化学反应工程07_气固相催化流化床反应器.ppt

第七章 气固相催化流化床反应器 第一节：流化床反应器及其特点 二、流化床的基本概念 1.固定床和流化床 （1）固定床：当通过床层的流体流量较小时，颗粒受到的升力（浮力与曳力之和）小于颗粒自身重力时，颗粒在床层内静止不动，流体由颗粒之间的空隙通过。此时床层称为固定床。 （2）流化床：随着流体流量增加，颗粒受到的曳力也随着增大。若颗粒受到的升力恰好等于自身重量时，颗粒受力处于平衡状态，故颗粒将在床层内作上下、左右、前后的激烈运动，这种现象被称为固体的流态化，整个床层称为流化床。 2.流化床类似液体的性状 轻的物体浮起； 表面保持水平； 固体颗粒从孔中喷出； 床面拉平； 床层重量除以截面积等于压强 3.流化床的优点 （1）传热效能高，固体颗粒迅速混合，整个床 层易于控制等温； （2）颗粒流动类似液体，易于处理，控制，宜于大规模操作； （3）颗粒可以在两个流化床之间流动、循环，使大量热、质有可能在床层之间传递； （4）气体和固体之间的热质传递较其它方式高； （5）流化床与床内构件的给热系数大； （6）由于粒子细，可以消除内扩散阻力，能充分发挥催化剂的效能。 4.流化床的缺点 （1）气体流况不均，不少气体以气泡状态经过床层，气－固相接触不够有效； （2）颗粒在床层迅速混合，粒子运动基本上是全混式，造成停留时间分布不均匀； （3）脆性颗粒易粉碎被气流带走； （4）颗粒对设备磨损严重； （5）对高温非催化操作，颗粒易于聚集和烧结。 5.散式流化和聚式流化 （1）散式流态化 随着流体流量的加大，床层内空隙率增大，颗粒之间间距加大，而颗粒在床层中分布均匀，流体基本上以平推流形式通过床层，人们称这种流化形式为散式流态化。(如液－固系统) （2）聚式流态化 在此类流态化形式中，床层明显地分成两部分。其一是乳化相：固体颗粒被分散于流体中，单位体积内颗粒量类似于散式流化床的初始流化状态。其二是气泡相：流体以气泡形式通过床层。 (如气－固系统) （3）两种流态化的判别 一般认为： 液固流态化为散式流态化； 气固流态化多为聚式流态化。 为散式流态化 为聚式流态化 6.浓相段和稀相段 浓相段：当流体通过固体床层的空塔速度值高于初始流化速度但低于带出速度，颗粒在气流作用下悬浮于床层中，所形成的流固混合物称为浓相段。 稀相段：在浓相段上升的气泡在界面上破裂，气泡内颗粒以及受气泡挟带的乳化相中颗粒将被抛向浓相段上方空间。这段空间称为稀相段或称分离段。 7.流态化的不正常现象 沟流：由于流体分布板设计或安装上存在问题，使流体通过分布板进入浓相段形成的不是气泡而是气流，称沟流。沟流造成气体与乳化相之间接触减少，传质与反应效果明显变差。 大气泡和节涌（腾涌） 8.流化床的工业应用 第一次工业应用： 1922年 Fritz Winkler获德国专利，1926年第一台高13米，截面积12平方米的煤气发生炉开始运转。 目前最重要的工业应用： 物理操作 矿物资源的综合利用 煤的燃烧与转化 石油加工工业 有机合成工业 材料工业 生化工程中的应用 环境工程中的应用 第二节：流化床的传递 一、流速和压降 1.流化床的床层压降 在临界点： 固定床： 流化床： 故： 2.初始流化速率umf： 颗粒开始流化时的最小气流速率 合并两式并整理（ds＝φadp）： （1）对于小颗粒流化床：Re 2 （2）对于大颗粒流化床：Re 1000 3.带出速率（终端速率）： 当流体对颗粒的曳力与颗粒的重量相等，颗粒会被流体带走： 对于单颗粒，有半经验公式： 以上计算是针对一个颗粒的，在流化床内由于颗粒间有相互影响，故逸出速度由此速度值再加以校正而得。 uT=Fu Re10时，F≈1 Re10时，Re-F见下图 4.反应器内径的计算 VG：气流的体积流量m3s-1 dT：流化床内径m u：气流的空塔流速m.s-1 可见，流化床的内径取决于气流的空塔气速，而流化床的空塔气速应介于初始流化速度（也称临界流化速度）与逸出速度之间。即维持流化状态的最低气速与最高气速之间。 例8-1 计算萘氧化制苯酐的微球硅胶钒催化剂的起始流化速度和逸出速度 已知催化剂粒度分布如下： 催化剂颗粒密度ρP=1120kg.m-3 气体密度ρ=1.10kg.m-3 气体粘度μ=0.0302mPa·s 解 1．计算颗粒平均粒径 根据标准筛的规格，目数与直径关系如下： 在两个目数间隔内颗粒平均直径可按几何平均值计算，即 2．计算起始流化速率（umf） 3．计算带出速