7.1流化床反应器
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Re = d p ρumf
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
图 7-1-2 各种状态 流化床沿床高密度变化
∆p = W At = Lmf (1 − ε mf )(ρ p − ρ )⋅ g
固体颗粒、流体的密度， 固体颗粒、流体的密度，kg/m3
• 处于流化状态时，作用于床层的各力达到平衡，即 处于流化状态时，作用于床层的各力达到平衡， 床层压降×床层截面积=床中的固体重 固体所受浮力 床中的固体重-固体所受浮力 床层压降×床层截面积 床中的固体重
7.1.2.2 气泡及其行为
1. 气泡的结构 • 气泡在分布板上形成： 气泡在分布板上形成： Row用X线观察，每秒约 个泡 用 线观察 每秒约7个泡 线观察，
dR Q 气泡直径扩大： 气泡直径扩大： = dt 4πR 2
泡因浮力上升速度 ~ R 当R由0→R* 由 →
（2）按 Re p < 20 ）
−3 2
U mf = d 2 ( ρ s − ρ f ) g / 1650µ 计算 p
−3 −1
umf
(5.3 × 10 ) × (1.3 − 0.733 × 10 )× 980 = 0.058[cm ⋅ s =
1650 × 3.7 × 10
−4
]
校核Re： 校核 ：
7. 流化床反应器（Fluidized Bed ） 流化床反应器（
流化床反应器:利用气体或液体自下而上 流化床反应器 利用气体或液体自下而上 利用气体或液体 通过固体颗粒床层而使固体颗粒处于悬浮运动 通过固体颗粒床层而使固体颗粒处于悬浮运动 悬浮 状态,并进行气固相反应或液固相反应的反应 状态 并进行气固相反应或液固相反应的反应 器 7.1流化床中的两相运动 流化床中的两相运动 流态化： 流态化：固体粒子像流体一样 进行流动的现象。 进行流动的现象。 • 固体具有液体性质： 固体具有液体性质： 液面、静压、连通器、 液面、静压、连通器、粘度
U 0 − U mf
10-2
10-1
0.7
U t − U mf
•[例7-1]某催化裂化装置的再生烟气的密度ρ为: 例 某催化裂化装置的再生烟气的密度ρ 某催化裂化装置的再生烟气的密度 0.733×10-4g•cm-1 • s-1, 催化剂的颗粒密度 × 其筛分数据如下： ρs为1.3 g•cm-3，其筛分数据如下： 粒径/µ 粒径 µm 0~20 20~40 40~80 80~110 110~150 85 3.86 0.14
4 ( ρs − ρ f ) g Ut = dp ρf µ 225 1/ 2 3.1( ρs − ρ f ) g Ut = ρf
问题： 问题：为什么U
t
> U mf
,临界流化时颗粒也是浮起来 临界流化时颗粒也是浮起来 颗粒的重力＝ 颗粒的重力＝摩擦力
10 5 4 3 2 1 0.5 0.2
A C
易粘
细
20 50 100 200 500 1000 2000
粒径dp(µ 粒径 µm)
颗粒分类图(Geldart) 图7-1-3 颗粒分类图
（1）临界(起始 流化速度(umf): ）临界 起始)流化速度 起始 流化速度
指刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流速。 指刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流速。
ut
(10 × 10 ) × (1.3 − 0.733 × 10 )× 980 = 0.191[cm ⋅ s =
−4 2 −3
−1
校核Re： 校核 ：
Re = d p ρut
18 × 10 −4 × 0.733 × 10 −3 × 0.191 = = 3.8 × 10 − 4 < 0.4 3.7 × 10 − 4
Re m = d p ρum
µ (1 − ε b )
= ∆ p 流 = L f (1 − ε )(ρ s − ρ ) ⋅ g
ε = ε b = ε mf , L = L f = Lmf , u0 = um = umf
