于要求单程转化率很高的反应。
流化床反应器概述
流化床简介按照床层的外形分类可分为圆筒形和圆锥形流化床。
圆筒形流化床反应器结构简单，制造容易，设备容积利用率高。
圆锥形流化床反应器的结构比较复杂，制造比较困难，设备的利用率较低，但因其截面自下而上逐渐扩大，故也具有很多优点： 1、适用于催化剂粒度分布较宽的体系由于床层底部速度大，较大颗粒也能流化，防止了分布板上的阻塞现象，上部速度低，减少了气流对细粒的带出，提高了小颗粒催化剂的利用率，也减轻了气固分离设备的负荷。
这对于在低速下操作的工艺过程可获得较好的流化质量。
2、由于底部速度大，增强了分布板的作用床层底部的速度大，孔隙率也增加，使反应不致过分集中在底部，并且加强了底部的传热过程，故可减少底部过热和烧结现象。
3、适用于气体体积增大的反应过程气泡在床层的上升过程中，随着静压的减少，体积相应增大。
采用锥形床，选择一定的锥角，可适应这种气体体积增大的要求，使流化更趋平稳。
按照床层中是否设置有内部构件分类可分为自由床和限制床。
床层中设置内部构件的称为限制床，未设置内部构件的称为自由床。
设置内部构件的目的在于增进气固接触，减少气体返混，改善气体停留时间分布，提高床层的稳定性，从而使高床层和高流速操作成为可能。
许多流化床反应器都采用挡网、挡板等作为内部构件。
对于反应速度快、延长接触时间不至于产生严重副反应或对于产品要求不严的催化反应过程，则可采用自由床，如石油炼制工业的催化裂化反应器便是典型的一例。
按照反应器内层数的多少分类可分为单层和多层流化床。
对气固相催化反应主要采用单层流化床。
多层式流化床中，气流由下往上通过各段床层，流态化的固体颗粒则沿溢流管从上往下依次流过各层分布板，如用于石灰石焙烧的多层式流化床的结构。
按是否催化反应分类分为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。
以一定的流动速度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是气固相流化床催化反应器，它是气固相催化反应常用的一种反应器。
流化床反应器
概述
流化床反应器 （fluidized bed reactor） 是利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处 于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应 过程的反应器。在用于气固系统时，又称沸腾床反应器 流化床反应器通常为一直立的圆筒型容器，容器下部 一般设有分布板，细颗粒状的固体物料装填在容器内，流 体向上通过颗粒层，当流速足够大时，颗粒浮起，呈现流 化状态。由于气固流化床内通常出现气泡相和乳化相，状 似液体沸腾，因而流化床反应器亦称为沸腾床反应器。
△P-u关系图的应用：
• 观察流化床的压力降变化可以判断流化质量。 • 如：正常操作时，压力降的波动幅度一般较小， 波动幅度随流速的增加而有所增加。在一定的流 速下，如果发现压降突然增加，而后又突然下降， 表明床层产生了节涌（腾涌）现象。形成气栓时 压降直线上升，气栓达到表面时料面崩裂，压降 突然下降，如此循环下去。这种大幅度的压降波 动破坏了床层的均匀性，使气固接触显著恶化， 严重影响系统的产量和质量。有时压降比正常操 作时低，说明气体形成短路，床层产生了沟流现 象。
5
1/ 2 ep
当： 500 Rep 2 10 时 CD 0.43
这样，可得到ut计算式：
当Rep 0.4时 ut
2 gd p ( s f )
18
0.5 ep
2d p ( s f ) gR 当0.4 Rep 500时 ut 15 f
对球形粒子作力平衡：
6
d s g
3 p
6
d f g CDS
3 p
4
2 dp (
f ut2
2
)
CDS 为单颗粒的曳力系数 式中：
流化床反应器
CD 10 1 ,
Re
2 p
CD 0.43,
Re p 0.4 0.4 Re p 500 500 Re p 200000
带出速度
–对球形粒子
ut
d
2 p
(
p
18
)g
,
Re p 0.4
ut
[4 225
( p
)2
g2
1
]3
dp,
0.4 Re p 500
d pumf
[33.72
0.0408
d
3 p
(
p
2
)g 1 ]2
• 对小粒子
umf
d
2 p
