流化床反应器的设计 一、固体流态化基本概念一、固体流态化基本概念 二、流化床反应器二、流化床反应器三、三、流化床反应器中的传质流化床反应器中的传质和传热和传热四、四、流化床反应器的参数流化床反应器的参数 及其工艺计算及其工艺计算 五、流化床的数学模型五、流化床的数学模型 一、固体流态化基本概念一、固体流态化基本概念: : 1、流态化：流态化： 固体粒子像流体一样进行流动的现象。除重力作用外一般是依靠气体或液体的流动来带动固体颗粒运动的。 固体流态化分为几种形式如下：固体流态化分为几种形式如下： （a)固定床 (b)临界流化床 (c)流化床 (d)气流输送床1 1、流态化的形式、流态化的形式1 1、流态化的形式、流态化的形式（1 1）散式流化床）散式流化床: : 颗粒均匀地分布在整个流化床。 随着流速增加床层均匀膨胀。 床内孔隙率均匀增加。 床层上界面平稳，压降稳定、波动 (2) (2) 聚式流化床聚式流化床: : 聚式流态化出现在流-固密度差较大的体系 。2.2.散式流化床和聚式流化床散式流化床和聚式流化床1 1、流态化的形式、流态化的形式以气泡形式夹带少量以气泡形式夹带少量颗粒穿过床层向上运颗粒穿过床层向上运动的不连续的气泡称动的不连续的气泡称为气泡相为气泡相 颗粒浓度与空颗粒浓度与空颗粒浓度与空颗粒浓度与空隙率分布较为隙率分布较为隙率分布较为隙率分布较为均匀且接近初均匀且接近初均匀且接近初均匀且接近初始流态化状态始流态化状态始流态化状态始流态化状态的连续相，称的连续相，称的连续相，称的连续相，称为乳化相。为乳化相。为乳化相。为乳化相。 散式流化散式流化床床聚式流化聚式流化床床1 1、流态化的形式、流态化的形式一般情况两种流化床的判别一般情况两种流化床的判别： 3.3.两种流化态的判别两种流化态的判别散式流化床散式流化床聚式流化床聚式流化床颗粒与流体之间的颗粒与流体之间的密度差密度差是它们主要区别是它们主要区别气固流化为聚式流化气固流化为聚式流化液固流化为散式流化液固流化为散式流化1 1、流态化的形式、流态化的形式特殊（压力较高的气固系统或者用较轻的液体流化较重的颗粒）情况下两种流化床判别： wilhelm和郭慕孙首先先用弗劳德数来区分两种流化态：研究表明：研究表明：为散式流化为散式流化为聚式流化为聚式流化二、流化床反应器二、流化床反应器（Fluidized Bed ）流化床反应器是：利用气体或液体自下而自下而上上通过固体颗粒床层而使固体颗粒处于悬悬浮运动浮运动状态,并进行气固相反应或液固相反应的反应。在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。 1 1、概述、概述 流化床反应器广泛应用于气固催化反应器，由于流化床反应器具有传热性能好、温度均匀的特点，已成为强放热反应或对温度特别敏感的反应过程重要设备。如成功应用于萘催化氧化制备邻苯二甲酸酐、丙烯氨氧化制备丙烯腈等。2.2.流化床反应器的工作原理流化床反应器的工作原理 催化剂在气流的作用下呈流态化。被处理的气体由下部进气管进入，经过流化床发生催化反应，在经高温过滤器分离催化剂后，由排气管排放。为防止催化剂颗粒堵塞过滤器，从上部喷入某种气体进行周期性反吹清灰。流化床内还设有列管式换热器，以控制反应温度。3 3、流化床反应器的特点、流化床反应器的特点结构简单传热效能高，床层温度均匀气固相间传质速率较高催化剂粒子小，效能高有助于催化剂循环再生催化剂和设备磨损大气流不均时气固相接触效率降低返混大，影响产品质量均一性4 4、流化床反应器的结构、流化床反应器的结构n流化床反应器类型按固体颗粒是否在系统内循环分 （1）单器流化床 （2）双器流化床按床层的外型分 (1)圆筒形 (2)圆锥形 按床层中是否置有内部构件分 (1)自由床 (2)限制床 按反应器内层数的多少分 (1)单层 (2)多层 n反应器主体 流化床反应器主要由壳体、内部构件、换热装置、气固分离装置组成。三、三、流化床反应器中的传质流化床反应器中的传质和传热和传热流化床反应器中的传质流化床反应器中的传质颗粒与流体间的传质颗粒与流体间的传质气泡与乳化相间的传质气泡与乳化相间的传质1、流化床反应器中的传质、流化床反应器中的传质（1 1）颗粒与流体间的传质）颗粒与流体间的传质 气体进入床层后，部分通过乳化相流动，其余则气体进入床层后，部分通过乳化相流动，其余则以气泡形式通过床层。