ϕ 不准， •计算 mf有几十种公式，但 ε mf， s不准，dp不均 计算U 有几十种公式， 计算
一，与床壁有摩擦力，很难计算。 与床壁有摩擦力，很难计算。
εmf 0.7 0.4 dp P219
Re p =
d pρ f u
µ
简易经验式 小粒子： 小粒子： Re p < 20
U mf = d 2 ( ρ s − ρ f ) g / 1650µ p
2 大粒子： 大粒子： Re p > 1000 U mf = d p ( ρ s − ρ f ) g / 24.5 ρ f
流化床的型式
1. 自由床 2. 构件床： 构件床：
横板： 横板：苯氧化制苯酐 垂直：塔型,指状冷却官 垂直：塔型 指状冷却官
蒸 汽 洗 脱 烧 焦 罐 提 升 管
尾气 石灰石
予热区 分解区 热回 收区
燃料
3. 多段床：煅烧石灰 多段床：
空气
空气 油气
4. 催化裂化：提升管 催化裂化：
5. 喷动床 喷动床(Spout Bed)：粮食加工、干燥 ：粮食加工、
流态化现象的利用
1.固体粒子输送：比自来水、煤气管困难 固体粒子输送：比自来水、 固体粒子输送 1940年石油催化裂化制汽油； 年石油催化裂化制汽油； 年石油催化裂化制汽油 沸腾床焙烧FeS矿； 矿 沸腾床焙烧 沸腾床烧煤粉（出灰方便） 沸腾床烧煤粉（出灰方便） 2. 细颗粒催化剂的利用
反 应
废气
3 p
π
4
2 dp
CD = 24 (Rep < 0.4) Rep (0.4 < Rep < 500) CD = 10 Re1/ 2 p C = 0.43 (500 < Rep < 2.0E5) D
Ut =
d 2 ( ρs − ρ f ) g p 18µ
2 2 1/ 3
500 固定床← 固定床← →流化床 300 B 200 ε0 100 50 A C
⊿P,mmH2O
⊿Pmax
夹带开始
∆p = W At
εmf 2 3 5 10 Umf
1
20 30 50 Ut
100 空床流速U 空床流速 0, m/s
图7-1-4 均匀砂粒的压降与气速的关系
•求Umf：测定床层压降变化的方法；用公式算。 求 测定床层压降变化的方法；用公式算。
床层膨胀
散式流化床
固定床 湍流床 鼓泡流化床 Fixed bed Bubble Fludized Turbulent Fluidized
快床
气流输送 Pneumatic conveying
图 7-1-1 流态化的各种状态
流化床的分类： 流化床的分类： 按相态来分：乳相，泡相 相态来分：乳相， 来分 组成 散式——液固居多、或小颗粒气固Umf附近 液固居多、或小颗粒气固 散式 液固居多 聚式——气固居多、鼓泡床或沸腾床 气固居多、 聚式 气固居多
∆p × At = V (1 − ε )ρ s g − V (1 − ε )ρg
⇒ ∆p = L f (1 − ε )(ρ s − ρ ) ⋅ g
床层高度 真密度 床层空隙率
在临界流化状态时，从图可见， 在临界流化状态时，从图可见，固定床的压 降等于流化床的压降， 降等于流化床的压降，即： p = ∆ p ∆ 固 流 Ergun公式： 公式： 公式 150 L 1 − εb 2 ⋅ ⋅ ρum ∆P固 = + 1.75 3 Re m d p εb 此时： 此时：
（2）带出速度ut ）带出速度
• 流体对粒子的曳力=粒子的重力，粒子就会被 流体对粒子的曳力 粒子的重力 曳力 粒子的重力， 气流带走，此时的气体空床速度即带出速度。 气流带走，此时的气体空床速度即带出速度。 空床速度即带出速度
π
1 ρs π 2 2 d (ρs − ρ f ) = CD d p Ut 6 2 g 4
7.1.2 流化床中的气 固运动 流化床中的气-固运动
7.1.2.1颗粒的流态化性能 颗粒的流态化性能
(ρ
− ρ ) g ⋅ cm −3 p
(
)
D不能稳 B 粗
定流化
正常流化： 正常流化： 且有脉动； △P≈△Pmf且有脉动； ≈ 流化质量：流化均匀性、 流化质量：流化均匀性、 小幅度、高频率的△ 波动较好 小幅度、高频率的△P波动较好 不正常流化： 不正常流化： •节涌：小直径床，大颗粒 节涌：小直径床， 节涌 • 沟流：细颗粒 沟流： • 稀相输送