(
p
)
g,
1650
Re p 20
• 对大粒子
um2 f
dp(p ) g, 24.5
Re p 1000
• 上述各式中，计算结果需用
Re
p
d pumf
第七章 流化床反应器
流化床中的两相运动 流化床中的传热和传质 流化床反应器的模拟和放大
7.1 流化床中的两相运动
概述 颗粒的流化特性 特征流速 气泡及其行为 分布板与内部构件 乳相动态 颗粒的带出和扬析
一、概述
床层颗粒运动形态
–流体自下而上流过床层，改变流体流速， 床层颗粒的运动形态的变化会有如下几种情 形
• 固定床 • 起始流化 • 散式流化（膨胀床） • 聚式流化（鼓泡床） • 节涌床 • 湍流床 • 气流输送
流化床反应器概念
流化床反应器概念
流化床反应器是一种用于化学反应或物理过程的设备，其特点是将固体催化剂或固体颗粒悬浮在气流中，形成类似于液体的流动状态，从而提高反应速率和转化率。
流化床反应器广泛应用于石油化工、环保、食品、制药等领域。
流化床反应器的工作原理是通过高速气体流动引起床层内颗粒
的悬浮，形成类似于流体的状态。
在这种状态下，固体颗粒与气体之间的传热和传质效果显著提高，反应速率和转化率也随之增加。
同时，床层内的颗粒也容易被混合和均匀分布，从而减少了温度和浓度的变化对反应的影响。
流化床反应器的优点包括反应速率快、转化率高、操作灵活、能耗低等。
此外，由于液体反应物或产物没有固定的界面，流化床反应器也适用于乳化催化剂、生物催化剂等特殊反应体系。
然而，流化床反应器也存在一些缺点，如固体颗粒的损失、床层内的气固流动不稳定等问题。
因此，在设计和运行流化床反应器时需注意这些问题。
总之，流化床反应器是一种重要的化工设备，可以提高反应效率和降低能耗。
随着技术的不断发展，流化床反应器在工业生产中的应用前景将会更加广阔。
- 1 -。
流化床反应器
流化床反应器1. 简介流化床反应器是一种广泛应用于化工领域的反应设备，其特点是颗粒固体在气体流动的作用下呈现流化状态。
流化床反应器具有高传热、高传质、均匀的温度和浓度分布等优点，因此在催化反应、气固反应、气液反应等方面具有重要应用价值。
2. 工作原理流化床反应器由反应器本体、气体分布器、颗粒固体循环器等组成。
在反应器中，气体经过气体分布器均匀地从底部进入反应器，使颗粒固体床呈现流化状态。
底部进入的气体将颗粒固体床推动向上运动，使其呈现明显的液化状态。
在流化床反应器中，颗粒固体的运动状态可以分为床层状态、混合带和床板状态三个区域。
•床层状态：床层状态是指颗粒固体床的顶层，颗粒固体处于相对松散的状态，在底部进气的作用下，床层呈现液化状态，颗粒固体浮在气体流中。
•混合带：混合带是床层状态和床板状态之间的过渡带，颗粒固体在这个区域内的运动状态介于床层状态和床板状态之间。
•床板状态：床板状态是指颗粒固体床的底部，床板上的颗粒固体比较密集，呈现固体状态，床板的作用是支撑颗粒固体床的运动并反应底部进入的气体。
3. 应用领域3.1 催化反应流化床反应器在催化反应方面有着广泛的应用。
其优点是具有较大的接触面积和较高的传质速率，可以提高催化反应的反应速率和转化率。
此外，流化床反应器还具有温度均匀和活性物质的均匀分布等特点，从而有助于提高催化反应的选择性和稳定性。
常见的催化反应包括催化裂化、催化重整、催化加氢等。
3.2 气固反应流化床反应器在气固反应方面也有着重要的应用。
气固反应是指气体与固体之间发生的化学反应。
流化床反应器由于其颗粒固体床的特点，使气体与固体之间的接触充分，从而实现高效的气固反应。
常见的气固反应包括氧化反应、还原反应、氯化反应等。
3.3 气液反应流化床反应器在气液反应方面也有广泛的应用。
气液反应是指气体与液体之间发生的化学反应。
流化床反应器可以通过调节气体和液体的进料速度和浓度，实现气液相的均匀分布和快速混合。
流化床反应器概念
流化床反应器概念
流化床反应器是一种广泛应用于化学工业中的反应器，它是一种高效
的反应器，能够实现高效的传质和反应。
流化床反应器的主要特点是
反应物在反应器中呈现出流化状态，即反应物在反应器中呈现出类似
于流体的状态，这种状态下反应物能够充分混合，反应速率也会得到
提高。
流化床反应器的主要构成部分包括反应器本体、气体分配器、床层材料、反应物进料口、产物出料口等。
反应器本体是流化床反应器的主
要部分，它通常由一个圆柱形的容器构成，容器内部填充有一定的床
