高等反应工程第六章优秀PPT.ppt

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1、高等反应工程第六章第一页，本课件共有54页6-4：Overview （概述）一.细颗粒床层转化形式和压降 （Bed Types and Pressure Drop）固定床 膨胀床平稳流化聚式流态化节涌气体输送第二页，本课件共有54页固定密相释相UmfUt临界流化速度带出速度第三页，本课件共有54页 固定床的压降与气速有关，而流化床压降与气速无关与床层重量有关 。（视频5）二.流化床用作反应器的优缺点及应用 （Advantages and Shortcoming）1.优点：a.换热性强，适于强放热反应；b.床层温度均匀，可在最佳温度下维持恒温。第四页，本课件共有54页c.对固体催化剂易失活需再生

2、时，移向再生器方 便，固体作为反应物可容易吹入反应器。d.使用小粒催化剂时不堵管道，利用率高。2.缺点：a.返混较大，转化率低；b.催化剂磨损大，活性下降较快 c.放大倍数低，理论不完善。第五页，本课件共有54页3.应用：a.气相氧化等强放热反应，固体环流的；b.气固非催化反应（煤和矿石熔烧）；c.催化剂再生的场合。4.工业上常用的流化床类型 第六页，本课件共有54页6-5 流化床反应器的一般计算方法 （General Method of Design）.一.临界流化速度（umf）(Minimum Fluidizing Velocity)第七页，本课件共有54页当 时，第一项可忽略（小颗粒）有

3、 当 时，第二项忽略（大颗粒）有 第八页，本课件共有54页 可查表（测定），亦可按下式估算 联立求 二.带出速度 （Maximum Fluidizing Velocity）（Terminal Velocity）当气速增加到对颗粒的浮力=重力时，颗粒就会被气体带出，此时的速度称为带出速度。第九页，本课件共有54页颗粒下沉时受到的阻力：F颗粒截面积阻力系数球形粒子所受的浮力：平衡时：第十页，本课件共有54页 所以 阻力系数 可由下图表知：500Re层流 过度流第十一页，本课件共有54页湍流 层流：Stokos 公式 过渡：即湍流：第十二页，本课件共有54页三.操作气速（）（Superficial

4、Velocity）一定介于 与 之间，具体选多少要看情况而定，传热 ，但磨损大，一般由经验选定：第十三页，本课件共有54页 通常流化床的操作气速在0.150.5 （空塔），可避免催化剂带出损失，过大磨损，但对热效应大，反应速度快的可取高一些0.5 。四.床层的膨胀（Expanding of Bed）床高空隙率 ，第十四页，本课件共有54页 固体体积 膨胀比：估算：a.自由度和垂直管速：第十五页，本课件共有54页b.装有斜挡板及挡网的 R是一个重要的设计参数，可由R反算空隙率 五.流化床高和床径的确定 （Height and Diameter of Bed）1.床高 第十六页，本课件共有54页分

5、离高度 ，目前只能估算或由经验给定。2.床径（）3.分布板设计分布板的作用是（1）引发流化，使气体连续进入流化床；第十七页，本课件共有54页（2）分布均匀，影响流化质量。压降要求：10%床层压降（可由需要加以调整）单层筛板 单层凹形筛板 多层筛板 夹层筛板 管式分布器 泡帽等 开孔率 0.121.5%（面积）开孔数按锐孔阻力系数算小孔气速来定处。六.内部构件（Parts inside）第十八页，本课件共有54页 垂直管 斜挡板 挡网 换热好 返混减少 气泡小均匀 径向分布均匀 气泡变小带出少 流化平稳 但压降大 总之，好的流化床应为：a.换热好 b.流化均匀，平稳。c.接触面积大（小）d.带出

6、少 第十九页，本课件共有54页6-6 流化床中的传递（Transfer in Fluidizing-Bed）一.床层与外壁间的给热 因流化床具有良好的换热性，可使流体与颗粒温度一样。但器内的热量要传出去，通过外壁或内冷管完成。它们的传热系数很高，超过了固定床。因为颗粒的上下游动可破坏边界层，强化传热。定义：第二十页，本课件共有54页文献公式：求方法计算 第二十一页，本课件共有54页查图 加热面高；管径；二.床层与浸没于床内的换热器之间的给热 1.垂直管 第二十二页，本课件共有54页应用范围：管子距床中心位置的校正系数（查图）2.水平管 10-2-102第二十三页，本课件共有54页有内孔 第二十

7、四页，本课件共有54页：水平管外径 水平管的导热系数比竖直管小515%，这是一般用竖直管的原因。气体要通过过气泡和乳相，而反应实际上是发生在乳相。但它的速度受气泡云的传质速度的影响。在催化反应中气体产物又要反扩散到气泡中。因此，气泡起着传递动力和储存产物的作用。三.气泡与乳相间的传质第二十五页，本课件共有54页 它周围的粒子浓度几乎与乳相相同，但随气泡上升。在尾涡中的粒子在上升中不断与外界乳相交换固体。在 时间内穿过 距离上的交换A的量为:。气泡上升速度 第二十六页，本课件共有54页：气泡与气泡晕的交换系数;：气泡晕及乳相间的交换系数;：总括交换系数，CAb、CAc、CAe 分别为A在气泡、气