空塔速U 膨胀比R=1，床层高 mf≈L0 空塔速 0=Umf 时，膨胀比 ，床层高L Umf < U0<Ut 之间， R = 之间，
Lf Lmf = 1 − ε mf 1−ε f ,
1 0.1
1/R
εf
——膨胀后床层空隙率 膨胀后床层空隙率
R约为1.15~2之间 R约为1.15~2之间 约为 R与U0，dp，ρp 有关 与
质量分率/% 0.48 10.52 质量分率
试计算催化剂的临界流化速度和终端速度。 试计算催化剂的临界流化速度和终端速度。
解： （1）催化剂的平均粒径 d p ）
1 1 dp = = × 100 = 53 µm = 5.3 × 10 − 3 cm xi 0.48 10.52 85 0.14 + + + Σ 10 30 60 130 d pi
故上式符合假定范围。 故上式符合假定范围。
7.1.2.2 气泡及其行为
1. 气体： 气体： • • 起始流化速度流经床层的空隙； 起始流化速度流经床层的空隙； 多余----以气泡状态通过床层。 多余 以气泡状态通过床层。 以气泡状态通过床层
2. 密相床层的两种聚集状态： 密相床层的两种聚集状态： • • 气（泡）相：固体颗粒极少； 固体颗粒极少； 乳相： 乳相：含绝大多数固体颗粒的连续相
Lf Lmf
Umf→Ut 属流化区 属流化区, 此区内固体有流体 的表现可为化工操 作利用。 作利用。
可达90； 对小颗粒 Re p < 0.4, U t / U mf 可达 ； 土豆流化 pout Bed 可达10 对大颗粒 Re p > 1000, U t / U mf 可达 喷床 更大颗粒，流化区很窄，很难操作。 更大颗粒，流化区很窄，很难操作。
理想流化状态具有以下几个特征： 理想流化状态具有以下几个特征： • 有一个明显的确临界流化速率：当表观速率达 有一个明显的确临界流化速率： 到临界流化速率时，整个颗粒床层开始流化； 到临界流化速率时，整个颗粒床层开始流化； • 流化床层的压降为一个常数； 流化床层的压降为一个常数； • 流化床层具有稳定的床层界面； 流化床层具有稳定的床层界面； • 流态化床层的空隙率均匀，不因床层的位置而 流态化床层的空隙率均匀， 变化
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
图 7-1-2 各种状态 流化床沿床高密度变化
∆p = W At = Lmf (1 − ε mf )(ρ p − ρ )⋅ g
固体颗粒、流体的密度， 固体颗粒、流体的密度，kg/m3
• 处于流化状态时，作用于床层的各力达到平衡，即 处于流化状态时，作用于床层的各力达到平衡， 床层压降×床层截面积=床中的固体重 固体所受浮力 床中的固体重-固体所受浮力 床层压降×床层截面积 床中的固体重
7.1.2.2 气泡及其行为
1. 气泡的结构 • 气泡在分布板上形成： 气泡在分布板上形成： Row用X线观察，每秒约 个泡 用 线观察 每秒约7个泡 线观察，
dR Q 气泡直径扩大： 气泡直径扩大： = dt 4πR 2
泡因浮力上升速度 ~ R 当R由0→R* 由 →
（2）按 Re p < 20 ）
−3 2
U mf = d 2 ( ρ s − ρ f ) g / 1650µ 计算 p
−3 −1
umf
(5.3 × 10 ) × (1.3 − 0.733 × 10 )× 980 = 0.058[cm ⋅ s =
1650 × 3.7 × 10
−4
]
校核Re： 校核 ：
7. 流化床反应器（Fluidized Bed ） 流化床反应器（
流化床反应器:利用气体或液体自下而上 流化床反应器 利用气体或液体自下而上 利用气体或液体 通过固体颗粒床层而使固体颗粒处于悬浮运动 通过固体颗粒床层而使固体颗粒处于悬浮运动 悬浮 状态,并进行气固相反应或液固相反应的反应 状态 并进行气固相反应或液固相反应的反应 器 7.1流化床中的两相运动 流化床中的两相运动 流态化： 流态化：固体粒子像流体一样 进行流动的现象。 进行流动的现象。 • 固体具有液体性质： 固体具有液体性质： 液面、静压、连通器、 液面、静压、连通器、粘度
U 0 − U mf
10-2
10-1
0.7