层材料。
气体分配器是用来分配气体的装置，它通常位于反应器底部，能够将气体均匀地分配到床层中。
床层材料是反应器中填充的材料，
它通常是一些具有良好流动性的颗粒状物质，如砂子、石英砂等。
反
应物进料口和产物出料口则是用来进出反应物和产物的装置。
流化床反应器的工作原理是，反应物进入反应器后，通过气体分配器
将气体均匀地分配到床层中，使床层中的颗粒物质呈现出流化状态。
在这种状态下，反应物能够充分混合，反应速率也会得到提高。
反应
物在床层中反应后，产生的产物会随着气体一起流动，最终通过产物
出料口排出反应器。
流化床反应器具有许多优点，如反应速率快、传质效率高、反应物质
料利用率高等。
同时，流化床反应器也存在一些缺点，如床层材料易
于磨损、反应器内部易于积垢等。
因此，在使用流化床反应器时，需
要注意反应器的维护和清洗。
总之，流化床反应器是一种高效的反应器，能够实现高效的传质和反应。
它在化学工业中有着广泛的应用，是一种非常重要的反应器类型。
流化床反应器简介
流化床分类： 散式流化床聚Biblioteka 流化床液固流化为 散式流化
颗粒与流体之间的密度差是它们的主要 区别
气固流化为 聚式流化
散式流化床
以气泡形式夹带少量颗粒穿过床
层向上运动的不连续的气泡称为 气泡相
图1-1 流化床的模型
聚式流化床
颗粒浓度与空隙率分布 较为均匀且接近初始流 态化状态的连续相，称 为乳化相。
旋风分离器
塞阀
图1-4 塞阀的剖视图
翼阀
翼阀的作用：就是避免由于这 一压差的存在而使催化剂由料 腿倒窜。正常的情况下，翼阀 的翼板和阀座处于良好密阀的 状态。当料腿内的催化剂量蓄 积到料腿内的静压超过旋风器 的压降，以及翼阀上方床层静 压及找开翼阀所需压力这三者 之和时，翼阀及时自行打开， 料腿内的催化剂流入床层。若 料腿内的静压低于上述三者压 力之和时，翼阀自行关闭，防 止催化剂倒窜。
• 分布器 • 换热器 • 旋风分离器 • 塞阀 • 翼阀
分布器
图1-3-1平板型分布板
图1-3-2 拱型分布板
分布器的作用
• 气体分布器是流化床反应器的一个重要的 构件，气体分布器位于流化床底部
• 支撑全部催化剂颗粒，其作用是将反应气 体均匀地送入流化床
• 保证良好的起始流化条件和稳定操作状态， 其引发流化，维持床层颗粒连续运动和均 匀分布气体的作用。
气-固流化床反应器结构
气体 料锁
加料口 换热介质
循环管 换热介质 固体粒子
……….. ………. ..
气体
旋风分离器 壳体
内部构件 换热器 卸料口 气体分布板 预分布器
3
主体设备
壳 体 壳体 主要是保证流化过程局限在一定范围内 进行，对于存在有强烈放热或吸热过程， 保证热量不散失或少散失。
流化床反应器
• 聚式流态化：当流速进一步提高到起始鼓泡速度Umb时，床层从低部出 现鼓泡，整个床层中气泡不断产生和破裂，床层压降的波动明显增加， 颗粒不是均匀地分散于床层中，而是程度不同的一团一团聚集在一起作 不规则的运动。这种现象称为聚式流态化。这种床层称为聚式流化床或 鼓泡床。床面以下的部分为密相床（又称乳相）（密相床中形如水沸， 故又称沸腾床），床面上的部分为稀相床（又称气泡相）。
流态化的形成：
流体自下而上流过催化剂床层时，根据流体流速的不同，床层经历三 个阶段：
当流体流速很小时,固体颗粒在床层中固定不动,此时为固定床阶段。 当气速进一步加大时，床层高度逐渐增加，固体颗粒悬浮在气体中并 随气体运动而上下翻滚，此时为流化床阶段，称为流态化现象。开始流化
的最小气速称为临界流化速度 umf
验操作。
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精品文档
工业生产中常见流化床反应器形式
精品文档
精品文档
精品文档
循环流化床烟气脱硫装置
精品文档
鼓泡流化床反应器
精品文档
第一节 固体流态化的基本特征
一、固体流态化现象
流态化——固体粒子象流体一样进行流动的现象。除 重力作用外，一般是依靠气体或液体的流动来带动固体粒子 运动的。
当流体速度更高时，固体颗粒就不能沉降下来，正常的流化状态被 破坏，整个床层的粒子被气流带走,床层上界面消失,床层处于气流输送阶
段。此时的速度称为带出速度，也精称品文最档大流化速度ut 或终端速度。
ΔP
流化床反应器
500 固定床
fluidized reactor 300
200
流化床
夹带开始 ΔP=W/At
