第5章 循环流化床

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操作稳定 适宜于B类颗粒 难以实现很大的颗粒循环率
b. L型阀
结构简单且易于调节
通常只适宜于B类颗粒
颗粒循环速率调节范围宽
操作受床体几何结构的影响
5.2 循环流化床
5.2.2 颗粒循环控制——入口结构形式
c. J型阀
对入口约束作用小 对床内颗粒含率及其分布有显著影响
第五章 循环流化床
随着操作气速的提高,在 垂直气固流动系统中可出现散 式流态化(仅A类细颗粒)、鼓 泡(节涌)流态化、湍动流态化、 快速流态化以及气力输送等流
动状态。本章所述的循环流化
床,包含快速流态化及(密相) 气力输送两种流动状态。
快速流态化现象,即细颗粒在高气速下
发生聚集并因而具有较高滑落速度的气固流 动现象,早在20世纪40年代流态化技术发展
d. H型阀
操作稳定
适宜于B类颗粒
只适用于一定范围内颗粒循环速率的 调节控制
5.2 循环流化床
5.2.2 颗粒循环控制——入口结构形式
e.文丘里式
增加颗粒加速作用 颗粒循环速率有限
f.机械阀式(安装在斜管处)
斜管中颗粒处于流化或移动床状态 通过调节阀门开度可方便地调节颗粒 的循环速率 阀门开度大时稳定性可能较差
“塌落”而沉积于床层底部。这时,尽管床内并不一定出现节涌,但还是破坏
了床层的稳定操作。 C类噎塞——传统型噎塞。由气力输送状态开始,气速降低时,由于气栓或 固体栓的形成,床层出现严重的不稳定性,从而造成流动的“噎塞”,使输送中 断,这种噎塞称为c类噎塞。c类噎塞的发生取决于气固物性、床层尺寸及几何形
用于黏性物料或反应过程中产生中间液相而发生黏结的加工过程; 高气固通量操作,气固分离难度增加,微粉外排可能加剧环境污染、 颗粒间的磨蚀加剧、器壁的磨耗可能增大。
5.1 快速流态化
5.1.2 快速床的最小流化速度
快速床的最小流化速度umin,就是湍动流态化向快速流态化转变时
的速度。实验表明,快速床的最小流化速度umin不仅与物性有关,还与 固体颗粒的流量和设备的几何尺寸有关。 提高流化速度,则颗固体粒的循环量增加;在循环量不变的情况
5.2 循环流化床
5.2.2 颗粒循环控制——入口结构形式
g.螺旋加料器
可实现大颗粒循环速率 颗粒循环速率的调节完全独立于气 体速度及床内压力平衡 约束强度可调
i.底部扩张入口式
改善固体混合 改善颗粒径向分布
5.2 循环流化床
5.2.2 颗粒循环控制——出口结构形式
a. L型直角弯头
理想的一种操作设备。
5.2 循环流化床
5.2.2 颗粒循环控制
颗粒循环控制装置的作用:调节和控制颗粒循环,以达到所要求 的颗粒循环速率;帮助防止气体从提升管向伴床的“反窜”流动。特 别是提升管中与伴床中进行不同气氛的反应过程(如氧化与还原)时, 杜绝气体“反窜”变的尤为重要。
为了达到高循环速率,颗粒循环控制装置应具有尽可能小的阻力。
5.2 循环流化床
5.2.1 循环流化床装置
根据工艺要求,工业应用的循环流化床具有不同的结构形式。总体而 言,循环流化床由提升管、气固分离器、伴床及颗粒循环控制设备等部分
构成。气、固两相在提升管内可以并流向上、并流向下或逆流运动。
有效地控制和调节颗粒循环速率是实现循环流化床稳定操作的关键。
常见的颗粒循环控制方式有机械式(如滑阀、蝶阀、螺旋加料器等),以
两种典型的出口形式
动结构。
5.1 快速流态化
5.1.5 气固流动规律
内循环环-核流动结构
5.1 快速流态化
5.1.5 气固流动规律
快速流化床空隙率轴向分布曲线
5.1 快速流态化
5.1.5 气固流动规律
(a)提升管表观气速
(b)颗粒循环
(c)颗粒直径
快速流化床空隙率轴向分布的影响因素
5.1 快速流态化
d. C型平滑弯头
对气固流动约束很小 颗粒在出口处无明显返混 颗粒浓度在出口处无明显增加
5.2 循环流化床
5.2.2 颗粒循环控制——出口结构形式
e.直接喷嘴式
弱约束出口 不造成附加的颗粒返混 能有效地控制气固在床内的停留时间
能有效地实现气固低压降、高效率分离
f.带内旋风分离的出口结构
的初期就已被发现。当时,人们为了生产战
争所需的汽油,研究和开发了流化催化裂化 工业装置。然而,由于粉尘捕集、催化剂循
环的困难以及催化剂活性低等问题,第一台
快速流化床反应器终被密相流化床所取代, 快速流态化现象的本质及其重要性也就被人 们忽视了。
快速流态化技术的发展历程: 50年代末 南非 费-托合成反应器
5.1.5 气固流动规律
(d)提升管直径
(e)颗粒密度
快速流化床空隙率轴向分布的影响因素
5.1 快速流态化
5.1.5 气固流动规律
快速流化床空隙率径向分布曲线
5.2 循环流化床
5.2.1 循环流化床装置
5.2 循环流化床
5.2.1 循环流化床装置
(a)单循环
(b)双循环
(c)内循环
常见的几种循环流化床系统
状。对粗重颗粒,由于气泡直径可无限长大,因此当床层直径较小时,床层极易
形成节涌和固体栓不稳定流动;而在细颗粒大床径的情况下,气泡尺寸远小于床 层直径,节涌或固体栓难以形成,气固流动由稀相到密相间的转变相当平稳,这 种操作系统称为非噎塞系统。
对气固流动有较强约束作用 颗粒在出口处无明显返混
颗粒浓度在出口处无明显增加
5.2 循环流化床
5.2.3 出入口约束对轴向空隙率变化的影响
出入口约束对轴向空隙率变化的影响
5.2 循环流化床
5.2.4 循环流化床的压力平衡
单回路循环及其压降示意图
5.2 循环流化床
5.2.5 循环系统压力不平衡引起的不稳定——噎塞现象