U t − U mf
•[例7-1]某催化裂化装置的再生烟气的密度ρ为: 例 某催化裂化装置的再生烟气的密度ρ 某催化裂化装置的再生烟气的密度 0.733×10-4g•cm-1 • s-1, 催化剂的颗粒密度 × 其筛分数据如下： ρs为1.3 g•cm-3，其筛分数据如下： 粒径/µ 粒径 µm 0~20 20~40 40~80 80~110 110~150 85 3.86 0.14
4 ( ρs − ρ f ) g Ut = dp ρf µ 225 1/ 2 3.1( ρs − ρ f ) g Ut = ρf
问题： 问题：为什么U
t
> U mf
,临界流化时颗粒也是浮起来 临界流化时颗粒也是浮起来 颗粒的重力＝ 颗粒的重力＝摩擦力
10 5 4 3 2 1 0.5 0.2
A C
易粘
细
20 50 100 200 500 1000 2000
粒径dp(µ 粒径 µm)
颗粒分类图(Geldart) 图7-1-3 颗粒分类图
（1）临界(起始 流化速度(umf): ）临界 起始)流化速度 起始 流化速度
指刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流速。 指刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流速。
ut
(10 × 10 ) × (1.3 − 0.733 × 10 )× 980 = 0.191[cm ⋅ s =
−4 2 −3
−1
校核Re： 校核 ：
Re = d p ρut
18 × 10 −4 × 0.733 × 10 −3 × 0.191 = = 3.8 × 10 − 4 < 0.4 3.7 × 10 − 4
Re m = d p ρum
µ (1 − ε b )
= ∆ p 流 = L f (1 − ε )(ρ s − ρ ) ⋅ g
ε = ε b = ε mf , L = L f = Lmf , u0 = um = umf
ϕ 不准， •计算 mf有几十种公式，但 ε mf， s不准，dp不均 计算U 有几十种公式， 计算
一，与床壁有摩擦力，很难计算。 与床壁有摩擦力，很难计算。
εmf 0.7 0.4 dp P219
Re p =
d pρ f u
µ
简易经验式 小粒子： 小粒子： Re p < 20
U mf = d 2 ( ρ s − ρ f ) g / 1650µ p
2 大粒子： 大粒子： Re p > 1000 U mf = d p ( ρ s − ρ f ) g / 24.5 ρ f
流化床的型式
1. 自由床 2. 构件床： 构件床：
横板： 横板：苯氧化制苯酐 垂直：塔型,指状冷却官 垂直：塔型 指状冷却官
蒸 汽 洗 脱 烧 焦 罐 提 升 管
尾气 石灰石
予热区 分解区 热回 收区
燃料
3. 多段床：煅烧石灰 多段床：
空气
空气 油气
4. 催化裂化：提升管 催化裂化：
5. 喷动床 喷动床(Spout Bed)：粮食加工、干燥 ：粮食加工、
流态化现象的利用
1.固体粒子输送：比自来水、煤气管困难 固体粒子输送：比自来水、 固体粒子输送 1940年石油催化裂化制汽油； 年石油催化裂化制汽油； 年石油催化裂化制汽油 沸腾床焙烧FeS矿； 矿 沸腾床焙烧 沸腾床烧煤粉（出灰方便） 沸腾床烧煤粉（出灰方便） 2. 细颗粒催化剂的利用
反 应
废气
3 p
π
4
2 dp
CD = 24 (Rep < 0.4) Rep (0.4 < Rep < 500) CD = 10 Re1/ 2 p C = 0.43 (500 < Rep < 2.0E5) D
Ut =
d 2 ( ρs − ρ f ) g p 18µ
2 2 1/ 3
500 固定床← 固定床← →流化床 300 B 200 ε0 100 50 A C
⊿P,mmH2O
⊿Pmax
夹带开始
∆p = W At
εmf 2 3 5 10 Umf
1
20 30 50 Ut
100 空床流速U 空床流速 0, m/s
图7-1-4 均匀砂粒的压降与气速的关系
•求Umf：测定床层压降变化的方法；用公式算。 求 测定床层压降变化的方法；用公式算。
床层膨胀
散式流化床