流化床反应器在现代工业中的早期应用为20世纪20年代出现的粉
7.1流化床反应器
µ
5.3 × 10 −3 × 0.733 × 10 −3 × 0.058 = = 6.09 × 10 − 4 < 20 3.7 × 10 − 4
（3）计算ut： ）计算
• 如果全床空隙率均匀，处于压力最低处的床顶 如果全床空隙率均匀， 粒子将首先被带出，故取最小粒子 粒子将首先被带出，故取最小粒子dp=10µm计 µ 计 算。设Re<0.4
再 生
石油 催化 空气 剂输 消除内扩散；固定床因有△ 限制不能用 消除内扩散；固定床因有△P限制不能用 送
3. 强放热反应 氧化反应：萘氧化剂制苯酐需熔盐冷却； 氧化反应：萘氧化剂制苯酐需熔盐冷却； 丙烯氨氧化法制丙烯腈
流化床反应器的优点：（ 流态化技术） 流化床反应器的优点：（ 流态化技术）
• 传热效能高，且床内温度易于维持均匀； 传热效能高，且床内温度易于维持均匀； • 大量固体粒子可方便地往来输送； 大量固体粒子可方便地往来输送； • 由于粒子细，可消除内扩散阻力，充分发挥催 由于粒子细，可消除内扩散阻力， 化剂的效能。 化剂的效能。 缺点： 缺点： 1. CSTR：转化率甚至小于CSTR（气泡短路） ：转化率甚至小于 （气泡短路） 2. 颗粒磨损：催化剂要贱，设备要被磨 颗粒磨损：催化剂要贱， 3. 气流出口分离粉尘，回收系统麻烦 气流出口分离粉尘， 4. 副反应：∵RTD太宽 副反应： 太宽
压力波动 达极大值 聚式 压力波动 趋于0 快床 Uc 相变 泡分散相 湍床 Cluster 分散相 Ut 夹带
散式
0
Umf
Ub 鼓泡床
快 床 颗 粒 的 径 向 分 布
颗粒含率 实际分布 模型分布 高 度
气流输送 快床 湍流床 鼓泡流化床 0.2 0.4 0.6 密度
流化床反应器
（2）分布板的作用 ①具有均匀分布气流的作用，同时其压降要小。 ②能使流化床有一个良好的起始流态化状态。 ③操作过程中不易被堵塞和磨蚀。 （3）分布板的压力降计算
pD 9.807 D C
u f
2
CD
2 2 g
开孔率；
阻率系数，其值在1.5-2.5
（4）设计或选择分布板的基本要求
气体分布均匀，防止积料， 结构简单，材料节省， 压降合理。
以气泡形式夹带少 量颗粒穿过床层向 上运动的不连续的 气泡称为气泡相
颗粒浓度与空 隙率分布较为 均匀且接近初 始流态化状态 的连续相，称 为乳化相。
1、流态化的形式 3.两种流化态的判别
①一般情况两种流化床的判别：
液固流化为散式流化 散式流化床 颗粒与流体之间的密度差是它们主要区别 聚式流化床
气固流化为聚式流化
2、流化床床反应器的工艺计算
首先选型 再确定床高床径，内部构件 最后计算压力降
①选型： 主要应根据工艺过程特点来考虑，即化学 反应特点、颗粒或催化剂的特性、对产品的要 求即生成规模
②
流化床的直径
1 2 273 p Q DR u 3600 4 T 1.013 10 5
DR 4 1.013105 TQ 273 3600 up 4.132 TQ 982800 up
模型的类别
（1）简单均相模型 （2）两相模型
{
全混流模型
活塞流模型
{
气泡相（活塞流）— 乳化相（活塞流） 气泡相（活塞流）— 乳化相（全混流） 下流相（气+固）
（3）三相模型
{ 气泡相—上流相（气+固）—
气泡相— 气泡云—乳化相
其它还有气泡模型、四区模型等，有些模型还考虑了分布器和 自由空间等的影响。
第七章 流化床反应器
ΔPd 为床层压
ΔPb 的 10%～20%，开孔率约 1%。 u or ：
2 Δp d
设计筛孔分布板，先求小孔阻力系数，在求小孔气速
' ( u or = c d
ρ
π
)1 / 2
定出开孔数
N or ：
2 N or = u o /( d or or ) 4
2．内部构件：为了传热或控制气——固间接触，常在床内设置内部构件。 7.1-6 乳相的动态
500 < Rep < 200,000
130
化学反应工程课程讲稿
CD =
24 0.8431g
φs
Rep < 0.05 Rep 2 × 10 3 < Rep < 2 × 10 5
0.065 C D = 5.31 − 1.88φ s
Rep < 0.4
可利用公式，可用来考察对于大，小粒子范围的大小 细粒子
U br
u br = 0.711( gd b )1 / 2
