流化床反应器设计

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反应器分类
流化床反应器
适用范围：气固、液固
优点：固体物料可连续输入和输 出、床层内部温度均匀，便于控 制、催化剂可连续再生 缺点：产品分布不均匀、反应转 化率降低、催化剂易损失、床层 内传递现象复杂
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催化剂颗粒及流态化域分类
1、颗粒的物理特性
2、颗粒的分类 3、气固流态化域
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催化剂颗粒及流态化域分类
流态化是指固体粒子像流体一样进行流动的现象。 A类颗粒随着床层表观气速的增加可分为6种状态。
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催化剂颗粒及流态化域分类
固定床
• 固体颗粒相互接触，层堆积状态。 • 固体颗粒脱离接触，颗粒接触均匀，颗粒间充满流体， 无颗粒与流体的聚集状态。 • 固体颗粒脱离接触，流化介质出现气泡，气泡在床层 表面破裂，将部分颗粒带到稀相空间，稀密相有非常 明显的界限。
快速床
输送床
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催化剂颗粒及流态化域分类
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催化剂颗粒及流态化域分类
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主要颗粒流化性能参数
1、起始流化速度umf 2、起始鼓泡速度umb 3、颗粒带出速度ut
4、气固滑动速度Usl
5、颗粒乳化相脱气速度uD和流化因子FP
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u
10
d
9.05
3 0.6326 0.5 f 0.54 1.1 p p
L
aWs AT mf
Ws——床层催化剂藏量，kg AT——床层截面积，m2 对反应器 对再生器
.5 0.85 a 1 0.05u 0 0 . 08 u f f .5 0.33 a 1 0.25u 0 0 . 15 u f f
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主要流化工程
2、气泡直径
对于A类颗粒，当uf大于umb时，在床层内出现气泡，人们常把气泡 与气泡以外的密相床部分称作泡相与乳相。 在气泡沿着床高向上运动过程中，不断出现气泡的聚并和破碎， 对于鼓泡床，气泡的聚并占主要地位，气泡当量直径Dbe随行程的 长度增加而增加； 对于湍动床，气泡破碎占主导地位，在气速增时，气泡数量增加， 但Dbe几乎不随床高而变化。
对于密相气力输送，常用滑落系数Ksl
uf
K sl
Uf Us
滑落系数随气速增加和 固体质量流速的增加而 减小。提升管反应器中 约为1.25~1.6。 23
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主要颗粒流化性能参数
5、颗粒乳化相脱气速度uD和流化因子FP
用床层塌落试验来测定颗粒乳化相脱气性能，定义颗粒沉积阶段中 单位时间内床层高度的降低值为颗粒乳化相脱气速度uD

0.1
颗粒群带出速度比单 一颗粒带出速度大很 多，实际线速高于颗 粒群带出线速时依然 有密相床层存在。 22
主要颗粒流化性能参数
4、气固滑动速度Usl
一般来说，由于受气流的作用，颗粒在气流中运动的实际速度Us总 与气体的真实速度Uf有一个差值，这一差值称为气固相对速度Usl。
us U sl U f U s 1
对鼓泡床 对湍动床
Dbe 0.1108L 1.3 102
u f umb us B Dbe 0.711g 0.5 0.711g 0.5 mb B
2
气泡 云
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主要流化工程
3、床层膨胀高度Lf
Lf u
0.685 f mf
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催化剂颗粒及流态化域分类
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催化剂颗粒及流态化域分类
颗粒的流化性能与颗粒的粒径、 密度等性质有关。
A类颗粒
• 典型颗粒为FCC催化剂
B类颗粒 • 典型颗粒为硅砂
C类颗粒
• 典型颗粒为面粉、进入 三旋的FCC催化剂
D类颗粒 • 典型颗粒为麦粒、碎玻璃
