第四章-反应器基本原理7节...ppt

7 流化床反应器流化床反应器流化床反应器流化床反应器流化床反应器流化床反应器是气固相反应常用的一种反应器，在化工、石油、冶金等部门已经得到广泛应用。应用体系：苯氧化制苯酐、丙烯腈的合成、石油催化裂化等等。特点特点特点特点：催化剂采用很细的颗粒，当气体通过反应器的时候，床内催化剂层受到气流的冲击作用悬浮起来，在反应器内做剧烈的运动，上下翻滚，整个系统很像沸腾的液体。由于其特点故称为由于其特点故称为由于其特点故称为由于其特点故称为流化床流化床流化床流化床或沸腾床沸腾床沸腾床沸腾床，这种过程称为固体的流态化固体的流态化固体的流态化固体的流态化。与固定床相比，流化床具有的优点：与固定床相比，流化床具有的优点：由于固体颗粒直径较小，一定体积的催化剂（或其它固体物质）与流体有较大的接触面积，因而增增增增大大大大了流体与固体颗粒之间的传热和传质面积了流体与固体颗粒之间的传热和传质面积了流体与固体颗粒之间的传热和传质面积了流体与固体颗粒之间的传热和传质面积；由于颗粒在流体中处于运动状态，颗粒与流体界面不断搅动，因而界面不断更新，颗粒湍动程度增加，因此提提提提高高高高了了了了传传传传热热热热和和和和传传传传质质质质的的的的系系系系数数数数。所以当大量反应热放出时，能够很快地传出，以避免床层局部过热；在催化剂必须定期再生的情况下，特别是催化剂活性消失很快而须及时进行再生的情况下，由于流化床具有流动性，便于生产的连续性和自动化便于生产的连续性和自动化便于生产的连续性和自动化便于生产的连续性和自动化。流化床的主要缺陷一：流化床的主要缺陷一：由于流化床中气体常常出现过大的气泡、腾涌等现象，造成固体颗粒的密集，因此常常影影响响气气体体与与催催化化剂剂颗颗粒粒的的接接触触效效率率，另外，流化床内固体颗粒和流体沿设备轴向混合很严重，这时未参加反应的物料被已反应的物料所稀释，使使传传质质推推动动力力减减小小，从从而而导导致致反反应应速速度度降降低低，转化率下降，有时选择性下降。转化率下降，有时选择性下降。流化床的主要缺陷二：流化床的主要缺陷二：在流化床中，由于固体颗粒的剧烈搅动和颗粒的循环运动会造成催化剂的磨损，因此对对于于流流化化床床所所使使用用的的催催化化剂剂的的耐耐磨磨性性有有会会更更突突出出的的要要求求。由于物料和催化剂处于激烈的运动状态，必然会使固体破碎而带出许多微细的催化剂，为了防止污染及减少催化剂损失，尤其存在有害粉尘和催化剂价格昂贵的情况下，更要有妥善的回收装置。7-1 基本现象与名称基本现象与名称流态化过程流态化过程 当气体自下而上地通过床层时，随着催化剂颗粒的特性、床层几何尺寸、气体流速等的不同，流流流流态态态态化化化化过过过过程程程程可可可可分分分分为为为为：固固固固定定定定床床床床阶阶阶阶段段段段，流流流流化化化化床床床床阶阶阶阶段段段段，气气气气流流流流输输输输送送送送阶段阶段阶段阶段。（1）固定床阶段）固定床阶段在一个床内，当空床气流较小时，固体颗粒静止不动，气体从催化剂颗粒之间的缝隙穿过，如图4-51(a)所示。（2）流化床阶段（浓相流化）流化床阶段（浓相流化）在空床气速增加到一定值后，继续增大气速，固体颗粒的位置得到调整，床层膨胀，它的空隙率开始增加，但固体颗粒仍保持接触。此时流化状态即将进入流化床阶段。达达流流态态化化起起点点时时的的流流速速称称为为临临临临界界界界流流流流化化化化速速速速度度度度w wmfmf。当空床气速超过wmf时颗粒完全呈悬浮状态，它们可以往各个方向流动，此时由颗粒所形成的床层完全处于流态化状态。处于流态化的气固系统具有类似于流体的同样流动性。（3）气流输送阶段（稀相流化）气流输送阶段（稀相流化）当床内气速达到固体颗粒开始被吹出反应器时，其相应的流速称为最最最最大大大大流流流流速速速速w wmaxmax，或称颗颗颗颗粒粒粒粒带带带带出出出出速速速速度度度度、超过此点，正常流态化已被破坏，此时床层空隙随气速增加而逐渐增大，最后床内颗粒全部被吹出，床层空隙率达100。结论结论：流流化化床床的的正正常常操操作作速速度度理理论论上上应应处处于于临临界界流流化化速度速度w wmfmf 与最大流速（颗粒带出速度）与最大流速（颗粒带出速度）w wmaxmax 之间。之间。流态化分类：流态化分类：（一）散散式式流流态态化化，其特征是流化床的颗粒均匀分散在床层中，平稳流化。