d b = 0.853 1 + 0.272(U − U mf )
[
]
1/ 3
(1 + 0.0684 ρ )1.21
0.7
(U − U mf ) ⎡ At 4 / 7 ⎤ 1.5 g 1 / 7 + 1 ( ) ⎥ d b = 1.28 ⎢ 2/7 no g 0.3 ⎢ (U − U mf ) ⎥ ⎣ ⎦
3
(二维床)
(三维床)
Rc , Rb 分别为气泡云及气泡的半径
三维床指一般的圆柱形床，二维床为截面狭长的扁形床 气泡中气体的穿流量 q
q = 4u mf Rb = 4u f ε mf Rb
(二维床 )
流化床反应器的类别
流化床反应器的类别流化床反应器是一种广泛应用于化工领域的反应器，根据不同的反应类型和要求，可以分为多种不同的类别。
本文将介绍几种常见的流化床反应器类别，包括催化剂流化床反应器、液固两相流化床反应器、生物质流化床反应器和气固两相流化床反应器。
一、催化剂流化床反应器催化剂流化床反应器是指在反应床中使用催化剂来催化反应的流化床反应器。
它具有催化剂与反应物之间接触面积大、传质速度快、反应效率高的特点。
催化剂流化床反应器广泛应用于石油化工、化学制药、环保等领域。
例如，在石油化工中，催化剂流化床反应器常用于催化裂化、加氢、脱氢等反应过程中。
二、液固两相流化床反应器液固两相流化床反应器是指在反应床中同时存在液体和固体两相的流化床反应器。
液固两相流化床反应器常用于液相催化反应、氧化反应、水解反应等。
它具有传质速度快、反应效率高、携带液体催化剂方便等优点。
在化工生产中，液固两相流化床反应器广泛应用于酯化、醚化、氧化等反应过程中。
三、生物质流化床反应器生物质流化床反应器是指在反应床中利用生物质作为原料进行反应的流化床反应器。
生物质流化床反应器主要用于生物质能源转化和生物质化学品的生产。
生物质流化床反应器具有能源效率高、废弃物资源化利用等优点。
在生物质能源领域，生物质流化床反应器被广泛应用于生物质燃烧、生物质气化等过程中。
四、气固两相流化床反应器气固两相流化床反应器是指在反应床中同时存在气体和固体两相的流化床反应器。
气固两相流化床反应器常用于气相催化反应、气体分离、吸附等。
它具有气体和固体之间传质速度快、反应效率高、易于分离固体产物等优点。
在化工生产中，气固两相流化床反应器广泛应用于合成氨、裂解氨、高分子聚合等过程中。
总结：流化床反应器是一种重要的反应器，在化工领域具有广泛的应用。
根据不同的反应类型和要求，流化床反应器可以分为催化剂流化床反应器、液固两相流化床反应器、生物质流化床反应器和气固两相流化床反应器等类别。
每种类别的流化床反应器都有其独特的特点和应用领域。
流化床反应器的类别
流化床反应器的类别流化床反应器是一种广泛应用于化工、石化等领域的反应设备。
根据反应物料的状态和反应过程的特点，流化床反应器可以分为多种不同的类别。
本文将从不同角度介绍几种常见的流化床反应器类别。
一、按反应物料状态分类根据反应物料的状态，流化床反应器可以分为气体流化床反应器、液体流化床反应器和气液流化床反应器三种类别。
1. 气体流化床反应器气体流化床反应器主要用于气相反应，反应物料以气体形式进入反应器，并在床层内与固体催化剂或吸附剂进行反应或吸附。
气体流化床反应器具有良好的传质和传热性能，反应速率高，操作灵活等优点。
2. 液体流化床反应器液体流化床反应器主要用于液相反应，反应物料以液体形式进入反应器，并与固体催化剂或吸附剂在床层内进行反应或吸附。
液体流化床反应器具有较大的反应体积和接触面积，反应速率较快，能够实现高效的传质和传热。
3. 气液流化床反应器气液流化床反应器是气体流化床反应器和液体流化床反应器的结合，反应物料既包括气体又包括液体。
气液流化床反应器广泛应用于气液相催化反应、气液相吸附等过程。
二、按反应过程特点分类根据反应过程的特点，流化床反应器可以分为均相反应器和非均相反应器两种类别。
1. 均相反应器均相反应器是指反应物料和催化剂在反应过程中处于相同的物理状态，比如气体与气体的反应、液体与液体的反应等。
均相反应器具有反应速度快、反应条件容易控制等优点，广泛应用于化学工业中。
2. 非均相反应器非均相反应器是指反应物料和催化剂在反应过程中处于不同的物理状态，比如气体与固体的反应、液体与固体的反应等。
非均相反应器具有较大的反应接触面积，可以实现高效的传质和传热，适用于一些困难的反应。