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反应器分类
管式反应器 鼓泡搅拌釜 釜式反应器 搅拌釜式浆态 反应器 固定床反应器 有固体颗粒床 层的反应器
反应器结构
移动床反应器
流化床反应器
填充塔
塔式反应器
板式塔
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喷射反应器
鼓泡塔
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反应器分类
釜式反应器
适用范围：液液、气液、液固、气液 固 优点：设备简单、操作灵活、适用性 广 缺点：间歇式：产品质量不稳定；连 续式：返混严重
；
5）具有一定的抗催化剂冲蚀能力，必要时设计耐磨衬里。
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主要流化工程
分布器的压降
P
Q 2
2gAe2
g 102
ξ——分布器的阻力系数 Ae——分布器开孔总面积，m2 稳定性临界压降参数 F DT P / WS 一般来说，分布器压降至少为床层压降的 40% ，如床层高度在 8~10m之间，则应为床层压降的50%~60%，可用稳定性临界参数F 值判断床层压降是否合理，经验F值应在0.75以上为宜。
流化床中开始出现气泡或纯气体洞穴时的表观空床线速为起始鼓 泡速度。
umb
2 .2 0.1823 1.74 1011 Fa d p
Biblioteka Baidudp
0 .2
1 0.289Fa umf
dp Fa Xi d pi
或
催化剂中细粒子 越多，起始鼓泡 速度越大，反之 越小。
表观气速越高， 床层直径越小， 床层膨胀高度 越大，反之， 越小。
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主要流化工程
4、输送分离高度TDH和饱和夹带量ρ *
当气泡在密相床中上升到床层表面破裂时，将大量催化剂抛向稀相 空间，但随着距离密相床表面高度的增加，气流越来越均匀，夹带 量越来越少，直至稀相的颗粒夹带量保持不变，此时的高度就叫输 送分离高度TDH，相应的稀相中的颗粒浓度就成为气相饱和夹带量。
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主要流化工程
1、流态化域的判断 2、气泡直径 3、床层膨胀高度 4、输送分离高度及气相饱和夹带量 5、分布器 6、提升管气速 7、催化剂输送管线
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主要流化工程
1、流态化域的判断
1）鼓泡床向湍动床转变速度uc
0.211 2.42 10 uc 0.211 1.27 DT d g g DT
3
DT p g d g p

0.27
床层直径越大， 鼓泡床向湍动 床转变速度越 小，越容易形 成湍动床。
2）湍动床向快速床流化速度uTF
uTF 是湍动床向快速床转变的速度，不仅与气固特性有关，也与颗 粒输送强度和床层直径有关，FCC催化剂快速床流化速度约为 1.25m/s。
或
3 u2 u 10 10 f lg 10.5 41g 0.3965 lg 2 2 g dpp d p p 2 f 3 2
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主要流化工程
5、分布器
1）具有均匀分布气体的作用，同时希望压降较低； 2）使流化床具有一个良好的流化状态，输入床层的颗粒应迅 速完全流化，并在分布器附近创造一个良好的气固接触条件， 防止经分布器筛除大颗粒； 3）在操作条件下有足够的强度，以抗变形，并能承受静床的 负荷，能经受热膨胀等作用力，能长期操作不堵塞，耐腐蚀和 不漏料，易于启用； 4）尽可能减少颗粒的粉碎；
umb
0.06 2.07 exp 0.716F45 d p g
0.347
FCC中通常 3umf≥umb≥ 2umf
F45——小于45μm颗粒重量分率 dpi、Xi——分别为小于平均粒径的各细粒子的粒径与重量分率
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主要颗粒流化性能参数
3、颗粒带出速度ut
在流化床中，如果向上运动的气速超过颗粒的自由沉降速度，固体 颗粒就会被气流带出，这时的气速叫做颗粒的带出速度。对于A类 颗粒的气固流化床，颗粒之间存在一定的相互作用，带出速度常用 床层中颗粒群的带出速度utt表示。
0.94
流化介质密度、 粘度越大，起始 流化速度越小， 反之越大。
dp——颗粒平均粒径 p ——颗粒密度 g ——流化介质密度 ——流化介质粘度
FCC 中再生条件下 umf 约 1mm/s ，反应 条件下 umf 约 3mm/s 。
