5 流化床反应器

• • （a）散式流化床 （b）聚式流化床 • 2、聚式流化床 • 气固系统的流化床中，气体流速超过临界流化速度以后，整个床 内中气泡不断产生和破裂，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。在固体颗粒粒度比较小 时，这种现象更为明显。因此，气固系统的这种流化床称为聚式流化 床，如图（b）所示。 • 3、两种流化态的判别 • 颗粒与流体之间的密度差是散式流化和聚式流化之间的主要区别。 一般认为液固流化为散式流化，而气固流化为聚式流化。
• 3、流化气速的确定 • 临界流化速度，也称起始流化速度、最低流 化速度，是指颗粒层由固定床转为流化床时流体 的表观速度，用umf表示。实际操作速度常取临 界流化速度的倍数（又称流化数）来表示。临界 流化速度对流化床的研究、计算与操作都是一个 重要参数，确定其大小是很有必要的。确定临界 流化速度最好是用实验测定，也可用公式计算。
5.1.3 流化床的压降与流速
• 1、理想流化床的压降与流速：
流化床压降—流速关系 固定床阶段，压力降△P随着流速u的增加而增加，如图的AB段。 流化床阶段，床层的压力降却保持不变，如图中DE段所示。 流体输送阶段，流体的压力降与流体在空管道中相似。
• 2、实际流化床的压降与流速：
实际流化床的△P-u关系图 实际流化床与理想流化床差异的原因： 形成的原因是固定床阶段，颗粒之间由于相互接 触，部分颗粒可能有架桥、嵌接等情况，造成开始流 化时需要大于理论值的推动力才能使床层松动，即形 成较大的压力降。
气泡及其周围气体与颗粒运动情况
5.1.5 流化床中常见的异常现象及处 理方法
• 1.沟流现象 • 沟流现象的特征是气 体通过床层时形成短路， 如图所示。 • 沟流有两种情况（a） 图所示的贯穿沟流和（b） 图所示的局部沟流。 • 沟流对反应过程的影 响：沟流现象发生时，大 部分气体没有与固体颗粒 很好接触就通过了床层， 这在催化反应时会引起催 化反应的转化率降低。由 于部分颗粒没有流化或流 化不好，造成床层温度不 均匀，从而引起催化剂的 烧结，降低催化剂的寿命
• P -u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。
• 二、气体分布板的基本构造及特点 • 工业生产用的气体分布板的型式，主要有：密孔板； 直流式、侧流式和填充式分布板，旋流式喷嘴和分枝式分 布器等，而每一种型式又有多种不同的结构。 • 密孔板又称烧结板，被认为是气体分布均匀、初生气 泡细小、流态化质量最好的一种分布板。但因其易被堵塞， 并且堵塞后不易排出，加上造价较高，所以在工业中较少 使用。 • 直流式分布板结构简单，易于设计制造。但气流方向 正对床层，易使床层形成沟流，小孔易于堵塞，停车时又 易漏料。所以除特殊情况外，一般不使用直流式分布板。
5.1.2 散式流化床和聚式流化床
• 1、散式流化床 • 对于液固系统，当流速高于最小流化速度时，随着流速的增加， 得到的是平稳的、逐渐膨胀的床层，固体颗粒均匀地分布于床层各处， 床面清晰可辨，略有波动，但相当稳定，床层压降的波动也很小且基 本保持不变。既使在流速较大时，也看不到鼓泡或不均匀的现象。这 种床层称为散式流化床，或均匀流化床、液体流化床，如图（ a）所 示。
5.2 流化床反应器中的传质
• 1.颗粒与流体间的传质 • 气泡中的气体与颗粒接触较差，原因 是气泡中几乎不含颗粒，气体与颗粒接触 的主要区域集中在气泡与气泡晕的相界面 和尾涡处。无论流化床用作反应器还是传 质设备，颗粒与气体间的传质速率都将直 接影响整个反应速率或总传质速率。
• 2.气泡与乳化相间的传质 • 由于流化床反应器中的反应实际上是 在乳化相中进行的，所以气泡与乳化相间 的气体交换作用非常重要。相间传质速率 与表面反应速率的快慢，对于选择合理的 床型和操作参数都直接有关。
• 2.大气泡现象 • 大气泡的特征，床层中大气泡很多， 气泡不断搅动和破裂，床层波动大，操作 不稳定，气固间接触不好，就会使气固反 应效率降低。 • 产生的原因：通常床层较高，气速较 大时容易产生大气泡现象。 • 处理方法：在床层内加设内部构件可 以避免产生大气泡，促使平稳流化。
• 3.腾涌现象 • 腾涌现象的特征，就是气泡直径大到与床径相等，将 床层分为几段，变成一段气泡和一段颗粒的相互间隔状态。 此时颗粒层被气泡像活塞一样向上推动，达到一定高度后 气泡破裂，引起部分颗粒的分散下落。腾涌发生时，床层 的均匀性被破坏，使气固相的接触不良，严重影响产品的 产量和质量，并且器壁磨损加剧，引起设备的振动。 • 产生的原因：出现腾涌现象时，由于颗粒层与器壁的 摩擦造成压降大于理论值，而气泡破裂时又低于理论值， 即压降在理论值上下大幅度波动。一般来说，床层越高、 容器直径越小、颗粒越大、气速越高，越容易发生腾涌现 象。 • 处理方法：在床层过高时，可以增设挡板以破坏气泡 的长大，避免腾涌发生。
