第四章-反应器基本原理7节..优秀PPT.ppt

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1、 7 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，在流化床反应器是气固相反应常用的一种反应器，在流化床反应器是气固相反应常用的一种反应器，在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。化工、石油、冶金等部门已经得到广泛应用。化工、石油、冶金等部门已经得到广泛应用。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、石油催应用体系：苯氧化制苯酐、丙烯腈的合成、石油催应用体系：苯氧化制苯酐、丙烯腈的合成、石油催应用体系：苯氧化制苯酐、丙烯腈的合成、石油催化裂化等等。化裂化等等。化裂化等等。化裂化等等。特点：催化

2、剂接受很细的颗粒，当气体通过反应器特点：催化剂接受很细的颗粒，当气体通过反应器特点：催化剂接受很细的颗粒，当气体通过反应器特点：催化剂接受很细的颗粒，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，的时候，床内催化剂层受到气流的冲击作用悬浮起来，的时候，床内催化剂层受到气流的冲击作用悬浮起来，的时候，床内催化剂层受到气流的冲击作用悬浮起来，在反应器内做猛烈的运动，上下翻滚，整个系统很像沸在反应器内做猛烈的运动，上下翻滚，整个系统很像沸在反应器内做猛烈的运动，上下翻滚，整个系统很像沸在反应器内做猛烈的运动，上下翻滚，整个系统很像沸腾的液体。腾的液体。腾的液体。腾的液体。由于其特点

3、故称为流化床或沸腾床，这种过程称为由于其特点故称为流化床或沸腾床，这种过程称为由于其特点故称为流化床或沸腾床，这种过程称为由于其特点故称为流化床或沸腾床，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，确定体积的催化剂（或其它固体物质）与流体有较大的接触面积，因而增大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，因此提高了传热和传质的系数。所以当大量反应热放出时，能够很快地传出，以避开床层局部过热；在催化剂必

4、需定期再生的状况下，特殊是催化剂活性消逝很快而须刚好进行再生的状况下，由于流化床具有流淌性，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，因此常影响气体与催化剂颗粒的接触效率，另外，流化床内固体颗粒和流体沿设备轴向混合很严峻，这时未参与反应的物料被已反应的物料所稀释，使传质推动力减小，从而导致反应速度降低，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，由于固体颗粒的猛烈搅动和颗粒的循环运动会造成催化剂的磨损，因此对于流化床所运用的催化剂的耐磨性有会更突出的要求。由于物料和催

5、化剂处于激烈的运动状态，必定会使固体裂开而带出很多微细的催化剂，为了防止污染及削减催化剂损失，尤其存在有害粉尘和催化剂价格昂贵的状况下，更要有妥当的回收装置。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

6、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）在空床气速增加到确定值后，接着增大气速，固体颗粒的位置得到调整，床层膨胀，它的空隙率起先增加，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。达流态化起点时的流速称为临界流化速度wmf。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淌，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淌性。（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起先被吹出反应器时，其相应的流速称为最大流速wmax，或称颗粒带出速度、超过此点，正常流态化已被

7、破坏，此时床层空隙随气速增加而渐渐增大，最终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 wmf mf 与最大流速（颗粒带出速度）与最大流速（颗粒带出速度）w wmax max 之间。之间。流态化分类：流态化分类：（一）散式流态化，其特征是流化床的颗粒匀整分散在床层中，平稳流化。（二）聚式流态化，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泡相和乳浊相。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

8、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，并最终带出床层。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确定性的作用。另外，气泡在上升途中渐渐长大并裂开，有时也会造成床层的不稳定。沟流沟流定定义义：气气体体大大量量短短路路穿穿床床层层，床床内内形形成成一一条条狭狭窄窄通通道道，此此时时大大床床层层仍仍处处于于固固定定状态，这种现象称为沟流。状态，这种现象称为沟流。假假如如沟沟流流穿穿过过整整个个床床层层，就就称称为为贯贯穿穿沟沟流流，如如沟沟流流仅仅发发生生在在局局部部，就就称称之之为为局局部部沟流。沟流。与与沟沟流流的的产产生