（二）聚聚式式流流态态化化，其特征是流化床内除一部分气体以临界流态化的速度流经粒子之间的空隙外，其余的气体成为气泡通过，因而人们常是把聚式流化床中聚集状态分为气气泡泡相相和乳浊相乳浊相。气泡在上升途中因聚合而增大，同时气泡又不断与乳浊相进行质量交换，即将反应组分传递到乳浊相中，在催化剂上进行反应，又将产生得产物传到气泡中来，并最后带出床层。所以气泡被认为是床层流化的基本动力，又是物质接受的储库，故它对化学反应起着决定性的作用。另外，气泡在上升途中逐渐长大并破裂，有时也会造成床层的不稳定。沟流沟流定定义义：气体大量短路穿床层，床内形成一条狭窄通道，此时大床层仍处于固定状态，这种现象称为沟流沟流沟流沟流。如果沟流穿过整个床层，就称为贯贯穿穿沟沟流流，如沟流仅发生在局部，就称之为局局局局部部部部沟流沟流沟流沟流。与与沟沟流流的的产产生生有有关关的的因因素素：颗粒的性质、流体流速、床层的厚薄、设备结构等。例如，颗粒的粒度较细，且气速过低；潮湿的物料；易粘合、结团的物料；气体分布板设计得不好（或孔数太小，或孔径太大）等等都会引起沟流。消除沟流最有效的办法：加大气速，物料预先干燥，在床内加内部构件以及改善分布结构等。腾涌（节涌）腾涌（节涌）流化床内的气泡直径接近容器直径时，床内物料呈活塞状向上运动，于是床层分割成一段或几段，产生“腾涌腾涌腾涌腾涌”。腾腾涌涌的的影影响响：腾涌的存在不仅会造成床内温度分布不均和浓度的返混，降低转化率，而且会降低催化剂的寿命，增加催化剂的磨损及引起设备的振动。与与与与产产产产生生生生腾腾腾腾涌涌涌涌有有有有关关关关的的的的因因因因素素素素：颗粒的性质，床层高度、气体流速等。例如，床径比H0/D(未流化的静止床层高度H0与床层直径D之比)较大时候，大颗粒比小颗粒容易产生腾涌。消消消消除除除除腾腾腾腾涌涌涌涌的的的的方方方方法法法法：选择合适的高径比及在床内加设内部构件如加挡板、挡网等。流化床膨胀比流化床膨胀比临界流化速度附近的床层料面十分平稳，床层膨胀程度很小。当气流速度较高时，由于床层大量气泡的形成、结合、崩裂，以及空隙率增大，床层膨胀和起伏程度就会增大。床层的膨胀特性可用膨胀比（R）来表示：床层膨胀比与流体的流速、物料的性质和设备结构等因素有关。流化数这是一个操作指标，用来衡量流化程度，其中：操作温度w 操作时的气体空床速度。流化质量参数流化质量参数流化状态的好坏，通常以“流化质量流化质量流化质量流化质量”来描述。通常用床层压降的波动、局部密度的变化、床层料面起伏比等参数来评价流化状态的好坏。此外，床内粒子的分布，温度分布，传热和传质状况，流化床本身的振动等也都在不同情况下用来判断流化状态。一般认为，较较宽宽的的固固体体颗颗粒粒分分布布，较较低低的的床床层层和和气速，会出现较好的流化状态气速，会出现较好的流化状态。流化床内选择好的分布板或加设预分布板和挡网、挡板等内部构件，可改善气相或固相的停留时间分布，抑制和破碎气泡，强化两相接触，降低床层压力波动，减少料面起伏比，使高床层操作称为可能，从而起到提高流化质量的作用。必须指出，以上所述的流化质量的各参数，仅表示了流化状态的某一方面的特征。对流化质量的好坏，应该用各参数全面地加以评定。在工业生产中，一般还须从转化率、收率、副产物等情况来综合判断其流化质量。7-2 流化床的基本结构基本构件基本构件基本构件基本构件 流化床的结构型式很多，但不论什么型式，一般都有壳体、气体分布装置、内部构件、换热装置、气固分离装置和固体催化剂颗粒加卸装置等基本构件组成。单层流化床单层流化床多层流化床多层流化床对于气固催化反应，主要采用“单层流化床”。但是在要求分段控制条件时，或许要求转化率很高的情况下，则常采用“多层流化床多层流化床”。例如石灰石焙烧采用如图4-57所示的溢流管式多层流化床。多层流化床在操作和控制上是催化剂或物料被分段流化，连续反应，逐步增加转化率的，所以它也叫“多段流化床多段流化床多段流化床多段流化床”。多层流化床在操作和控制上都比较复杂，在应用上受到一定的限制，多应用在矿石焙烧的固相加工过程。两器流化床两器流化床单层和多层流化床中所有床层都处在同一壳体内。如果催化剂寿命短，考虑再生容易，则常采用两两两两器器器器流流流流化化化化床床床床。