8、泡晕和乳相中的浓度；第二十七页，本课件共有54页气体在气泡晕中的扩散系数：气体在乳相中的扩散系数，可取 第二十八页，本课件共有54页一.流化床内的动态 1.气泡动态 气体=气泡+分散状态（分子）（）小泡的u 大泡的u气泡云+尾涡 =气泡晕 6-7 流化床的数学模型（Math Models in FB）第二十九页，本课件共有54页 流化床中的气体分子分为两个部分，一部分是以气泡形式通过床层，气泡相在上升过程中不断聚并增大。另一部分是（少量）是以临界流化速度流过颗粒空隙，称为乳相。气泡中的气体与乳相进行物质和能量的交换进行反应。小气泡时，乳相可穿过气泡上流。当气泡由底向上并聚时，其大气泡的气速超过

9、临界速度，就有部分气体穿过气泡形成环流。在气泡外不与乳相混合的部分称为气泡云，气泡越大其云越薄。气泡云和尾涡合称气泡晕。第三十页，本课件共有54页流化床中单个气泡上升的速度为：成群气泡上升的速度：第三十一页，本课件共有54页当 时产生气泡云乳相真实气速气泡云与气泡的曲率半径之比：二维床（扁平床）时 第三十二页，本课件共有54页三维床时尾涡的体积分率：尾涡体积比：第三十三页，本课件共有54页气泡晕的体积比：气泡云与气泡的体积比：2.乳相动态 第三十四页，本课件共有54页 气泡外的那部分床层，有固体颗粒和它们之间湍流的气体。气泡上升时在尾涡中夹带有部分颗粒，在途中不断与周围交换，故在气泡搅动下，颗

10、粒被气泡夹带上去，又在途中降下来，造成颗粒的上下循环，认为床层的固体为全混的。并且颗粒在一定的粒度分布下效果更好。上升的气速较小时上流的气体较多，回流的气体较少。当上升的气速较大时，回流气速大于上流气速，存在着上流和回流两大区。一般说，大气泡行走的区域为上流区，其它地方为回流区。第三十五页，本课件共有54页二.鼓泡床模型（KL模型）关于流化床的数学模型有许多种，对气相和乳相有的认为是活塞型，有的认为是全混流，有的认为是两相（气相和乳相），有的认为是三相（气相、乳相和泡晕相），有的认为是四相（气泡相，泡晕相，上流相和回流相）。对气泡有的认为是球形变径和不变径。有的考虑单一气泡，有的则不考虑气泡的

11、具有形式。而鼓泡床模型则认为三相：第三十六页，本课件共有54页（1）气泡相、乳相和泡晕相，都存在传递和反应；（2）气泡直径不变，分布均匀，呈活塞流流动，匀速上升，乳相中气泡含量较少，忽略不计；（3）尾涡中的固体颗粒以 上升，随后与乳相 中的固体相交换，并以 下降，形式循环；（4）乳相中的气体相对于固体的速度为 不变。以气体为计算基准：分别为气泡、泡晕和乳相中固体与气泡容积比。第三十七页，本课件共有54页 ：分别为气泡向气泡晕和由气泡晕向乳相 中的传递系数（相间交换系数）；：反应速度常数；A传递到乳相的速度=乳相中A反应速度。A在气泡中消失速率=泡中A反应速度+A传到泡晕速度；泡晕中A消失速度=

12、泡晕中A反应速度+A传递到乳相速度；第三十八页，本课件共有54页一级不可逆反应：变换：第三十九页，本课件共有54页对积分当L=0时 积分上式 第四十页，本课件共有54页 第四十一页，本课件共有54页式中：其中：可忽略第四十二页，本课件共有54页 第四十三页，本课件共有54页 模型中一个重要参数气泡直径的估算非常重要。可调估算：第四十四页，本课件共有54页三.气固非催化流化床模型 固体的焙烧和燃烧反应都可在流化床中进行，且气体比固体总是过量的。固体颗粒有不变、增大和缩小三种变化。对于加入的固体反应物，有均匀和非均匀之分.1.粒度均匀的固体颗粒 假设固体在床层中呈全混流 第四十五页，本课件共有54页 带入上式 对气膜控制：第四十六页，本课件共有54页 积分：第四十七页，本课件共有54页反应控制时：第四十八页，本课件共有54页 积分：第四十九页，本课件共有54页灰分控制：动力学方程式：令则有：第五十页，本课件共有54页 解出三次方程的根 积分可得：第五十一页，本课件共有54页2.粒度不一致的固体颗粒 假设进入和流出床层中的粒度相同即 （为颗粒度为i 的半径）且 粒度在床层中的平均转化率为 则有：第五十二页，本课件共有54页若考虑所有粒度，则为：气膜控制：第五十三页，本课件共有54页化学反应控制：灰层扩散控制：The end 第五十四页，本课件共有54页