三、按反应过程控制方式分类根据反应过程的控制方式，流化床反应器可以分为等温流化床反应器和非等温流化床反应器两种类别。
1. 等温流化床反应器等温流化床反应器是指反应过程中反应床温度保持恒定不变。
等温流化床反应器通常采用外部换热器或循环流体方式控制床温，以确保反应过程的稳定性和高效性。
流化床反应器简介
流化床反应器简介一、概述流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态 ，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。
在用于气固系统时 ，又称沸腾床反应器。
流化床反应器在现代工业中的早期应用为2O世纪2O年代出现的粉煤气化的温克勒炉，但现代流化反应技术的开拓，是以4O年代石油催化裂化为代表的。
目前，流化床反应器已在化工、石油、冶金、核工业等部门得到广泛应用。
二、基本流态化现象固定式和临界流化态将一批固体颗粒对方在多孔的分布板上形成床层（图1），使流体自下而上通过床层。
由于流体的流动及其与颗粒表面的摩擦，造成流体通过床层的压力降。
当流体通过床层的表观流速(按床层截面计算的流速)不大时，颗粒之间仍保持静止和互相接触，这种床层称为固定床。
当表观流速增大至起始流化速度时，床层压力降等于单位分布板面积上的颗粒浮重（颗粒的重力减去同体积流体的重力），这时颗粒不再相互支撑，并开始悬浮在流体之中。
进一步提高表观流速，床层随之膨胀，床层压力降近乎不变，但床层中颗粒的运动加剧。
而当流速达到某一限值，床层刚刚能被流体拖动时，床内颗粒就开始流化起来了，这时的流体空床线速称为临界流化速度。
散式流态化和聚式流态化这两种流态化现象，是根据流化床内颗粒和流体的运动状况来区分的。
在散式流态化时，颗粒均匀分布在流体中，并在各方向上作随机运动，床层表面平稳且清晰，床层随流体表观流速的增加而均匀膨胀。
在聚式流态化时，床层内出现组成不同的两个相，即含颗粒甚少的不连续气泡相，以及含颗粒较多的连续乳化相。
乳化相的气固运动状况和空隙率，与起始流化状态相近。
通过床层的流体，部分从乳化相的颗粒间通过，其余以气泡形式通过床层。
增加流体流量时，通过乳化相的气量基本不变，而气泡量相应增加。
气泡在分布板上生成，在上升过程中长大；小气泡会合并成大气泡；大气泡也会破裂成小气泡。
气泡上升至床面时破裂，使床面频繁地波动起伏，同时将一部分固体颗粒抛撒到界面以上，形成一个含固体颗粒较少的稀相区；与此相对应，床面以下的床层称为浓相区。
流化床反应器
P
P
)0.94
0.88 0.06
m S
（7-9）
dp
1/ xi d pi
粒子平均直径m
S
粒子密度kg/m3
流体密度kg/m3
流体粘度（厘泊）
（3）带出速度ut (终端速度)
当气速增大到某一定值时，流体对粒子的曳力与粒子的重力相等，
则粒子就会被气流所带走。这一速度称带出速度。
对于球形粒子，作力的平衡有：
（7-1）
对已经流化起来了的床层，如将气速减小，则△P将循着图中的实
线返回，不再出现极值，而且固定床的压降也比原先的要小，这
是因为粒子逐渐静止下来时，大体保持着流化时的空隙率所致。
② 起始(或称最小)流化速率umf
起始流化速度(umf)：刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流速。 从图中实线的拐弯点就可定出起始(或称最小)流化速率umf 。
扩大段高度一般可取：
③ 锥底高度h3
h2 D2
h3
1 2
Dctg
2
通常锥顶角θ=60度或90度
④ 流化床总高度： H h1 h2 h3
7.2.2 气泡及其行为
一般认为在流化床反应器中，除部分气体以起始流化速度流经粒
子间的空隙外，多余的气体都以气泡
状态通过床层，因此通常把密相床部
乳化相
分分为两相：气泡相和乳化相（气泡 气泡云 以外的密相床部分）。
① 沟流 产生原因：颗粒粒度小、气流速度小、分布板设计不合理、固
体物料潮湿或有粘性等。
② 腾涌(通常仅发生在小床） 产生原因：颗粒大、密度大、气速大、床高与床径比大等。
（5） 各种类型流化床简介
自由床 多段床 限制床 双体床
提升管 反应器
流化床反应器
流化床反应器
流化床反应器是一种在化学反应或固体催化反应中广泛应
用的特殊反应器。
它采用一种称为流化床的技术，通过在
床层中通入气体或液体以使颗粒物质悬浮和流动。
流化床
反应器具有以下特点：