以气泡形式通过床层。 乳化相中的气体与颗粒接触良好，而气泡中的乳化相中的气体与颗粒接触良好，而气泡中的气体与颗粒接触较差。气体与颗粒接触较差。气泡云气泡云关键是确定其传质系数关键是确定其传质系数kG。 由于流化床反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相关。（2 2）气泡与乳化相间的传质）气泡与乳化相间的传质相间传质的途径， 气泡 气泡晕 乳相 理想流体的流化床压降与流速理想流体的流化床压降与流速 固定床阶段：如图固定床阶段：如图AB段压力降段压力降P随着随着流速流速u u的增加而增加的增加而增加 流化床阶段：如图流化床阶段：如图DE段所示床层的压力降保持不变段所示床层的压力降保持不变 。 流体输送阶段：流体输送阶段：压降与流化速度无关。压降与流化速度无关。 压降实际流化床的压降与流速：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。原因：原因：2、流化床反应器中的传热流化床反应器中的传热 具有温度分布均匀和传热速率高的特点，特别适于产生大量反应热的化学反应，同时换热器的传热面积可以减小，结构更紧凑。传热的三种基本形式：传热的三种基本形式： 固体颗粒之间的传热 固体颗粒与流体之间的传热 床层与换热面之间的传热临界流化速度临界流化速度umf（小颗粒）（大颗粒）由上式看出，影响临界流化速度的因素有：颗粒直径 颗粒密度 流体黏度四、四、流化床反应器的参数及其工艺计算流化床反应器的参数及其工艺计算 1 1、气体流速、气体流速 实际操作气速实际操作气速u0选定依据是流化数即u0/umf，通常为1.510还可以按照u0/ut =0.10.4原则选取，所用气体流速一般在0.150.5 左右。 带出速度带出速度ut2 2、流化床床反应器的工艺计算流化床床反应器的工艺计算首先选型再确定床高床径，内部构件最后计算压力降选型： 主要应根据工艺过程特点来考虑，即化学反应特点、颗粒或催化剂的特性、对产品的要求即生成规模 流化床的直径流化床的直径气体的体积流量气体的体积流量, ,反映器直径反映器直径, , 放映器的绝对温度放映器的绝对温度(K)和绝对压力和绝对压力(Pa)以以T、p计的表观气流计的表观气流,流化床的床高：流化床的床高：(1)临界流化床高(2)流化床高床层膨胀比R空隙率 和 为临界状态和实际操作条件下床层的平均密度。3.3.流化床反应器压力降计算流化床反应器压力降计算流化床反应器压力降气体分布板压力降气体分布板压力降流化床压力降流化床压力降分离设备压力降分离设备压力降4 4、气体分布板气体分布板（1 1）分布板的类型）分布板的类型（2 2）分布板的）分布板的作用作用 具有均匀分布气流的作用，同时其压降要小。 能使流化床有一个良好的起始流态化状态。 操作过程中不易被堵塞和磨蚀。 （3 3）分布板的压力降计算分布板的压力降计算开孔率；开孔率；阻率系数，其值在阻率系数，其值在1.5-2.5（4 4）设计或选择分布板的基本要求）设计或选择分布板的基本要求 气体分布均匀，防止积料， 结构简单，材料节省，压降合理。5 5、内部构件、内部构件 （1）种类 垂直管、水平管、多孔板、水平挡网、斜片百叶窗挡板，等。 （2）作用 传热，控制气泡聚并，改变气-固相流动和接触状况，减少颗粒带出。 建立数学模型的目的是要定量地分析影响流化床性能的各个参数之间的数学关系，解决反应器放大和控制以及相关的最优化问题。 模型的类别模型的类别 （1）简单均相模型全混流模型全混流模型活塞流模型活塞流模型（2）两相模型气泡相（活塞流）气泡相（活塞流） 乳化相（活塞流）乳化相（活塞流）气泡相（活塞流）气泡相（活塞流） 乳化相（全混流）乳化相（全混流）（3）三相模型气泡相气泡相上流相（气上流相（气+ +固）固） 下流相（气下流相（气+ +固）固）气泡相气泡相 气泡云气泡云乳化相乳化相 其它还有气泡模型、四区模型等，有些模型还考虑了分布器和自由空间等的影响。五、流化床的数学模型五、流化床的数学模型