0.442
DT d p

0.96
Ret0.344
5.1 快速流态化
5.1.4 快速床固体颗粒最小循环量
快速床固体颗粒最小循环量Gmin通常随固体颗粒的直径和床径的增
加而加大。 估算最小循环量的关联式如下:
0.152
Gmin d p
f
DT 27.8 d p
及非机械式〔如L阀、J阀、V阀等)。颗粒循环控制设备的另一个重要作用 是防止气体从提升管向伴床倒窜。
5.2 循环流化床
5.2.1 循环流化床装置
循环流化床具有以下特点:
① 所采用的物料颗粒较细,一般平均粒径小于100微米; ② 操作气速高,一般可达到颗粒自由沉降速度的5 ~15倍; ③ 固体颗粒的循环量很大,可达到给料量的数十倍,床层可以保持较 高的床密度; ④ 颗粒大都以聚团形式存在,床中不存在定形的气泡,气-固返混小, 气固两相接触良好,因此可严格控制反应时间,是快速加工过程中较为

Ret0.849
5.1 快速流态化
5.1.5 气固流动规律
快速流态化的气固流动特征可以 表征为轴径向的不均匀性。沿床层轴
向,颗粒浓度一般呈上稀下浓的分布,
在床层出口具有强约束作用时,颗粒 浓度沿轴向可呈C型分布。沿床层径向,
颗粒浓度在床层中心较小,而在边壁
区最浓。在某些条件下,可出现颗粒 中心向上,边壁向下的内循环环-核流
通常所用的颗粒循环控制装置有机械式阀(滑阀、蝶阀等)以及气力流 动阀(L型阀、V型阀、J型阀等)。在实际工业装置中,为避免机械式 阀在高温、高压情况下的操作困难(如颗粒的堵塞,摩擦等),经常需 用非机械式气力控制阀。
5.2 循环流化床
5.2.2 颗粒循环控制——入口结构形式
a. 颗粒密封加倒V型阀式
高气速、高固体通量和高固体浓度操作,大大提高了反应器的效率和
能力;
高气固滑移速度,强化了相间的传递,高固体浓度床层,强化了器壁
间的热量传递;
低气体轴向返混,有利于提高化学反应的选择性和转化率,特别是对
快速而复杂的气相加工过程尤为有利; 固体快速混合,床层温度分布均一,可实现化学反应的最佳化操作;
5.1 快速流态化
快速流态化是一种新型的流态化状态,它是利用颗粒物料,特别
是细颗粒物料具有成团运动的特性和允许高气速(高于其自由沉降速
度)操作的能力,采用高气速操作并通过固体循环方式不断向床层补 充固体物料,以达到高气固通量和高固体浓度的流态化状态。
快速流态化床层既非均匀散式流态化,亦非鼓泡流态化,而是一
较强约束出口 出口处颗粒浓度较大,返混增强 气固流动对出口处有磨损作用
b. T型弯头
对气固流动约束很强 出口处颗粒浓度很大,返混增强 顶部的气垫作用能很好地防止气 固磨损
5.2 循环流化床
5.2.2 颗粒循环控制——出口结构形式
c.有导向板的直角弯头
弱约束出口 出口处无明显的颗粒浓度增大 能减小颗粒在出口处的返混
5.1 快速流态化
5.1.3 载流点速度
载流点速度即快速床向密相输送转变的速度,也是快速床操作的极
限速度,在该速度下床层的密度趋于一致。实验表明,载流点速度与床
结构、颗粒尺寸以及物性有关。 其关联式如下:
Gs DT p f umax 0.684 f gDt f
态向上稀下浓的快速流化流动状态转变。因此,A类噎塞的出现,并不伴有床