1. 高传质和传热效率：由于颗粒物质在床层中悬浮和流动，流化床反应器能够实现反应物质与催化剂或固体颗粒的充
分接触，从而提高传质和传热效率。
2. 反应条件易于控制：通过调节床层中的气体或液体速度、温度和压力等参数，可以精确控制反应条件，以实现特定
的反应效果。
3. 高催化活性：流化床反应器中的催化剂颗粒可以均匀悬
浮在床层中，不会发生聚集或堵塞现象，从而保证催化剂
的活性和稳定性。
4. 高载体利用率：由于颗粒物质在床层中悬浮和流动，催
化剂的载体利用率较高，不会出现局部堵塞现象。
5. 反应器结构简单：流化床反应器的结构相对简单，易于
操作和维护。
流化床反应器在许多领域中应用广泛，例如石油化工、化
学工程、环保等领域。
它被用于各种气相、液相和固相反应，例如氢化反应、氧化反应、催化裂化、流化床燃烧等。
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流化床中的两相运动
流化床中的传热和传质
流化床反应器的模拟和放大
7.1 流化床中的两相运动
概述 颗粒的流化特性 特征流速 气泡及其行为 分布板与内部构件 乳相动态 颗粒的带出和扬析
一、概述
床层颗粒运动形态
–流体自下而上流过床层，改变流体流速， 床层颗粒的运动形态的变化会有如下几种情 形
re rb rc 1 f (1 mf )(1 b )
mf
Vw ] Vb
b
b
五、分布板与内部构件
分布板
–分布板设计的好坏对于流化床的操作有很大的影响 –型式
• 单层的筛板、凹形筛板、多层筛板、夹层填料、管式分布 器、泡帽、侧缝锥帽
–分布板影响区
• 气体从分布板上的气孔中流出来时，由于气速很高，可能 形成一股喷射流，使得在近分布板区，气-固接触剧烈， 传热、传质速率高，因此，反应转化快 • 一般认为，其影响范围大致在250mm的高度左右
mf
Rc 2 ubr u f ( ) Rb ubr u f Rb ubr u f
–气泡云相对厚度
• 二维床
• 三维床 ( Rc )3 ubr 2u f
–式中，Rc、Rb分别为气泡云和气泡的半径。
–尾涡体积
Vm 1 3 Vb
–全部气泡占床层的体积分率
b
L f Lmf Lf u0 umf ub umf (1 ) u0 umf ub
• 用于催化裂化
–粒子细，可消除内扩散阻力，充分发挥催 化剂的效能
流化床反应器的缺点
–气流状况不均，有大量气泡产生，气-固两 相接触不够有效，达到高转化率较困难 –粒子运动全混式，停留时间不均一，以粒 子为加工对象时，产品质量不一 –粒子磨损，带出造成粒子损失，需加旋风 分离器等粒子回收系统
二、颗粒的流化特性
操作气速
–一般而言，流化床的操作气速范围为：
umf u0 ut
–对细粒子
Re p 0.4, , p 1000 ut 91.6 umf ut 8.72 umf
–对大粒子 Re
–可见，
ut 10 ~ 90 umf u0 1.5 ~ 10 umf
–一般，取流化数
• 可取
u0 0.15 ~ 0.5m / s
g,
Re p 1000
Re p d p umf
• 上述各式中，计算结果需用
来检验
带出速度
–当气速增大到某一定值时，流体对粒子的 曳力与粒子的重力相等，则粒子就会被气流 带走。这一速度称为带出速度（或称终端速 度），与粒子的自由沉降速度 –粒子的力平衡
1 d p 2 d3 ( ) C ( )ut p p D 6 2 g 4
–起始流化速度计算公式
1.75
3 s mf
(
d p umf
3 150 ( 1 ) d u d mf p mf p( p )g 2 ) ( ) 2 3 2
s mf
• 对小粒子，左侧第一项可忽略
umf
3 ( s d p )2 p mf g , 150 1 mf
2 s
14,
1 mf
3 mf
11
d p umf
[33.7 0.0408
2
d3 p ( p )g
2
]
1
2
• 对小粒子 • 对大粒子
umf
d2 p ( p ) 1650
g,
Re p 20
u
2 mf
d p ( p ) 24.5
气泡中的粒子含量
（粒子体积与气泡体积之比） –气泡中
rb 全部气泡中粒子体积 0.001 ~ 0.01 全部气泡的总体积
• 可忽略不计
–气泡晕中
rc (1 mf ) [
3umf 0.711( g d b )
mf
1 2
umf
–乳相中：
• 粒子体积与气泡体积之比re满足：