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主要颗粒流化性能参数
2、起始鼓泡速度umb
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催化剂颗粒及流态化域分类
1、颗粒尺寸
筛分尺寸dp:通过最小方筛孔的宽度尺寸。
2、颗粒密度和空隙率
骨架密度ρs:颗粒骨架本身所具有的密度，即颗粒的质量与骨架实 体所占体积之比，FCC通常为2000~2400kg/m3。 颗粒密度ρp:单位颗粒（含孔隙）体积的质量，FCC通常为 900~1800kg/m3。 堆积密度ρB：单位堆集颗粒体积（包括颗粒之间的空隙）的质量。 空隙率 : 颗粒之间空隙的体积 / （颗粒体积 + 颗粒之间空隙的体积）
散式流化床
鼓泡床
湍动床
• 气泡不稳定，分裂成更多小气泡，气泡较鼓泡床分布 均匀，床层表面颗粒夹带量增大，稀密相界面模糊不 清，稀相空间内细粉颗粒聚集成絮团。
• 密相床层靠固体循环量来维持，无循环量时，床层中固 体颗粒全部被气体带走，密相床中出现絮团。 • 靠循环量无法维持床层，达到气力输送阶段。 16
或
TDH 0.36 0.23 2.7 DT 0.7 exp 0.7u f DT DT .5 0.470.42u f TDH 10.4u 0 2.4 f DT



床层直径越大， 需要的输送分 离高度越大， 反之，越小。
30.3 g 1000ue / p 2.6
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反应器分类
固定床反应器
反应物
适用范围：气固、液固、气液固
优点：返混小、催化剂机械磨损小、 结构简单
缺点：传热差、操作过程中催化剂不 能更换
图2 径向换热式 固定床反应器
产物
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反应器分类
移动床反应器
适用范围：气固、液固
优点：固体和流体的停留时间可以在 较大范围内改变、返混较小 缺点：控制固体颗粒的均匀下移比较 困难
ut
2 dp ( p g )g
18
d p ut g
流化介质粘度越大，颗粒 带出速度越小，反之越大。
ut / utt 7.0 104 n 4.2
dp n 4.45 18 D T
DT——床层直径
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主要颗粒流化性能参数
1、起始流化速度umf
起始流化速度是指刚刚能使固定床中的颗粒流化起来的气体空床 线速，也可看作颗粒处于流化状态的最小气速。 在起始流化速度下床层中各力达到平衡，整个床层被悬浮起来， 固体颗粒自由运动。
u mf
.82 0.0093d 1 p p g 0.06 0.88 g
0.089 0.371 188 g exp 0.508F45 uD 0.568 0.663 umf d p g p g 0.663 L0.244
L——距离分布板的高度
对于A类颗粒而言，uD应在umf与umb之间，即 u D / u mf 值越大，散式流化范 围就越大，颗粒流化输送越易稳定。
流化床反应器设计
黄春红
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反应器分类 催化剂颗粒及流态化域分类
主要颗粒流化性能参数
主要流化工程 主要内件
实例
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反应器分类
1、反应器分类 2、常用反应器适用范围和优缺点
2015-7-20
3
反应器分类
连续反应器 操作方式
间歇反应器
2015-7-20
4
反应器分类
等温反应器 换热方式 绝热反应器 非等温非绝 热反应器
总结生产经验发现，流化因子FP≈uD/umf
FP
exp 0.508F45 0.568 0.663 dp p
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主要颗粒流化性能参数
★ 一般认为，一个性能良好的催化剂应具备的
条件是：
1）uD/umf>1，umb/umf≥2；
2）有一定的细粉含量，F40≥3%； 3）平均颗粒直径小于80μm。
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主要流化工程
6、稀相输送气速
提升管反应是在很高的气速下操作，如果降低气速，固体浓度会增 加，当气速降低到一定程度时，固体颗粒会不均与且不稳定，于是 颗粒团崩溃会形成腾涌状态，该点称为噎噻点，该点气速为噎噻速 度ugc，相应的空隙率为 gc
ugc ut 1 gc us •