层操作不稳定性的出现,也不会真的使操作系统“噎塞”而阻断流动。
5.2 循环流化床
5.2.5 循环系统压力不平衡引起的不稳定——噎塞现象
B类噎塞——由风机或立管引起的噎塞。当供气系统(风机等)提供的风头不 足以悬浮和输送所给定的颗粒循环量,或者由于提升管与伴床〔或立管)之间的 压力不平衡,伴床不能向提升管提供所要求的颗粒循环速率时,颗粒也会发生
种散式化了的聚式流态化:床层已不存在气泡;强烈的气-固相互作 用,非连续相气泡崩溃为连续相,而原来连续乳化的固体颗粒相转
化为时而聚合、时而分散的非稳定颗粒聚团的非连续相,与传统鼓
泡流态化相比,快速流态化发生了物相倒置。
5.1 快速流态化
5.1.1 快速流态化的优缺点
无气泡,大大强化了气固间的接触;
上式实验范围: 固体颗粒流量:

0.288
DT d p

0.69
Ret0.24
Gs 200 kg/(m2 s)
d p 31~1041 μm
颗粒平均直径: 颗粒密度:
床径:
p 700 ~ 3160 kg/m3
Dt 0.03 ~ 0.186 m
Hale Waihona Puke Baidu
下,固体颗粒的平均直径加大,最小流化速度umin有加大的趋势。当固
体颗粒密度和床径加大时,umin也会增加。 通常有:
umin 3.5 ~ 4.0 ut
5.1 快速流态化
5.1.2 快速床的最小流化速度
根据实验,得到如下关联式:
Gs DT p f umin 1.463 f gDt f
循环流化床系统的压力平衡,受系统中各个组成部分的结构及操作 状况的制约,在操作中,由于系统内某一部分的结构限制或操作状况发 生改变,使系统压力不能维持平衡,从而使床层出现颗粒阻塞的不稳定 现象,称为噎塞现象。
A类噎塞——沉积型噎塞。颗粒在床层底部发生沉积,颗粒在床层壁面 处由向上转为向下流动,空隙率或压降发生突变等现象。沉积型噎塞通常对应 于最小输送条件,即小于沉积型噎塞速度时,床层将由上下均一的气力输送状
5.1 快速流态化
5.1.1 快速流态化的优缺点
近似均匀的无气泡床层状态和良好的气固接触,减轻了几何结构的影 响,装置便于大型化;
高气速操作和床层的强烈二次混合,降低了气体分布板的均匀布气要
求,可采用大孔率分布板,降低分布阻力,节约鼓风动能消耗;
高气固通量操作,且气固间速度差大,剪切力强,抗黏结能力强,可
60年代后期 提升管流化催化裂化反应器
70年代 德国 氢氧化铝熔烧反应器 80年代起 广泛应用于煤的燃烧,如CFB锅炉 快速流态化的研究进展: 1971年,Reh提出了流态化区域图,描述了循环流态化的存在条 件及其基本特征。这一流动相图进一步由Grace于1986年发展和 推广应用到气固及气液等两相流动系统 1976年,Yerushaimi等人首次提出了快速流态化的概念 1980年,Li和Kwauk发表了关于空隙率轴向分布的研究,结构表 明,快速流化床与其他流化状态存在显著不同,从而引起人们对 快速流态化及循环流化床技术的强烈兴趣与重视,并在80年代形 成了循环流态化技术研究的高潮
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