d b 0.853 1 0.272(U U mf )
13
(1 0.0684 l )1.21
0.7
U U mf At 4 7 1.5 g d b 1.28 ( ) 1 0.3 2 7 g (U U mf ) n0
17
气泡云与尾涡
ubr u f umf
Re p 0.05 2 103 Re p 2 105 0.05 Re p 2 103
Re p d p umf
0.065 C D 5.31 1.88 s ,
CD 教 材 中 p 220, 表7 1 1,
–上述各式中，计算结果需用 验
来检
– D：颗粒过大，适用于喷动床；
• dp >1000μ m，ρ
p
>0.5 g/cm3
三、特征流速
起始流化速度（最小流化速度）
–指刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流 速 –采用测定床层压降变化的方法来确定
起始流化速度（最小流化速度）
–流化床的压降计算公式
P W Lmf (1 mf )( p ) g At
数学模型
– 常见模型
• 两相模型：气相-乳相；上流相（气+固）-下流相（气+ 固）； 气泡相-乳相； • 三相模型：气泡相-上流相（气+固）-下流相（气+固）； 气泡相-气泡云-乳相； • 四区模型：气泡区-泡晕区-乳相上流区-乳相下流区
–流动模式
• 气相：平推流 • 乳相：平推流、全混流、部分返混流、环流、或对其流动 模式不加考虑等
• 固定床 • 起始流化 • 散式流化（膨胀床） • 聚式流化（鼓泡床） • 节涌床 • 湍流床 • 气流输送
床层的划分
–依据颗粒浓度，分为上下两部分
• 上部：稀相床 • 下部：密相床 /浓相床
流化床反应器的优点
–传热效能高，床内温度易控制
• 用于氧化、裂解、焙烧、干燥等过程
–大量固体颗粒可方便地往来运输
四、气泡及其行为
气泡结构
–气泡
• 气泡相
–（气泡+气泡云+尾涡）或（气泡+气泡晕）
–气泡以外的密相床
• 乳（浊）相
气泡速度和大小
–单个 –气泡群
ubr 0.711 ( g d b )
1 2
ub u0 umf 0.711 ( g d b )
1
2
–床径、分布板对ub有影响 –气泡大小
uor C (
' d
2Pd
N or u0
4
u0
)
1
2
2 d dr uor
( N or : 单 位 面 积 上 的 开 孔 数 ）
uor
:开孔率
内部构件
–垂直管、水平管、多孔板、水平挡网、斜 片百叶窗挡板等
六、乳相动态
颗粒
–全混式
气流
–气泡区、泡晕区、上流区、回流区
2 2 4 ( p ) g 13 ut [ ] dp, 0.4 Re p 500 225 3.1d p ( p ) g 1 2 ut [ ] , 500 Re p 200000
–而对非球形粒子：
CD 24 0.8431g
s
, Re p
七、颗粒的带出和扬析
扬析
–气流连续通过床层时，床层内那些带出速 度小于操作气速的颗粒将不断被带出去的现 象
扬析速度 扬析常数
1 dw w Ke At dt W
Ke u ,
n 0
n4~7
扬析常数
–实验关联式
( Ked p
)
gdp (u0 ut )
2
扩大段
–在流化床顶部安装一个扩大段，使气速降 低，让更多的粒子沉析下来，从而减轻了旋 风分离器的负荷
旋风分离器
7.2 流化床中的传热和传质
床层与外壁间的给热 床层与浸没于床内的换热面之间的给热
–垂直管 –水平管
颗粒与流体间的传质 气泡与乳相间的传质
7.3 流化床反应器的模拟和放大
0.0015 (
d p ut g
) 0.01(
0.6
d p ut g
)1.2
沉降分离高度（T.D.H.）
–流化床内，扬析的粒子浓度随床层高度的 位置变化而变化，当达到某一高度后，能够 被重力分离下来的颗粒都已沉析下来，只有 带出速度小于操作气速的颗粒才会一直被带 走，因此，以上区域颗粒的含量接近于恒定， 这一高度称为(沉降)分离高度(T.D.H.) –这一高度就是旋风分离器的第一级入口位 置
Re p 20
• 对大粒子，左侧第二项可忽略
u
2 mf
sd p p 3 g mf , 1.75
Re p 1000
起始流化速度（最小流化速度）
–起始流化速度计算公式
• 床层空隙率ε
mf和颗粒形状系数φ s
–查表或查图得到 –近似地取：
1
3 mf
s • 由此，前面的三个方程式可写为
分布板
–分布板的设计