• 管束式换热器分直列和横列两种，但横列的管束 式换热器常用于流化质量要求不高而换热量很大 的场合，如沸腾燃烧锅炉等。 • U型管式换热器是经常采用的种类，具有结 构简单、不易变形和损坏、催化剂寿命长、温度 控制十分平稳的优点。 • 蛇管式换热器也具有结构简单，不存在热补 偿问题的优点，但也存在同水平管束式换热器相 类似的问题，即换热效果差，对床层流态化质量 有一定的影响。
• 临界点时，床层的压降△P既符合固定床的 规律，同时又符合流化床的规律，即此点 固定床的压降等于流化床的压降。均匀粒 度颗粒的固定床压降可用埃冈（Ergun）方 程表，从而得出△P的计算理论计算公式， 可以参考有关书籍。
• 影响临界流化速度的因素： • 颗粒直径、颗粒密度、流体粘度等等。
• 颗粒带出速度： • 颗粒带出速度是流化床中流体速度的 上限，流体对粒子的曳力与粒子的重力相 等，粒子将被气流带走。这一带出速度， 或称终端速度，近似地等于粒子的自由沉 降速度。
• （a） （b） （c） • 直流式分布板 • （a）直孔式分布板； （b）凹型分布板； （c）直孔泡帽分布板
•
填充式分布板是在多孔板（或栅板）和金属丝网上间隔 地铺上卵石、石英砂、卵石，再用金属丝网压紧。其结构 简单，制造容易，并能达到均匀布气的要求，流态化质量 较好。但在操作过程中，固体颗粒一旦进入填充层就很难 被吹出，容易造成烧结。另外经过长期使用后，填充层常 有松动，造成移位，降低了布气的均匀程度。
• 实际流化床气速： • 实际生产中，操作气速是根据具体情况确定 的。流化数u/umf一般在1.5～10的范围内，也有 高达几十甚至几百的。另外也有按u/ut=0.1～0.4 左右来选取的。通常采用的气速在0.15～0.5m/s。 对热效应不大、反应速率慢、催化剂粒度小、筛 分宽、床内无内部构件和要求催化剂带出量少的 情况，宜选用较低气速。反之，则宜用较高的气 速。
（a）单管式；（b）套管式；（c）鼠笼式；（d）直列管束式；（e） 横列管束式；（f）U型管式；（g）蛇管式
• 流化床与换热表面间的传热是一个复杂过 程，给热的影响因素主要有：流体和颗粒 的性质、流动条件、床层与换热面的几何 形状等因素有关。
5.4 流化床反应器中气体分布板
• 一、气体分布板的作用 • 流化床的气体分布板是保证流化床具有良好而稳定流 态化的重要构件，它应该满足下列基本要求： • ①具有均匀分布气流的作用，同时其压降要小。这可 以通过正确选取分布板的开孔率或分布板压降与床层压降 之比，以及选取适当的预分布手段来达到。 • ②能使流化床有一个良好的起始流态化状态，避免形 成“死角”。这可以从气体流出分布板的一瞬间的流型和 湍动程度，从结构和操作参数上予以保证。 • ③操作过程中不易被堵塞和磨蚀。 • 分布板对整个流化床的直接作用范围仅0.2～0.3m， 然而它对整个床层的流态化状态却具有决定性的影响。在 生产过程中常会由于分布板设计不合理，气体分布不均匀， 造成沟流和死区等异常现象。
5 流化床反应器Fra Baidu bibliotek
5.1.1 固体流态化现象
• 当流体自下而上通过固体颗粒床层时，随着流体的表观 （或称空塔）流速变化，床层会出现不同的现象。(a)固 定床 (b)临界流化床；(c)流化床；(d)气流输送床。 • 概念：将固体颗粒悬浮于运动的流体中，从而使颗粒 具有类似于流体的某些宏观特性，这种流固接触状态称为 固体流态化。
5.3 流化床反应器中的传热
• 流化床气固相接触面积大，颗粒循环速度 高，颗粒混合得很均匀以及床层中颗粒比 热容远比气体比热容高等原因。流化床具 有传热效率高、床层温度均匀的优点。
• 常见的流化床内部换热器的特点如图所示。 • 列管式热器是将换热管垂直放置在床 层内密相或床面上稀相的区域中。常用的 有单管式和套管式两种，根据传热面积的 大小，排成一圈或几圈。 • 鼠笼式换热器由多根直立支管与汇集 横管焊接而成，这种换热器可以安排较大 的传热面积，但焊缝较多。
5.1.4 流化床中的气泡及其行为
气体经分布板进入床层后，一部分与 固体颗粒混合构成乳化相，另一部分 不与固体颗粒混合而以气泡状态在床 层中上升，这部分气体构成气泡相。 气泡在上升中，因聚并和膨胀而增大， 同时不断与乳化相间进行质量交换， 即将反应物组分传递到乳化相中，使 其在催化剂上进行反应，又将反应生 成的产物传到气泡相中来，可见其行 为自然成为影响反应结果的一个决定 性因素。 气泡上升速度是气泡的重要参数 之一。为了研究气泡的上升速度，实 验室中常采用在临界流化状态下注入 人工气泡的方法。
(a） （b） 流化床中的沟流现象 (a）贯穿沟流； （b）局部沟流
• 沟流现象产生的原因主要与颗粒特性和气体分布 板的结构有关。下列情况容易产生沟流：颗粒的 粒度很细（粒径小于40μm）、密度大且气速很 低时；潮湿的物料和易于粘结的物料；气体分布 板设计不好，布气不均，如孔太少或各个风帽阻 力大小差别较大。要消除沟流， • 处理方法：应对物料预先进行干燥并适当加 大气速，另外分布板的合理设计也是十分重要的。 还应注意风帽的制造、加工和安装，以免通过风 帽的流体阻力相差过大而造成布气不均。