它是采用流流流流化化化化床床床床反反反反应应应应器器器器和流流流流化化化化床床床床再再再再生生生生器器器器联合操作。如图4-58，采用的催化剂是人造硅铝催化剂。由于石油的裂化，催化剂表面被焦炭粘附而失去活性，因此催化剂需要及时而且连续地流化再生。概述：概述：在在气气固固相相反反应应中中，如如果果催催化化剂剂活活性性降降低低较较快快，可可采采用用两两器器流流化化床床。反反之之，催催化化剂剂寿寿命长，一般都采用命长，一般都采用单器流化床单器流化床。7-3 流化床主体尺寸的确定方法流化床主体尺寸的确定方法流化床主体尺寸包括床床床床径径径径D D和总高度总高度总高度总高度HH。工程上，设计流化床时还要设计计算气体分布器、分布板；确定必要的内部构件及其尺寸；确定换热器的结构型式，计算必要的传热面积；设计计算气固分离装置；布置和选择其它部件。下面仅对单器、单层流化床的主体尺寸的确定作简单介绍。流化床直径流化床直径 D 的确定的确定式中：FV 气体在操作温度、压力下的体积流量 m3/s；w 空床的气体操作速度 m/s。由于流化床的操作速度在理论上应处于临临临临界界界界流流流流化化化化速速速速度度度度（w wmfmf，也也也也称称称称最最最最小小小小流流流流化化化化速速速速度度度度）和颗颗颗颗粒粒粒粒带带带带出出出出速速速速度度度度（w wmaxmax，也也也也称称称称最最最最大大大大流流流流化化化化速速速速度度度度）之间，因此应先确定临界流化速度和带出速度，然后再参考生产或实验数据选取操作速度。扩大段直径扩大段直径 D/的确定的确定扩扩扩扩大大大大段段段段的的的的作作作作用用用用：降低空塔速度，使一部分较小的颗粒在扩大段进行进一步的沉降。在生产上它又常常取决于过滤管或旋风分离器的安装要求。例如，流化床用过滤管回收粉尘时，在分离段之上也常加一扩大段，一则减轻过滤管负荷，再则可以多装些过滤管，以降低气体经过过滤管的速度，减少阻力；如果流化床用内旋风分离器回收粉尘时，其旋风分离器若可以装得下，也可以不要扩大管。扩大段直径D/的计算公式的计算公式式中：FV 进入扩大段体积流量 m3/s；wmax 最小颗粒不被带出流化床的带出速 度，颗粒带出速度，最最最最大大大大流流流流化化化化速速速速度度度度 m/s。有些情况下，为简化起见，取扩大段气速为操作气速的1/2来进行计算。流化床总高度流化床总高度 H 的确定的确定流化床总高度流化床总高度流化床总高度流化床总高度 HH的组成的组成的组成的组成：（1）流化床层（浓相段）高度）流化床层（浓相段）高度 H1；（2）分离段（稀相段）高度）分离段（稀相段）高度H2；（3）扩大段高度）扩大段高度 H3；（4）锥底高度）锥底高度 H4。1.流化床层高度流化床层高度 H1（浓相段高度）：（浓相段高度）：由由静床高（静床高（H0）、膨胀比（膨胀比（R）确定。确定。式中：式中：V催催 达到一定转化率所需要的催化剂体积达到一定转化率所需要的催化剂体积 m3；G催催 达到一定转化率所需要的催化剂质量达到一定转化率所需要的催化剂质量 kg；堆堆 催化剂的堆积密度催化剂的堆积密度 kg/m3;D 反应器直径反应器直径 m;w 适当的空床操作速度适当的空床操作速度 m/s;式中：式中：Vk 流化床的体积流化床的体积 m3，也就是某一操作速度，也就是某一操作速度 w 时床层膨胀后体积；时床层膨胀后体积；V0 静止床体积静止床体积 m3，也就是气体速度，也就是气体速度 临界临界 流化速度流化速度mmf时的床层体积；时的床层体积；H1 流化床高度流化床高度 m;H0 静止床高度静止床高度 m;D 床层直径床层直径 m;0 临界流化速度下的床层空隙率；临界流化速度下的床层空隙率；操作速度下的床层空隙率；操作速度下的床层空隙率；2.分离段高度分离段高度（稀相段高度）（稀相段高度）H2：一般可根据中试或生产经验选取。离床面距离愈大，固体颗粒的浓度就愈小，至离床界面一定距离以后，固体浓度基本不变，这段距离称为流流流流化化化化床分离段高度床分离段高度床分离段高度床分离段高度。3.扩大段高度扩大段高度 H3主要是考虑到内过滤管或内旋风分离器的安装、检修的方便来确定的。例如，在采用内旋风分离器除尘时，在“分离段”以上应留有安装旋风分离器的空间。一般来说，扩大段高度 H3根据经验依具体情况选取，大致等于扩大段直径D/，即 H3=D/。