第五篇流态化技术

第五篇

流态化技术

一、流态化的形成和转化

1．固定床、流化床及稀相输送

①当气速较小时，催化剂堆紧，为固定床阶段；

②当气速增达到一定程度以后，床层开始膨胀，为膨胀床；

③当u=umf时，固体粒子被气流悬浮起来做不规则运动，为流化床阶段；

④继续增大气速至u=ut，催化剂开始被气流带走，为稀相输送阶段

因此，固体颗粒的流化可根据气速划分成三个阶段：

①固定床阶段，u

②流化床阶段，umf

③稀相输送阶段，u>ut

在固定床阶段，气体通过固定床颗粒之间的空隙时，因有摩擦阻力而产生压降，摩擦阻力与气体流速的平方成正比，故u↗，床层压降↗

当床层所受压力达到平衡时，床层被悬浮起来而颗粒自由运动。床层受三个力作用：重力、摩擦力和浮力。对催化剂来说，其摩擦力与床层压降有关:

➢固体颗粒的重量为一定值，即V(1-ε)为一定值，因此当气速增大时，V↗，ε↗，但V(1-ε)不变，因此，△P.F也不变

➢随着气速上升，所受摩擦阻力增大，当u达到ut时，催化剂的浮力比重力大了，催化剂也就被气体带走了

2．气-固流态化域

根据流化床中气体的表观气速不同，床层可以分为几种不同的流化状态:固定床、散式流化床、鼓泡流化床、湍动床、快速床和输送床

①固定床

②散式流化床

③鼓泡流化床

④湍动床

⑤快速床

⑥输送床

二、流化床的一些基本现象

1．散式流化

➢没有聚集现象，床层界面平稳，随着气速的增大，床层的空隙率增大，床层膨胀

➢可以用床高与起始流化时的床高之比LB/Lmf来表示床层的膨胀程度，亦称膨胀比➢影响膨胀比的因素有固体颗粒的性质和粒径、气体的流速和性质、床径和床高等

➢在催化裂化装置中，催化剂的密相输送就是处于散式流化状态

2．鼓泡床的一些基本现象

➢鼓泡床的固体颗粒不是以单个而是以集团进行运动的

➢鼓泡床的床层包括气泡相和颗粒相两部分

①气泡的形状

②气体返混和固体返混

③气泡的形成

④气节和沟流

⑤密相床和稀相

➢在流化床床层的顶部有一个波动的界面，界面以下成为密相床，界面以上的空间称为稀相

➢气速较低时，稀相和密相之间有明显的界面；随着气速的增大，密相床的密度变小而稀相的密度增大，两相之间的界面逐渐变得不明显

⑥催化剂的夹带

➢被固体带到稀相的固体颗粒可以分为两部分：

★细颗粒：终端速度低于表观速度

★较粗颗粒：终端速度比表观速度大

⑦输送分离高度(分离空间高度)

➢随着气体离开床面向上运动，沿整个容器截面的速度分布趋于均匀，当气体上升至某个高度时，气体分布达到均一，等于表观气速，此时的高度(以床面为基准)即称为“空间分离高度”或“输送分离高度”

➢能够继续随气体上升至输送分离高度以上的颗粒只是那些终端速度低于表观气速的细粉，也就是说，在稀相段的颗粒浓度随高度增加而减小，到达输送分离高度以后，颗粒浓度不再降低

4．快速流化床

➢随着气速的增大，当气速达到ufp时，即进入快速床阶段，此时，必须依靠提高固体颗粒的循环量才能维持床层密度

➢形成快速流化床的基本前提条件是：

①流化固体是细颗粒；

②气速超过固体颗粒的终端速度，ufp=3～4ut；

③有一定的循环量，以保证床层有一定的密度。

➢快速流化床的特点是：

①床层很均匀；

②采用气速高、处理量大；

③气固接触良好

5．流化床反应器的特点

其优点有：

①由于返混和传热效率高，床层各部分温度较均匀，避免了局部高温现象，对强放热反应(再生)，可采用较高的反应温度以提高反应速度；

②气-固运动很激烈，且固体颗粒的直径很小，因此气固之间的传质效率高，提高了传质步骤的速率，对于扩散控制的化学反应特别有利；

③固体处于流化态，具有流体一样的流动性，装卸、输送都很方便；

④催化剂在反应器和再生器之间大量循环，简化了设备，又传送了大量的热量，可以进行自动控制

流化床的不足之处主要表现在：

①气固接触不充分，因此一般鼓泡床很难达到很高的转化率；

②气固流化床由于返混造成催化剂在床层内停留时间不均一；

③催化剂在床层中剧烈搅动，造成催化剂颗粒和设备磨损；

④在生产负荷太低的情况下，流化床操作难以平稳，操作波动大

三、提升管中的气-固流动(垂直管中的稀相输送)

➢气-固输送可以根据密度不同而分为稀相输送和密相输送，通常以100kg/m3为划分界限

➢在提升管中，气-固混合物的密度大约十几到几十千克每立方米，因此属于稀相输送的范围

➢工业装置中，提升管入口线速一般采用4.5～7.5m/s,在提升管出口处的气体线速增大到8～18m/s

➢催化剂的滑落

催化剂颗粒在提升管中是被油气携带上去的，它的上升速度总是要比气体速度低些，这种

现象称为催化剂的滑落

➢气体线速度uf与催化剂线速度us之比则称为滑落系数

四、催化剂的循环

➢流化催化裂化的反应器和再生器之间必须有大量的催化剂循环，因为催化剂不仅要周期性的反应和再生以维持一定的活性水平，而且还要起到取热和供热的热载体的作用➢能否实现稳定的催化剂循环，是催化裂化装置设计和生产中的关键性问题

➢流化催化裂化装置的催化剂循环采用密相输送的方法，在提升管催化裂化装置中是采用斜管或立管输送的

固体颗粒的密相输送有两种形态：

➢粘滑流动:固体之间互相压紧、阵发性的缓慢向下流动

➢充气流动:固体颗粒和气体的相对速度较大，足以使固体流化起来，气-固混合物具有流体的性质，可以向任意方向流动

在提升管催化裂化装置中，常用斜管进行催化剂输送