固定床 湍流床 鼓泡流化床 Fixed bed Bubble Fludized Turbulent Fluidized
快床
气流输送 Pneumatic conveying
图 7-1-1 流态化的各种状态
流化床的分类： 流化床的分类： 按相态来分：乳相，泡相 相态来分：乳相， 来分 组成 散式——液固居多、或小颗粒气固Umf附近 液固居多、或小颗粒气固 散式 液固居多 聚式——气固居多、鼓泡床或沸腾床 气固居多、 聚式 气固居多
∆p × At = V (1 − ε )ρ s g − V (1 − ε )ρg
⇒ ∆p = L f (1 − ε )(ρ s − ρ ) ⋅ g
床层高度 真密度 床层空隙率
在临界流化状态时，从图可见， 在临界流化状态时，从图可见，固定床的压 降等于流化床的压降， 降等于流化床的压降，即： p = ∆ p ∆ 固 流 Ergun公式： 公式： 公式 150 L 1 − εb 2 ⋅ ⋅ ρum ∆P固 = + 1.75 3 Re m d p εb 此时： 此时：
（2）带出速度ut ）带出速度
• 流体对粒子的曳力=粒子的重力，粒子就会被 流体对粒子的曳力 粒子的重力 曳力 粒子的重力， 气流带走，此时的气体空床速度即带出速度。 气流带走，此时的气体空床速度即带出速度。 空床速度即带出速度
π
1 ρs π 2 2 d (ρs − ρ f ) = CD d p Ut 6 2 g 4
7.1.2 流化床中的气 固运动 流化床中的气-固运动
7.1.2.1颗粒的流态化性能 颗粒的流态化性能
(ρ
− ρ ) g ⋅ cm −3 p
(
)
D不能稳 B 粗
定流化
正常流化： 正常流化： 且有脉动； △P≈△Pmf且有脉动； ≈ 流化质量：流化均匀性、 流化质量：流化均匀性、 小幅度、高频率的△ 波动较好 小幅度、高频率的△P波动较好 不正常流化： 不正常流化： •节涌：小直径床，大颗粒 节涌：小直径床， 节涌 • 沟流：细颗粒 沟流： • 稀相输送
空塔速U 膨胀比R=1，床层高 mf≈L0 空塔速 0=Umf 时，膨胀比 ，床层高L Umf < U0<Ut 之间， R = 之间，
Lf Lmf = 1 − ε mf 1−ε f ,
1 0.1
1/R
εf
——膨胀后床层空隙率 膨胀后床层空隙率
R约为1.15~2之间 R约为1.15~2之间 约为 R与U0，dp，ρp 有关 与
质量分率/% 0.48 10.52 质量分率
试计算催化剂的临界流化速度和终端速度。 试计算催化剂的临界流化速度和终端速度。
解： （1）催化剂的平均粒径 d p ）
1 1 dp = = × 100 = 53 µm = 5.3 × 10 − 3 cm xi 0.48 10.52 85 0.14 + + + Σ 10 30 60 130 d pi
故上式符合假定范围。 故上式符合假定范围。
7.1.2.2 气泡及其行为
1. 气体： 气体： • • 起始流化速度流经床层的空隙； 起始流化速度流经床层的空隙； 多余----以气泡状态通过床层。 多余 以气泡状态通过床层。 以气泡状态通过床层
2. 密相床层的两种聚集状态： 密相床层的两种聚集状态： • • 气（泡）相：固体颗粒极少； 固体颗粒极少； 乳相： 乳相：含绝大多数固体颗粒的连续相
Lf Lmf
Umf→Ut 属流化区 属流化区, 此区内固体有流体 的表现可为化工操 作利用。 作利用。
可达90； 对小颗粒 Re p < 0.4, U t / U mf 可达 ； 土豆流化 pout Bed 可达10 对大颗粒 Re p > 1000, U t / U mf 可达 喷床 更大颗粒，流化区很窄，很难操作。 更大颗粒，流化区很窄，很难操作。
理想流化状态具有以下几个特征： 理想流化状态具有以下几个特征： • 有一个明显的确临界流化速率：当表观速率达 有一个明显的确临界流化速率： 到临界流化速率时，整个颗粒床层开始流化； 到临界流化速率时，整个颗粒床层开始流化； • 流化床层的压降为一个常数； 流化床层的压降为一个常数； • 流化床层具有稳定的床层界面； 流化床层具有稳定的床层界面； • 流态化床层的空隙率均匀，不因床层的位置而 流态化床层的空隙率均匀， 变化