9、生有有关关的的因因素素：颗颗粒粒的的性性质质、流流体体流流速、床层的厚薄、设备结构等。速、床层的厚薄、设备结构等。例例如如，颗颗粒粒的的粒粒度度较较细细，且且气气速速过过低低；潮潮湿湿的的物物料料；易易粘粘合合、结结团团的的物物料料；气气体体分分布布板板设设计计得得不不好好（或孔数太小，或孔径太大）等等都会引起沟流。（或孔数太小，或孔径太大）等等都会引起沟流。消消退退沟沟流流最最有有效效的的方方法法：加加大大气气速速，物物料料预预先先干干燥，在床内加内部构件以及改善分布结构等。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

10、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：颗颗颗颗粒粒粒粒的性质，床层高度、气体流速等。的性质，床层高度、气体流速等。的性质，床层高度、气体流速等。的性质，床层高度、气体流速等。例例例例如如如如，床床床床径径径径比比比比H0/D(H0/D(未未未未流流流流化化化化的的的的静静静静止止止止床床床床层层层层高高高高度度度度H0H0与与与与床床床床层层层层直直直直

11、径径径径D D之之之之比比比比)较较较较大大大大时时时时候候候候，大大大大颗颗颗颗粒粒粒粒比比比比小小小小颗颗颗颗粒粒粒粒简简简简洁洁洁洁产生腾涌。产生腾涌。产生腾涌。产生腾涌。消消消消退退退退腾腾腾腾涌涌涌涌的的的的方方方方法法法法：选选选选择择择择合合合合适适适适的的的的高高高高径径径径比比比比及及及及在在在在床床床床内内内内加加加加设设设设内内内内部部部部构构构构件件件件如如如如加加加加挡板、挡网等。挡板、挡网等。挡板、挡网等。挡板、挡网等。流化床膨胀比流化床膨胀比临界流化速度旁边的床层料面特别平稳，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，

12、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”来描述。通常用床层压降的波动、局部密度的变更、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状况下用来推断流化状态。一般认为，较宽的固体颗粒分布，较低的床层和气速，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

13、留时间分布，抑制和裂开气泡，强化两相接触，降低床层压力波动，削减料面起伏比，使高床层操作称为可能，从而起到提高流化质量的作用。必需指出，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，应当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、副产物等状况来综合推断其流化质量。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 流流流流化化化化床床床床的的的的结结结结构构构构型型型型式式式式很很很很多多多多，但但但但不不不不论论论论什什什什么么么么型型型型式式式式，一一一一般般般般都都都都有有有有壳壳壳壳体体体体、气气气气体体体体分分分分布布布布装装

14、装装置置置置、内内内内部部部部构构构构件件件件、换换换换热热热热装装装装置置置置、气气气气固固固固分分分分别别别别装装装装置置置置和和和和固固固固体体体体催催催催化化化化剂剂剂剂颗颗颗颗粒粒粒粒加加加加卸卸卸卸装装装装置置置置等等等等基基基基本本本本构构构构件件件件组组组组成。成。成。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，主要接受“单层流化床”。但是在要求分段限制条件时，或许要求转化率很高的状况下，则常接受“多层流化床”。例如石灰石焙烧接受如图4-57所示的溢流管式多层流化床。多层流化床在操作和限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

15、流化床”。多层流化床在操作和限制上都比较困难，在应用上受到确定的限制，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全部床层都处在同一壳体内。假如催化剂寿命短，考虑再生简洁，则常接受两器流化床。它是接受流化床反应器和流化床再生器联合操作。如图4-58，接受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，因此催化剂须要刚好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，假假如如催催化化剂剂活活性性降降低低较较快快，可可接接受受两两器器流流化化床床。反反之之，催催化化剂剂寿寿命长，一般都接受单器流化床。命长，一般都接受单器流化床。7-

16、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径D和总高度H。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；设计计算气固分别装置；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洁介绍。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界流化速度（wmf，也称最小流化速度）和颗粒带出速度（wmax，也称最大流化速度）之间，因此应先确定临界流化速度和带出速度，然后再参考

17、生产或试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：降降降降低低低低空空空空塔塔塔塔速速速速度度度度，使使使使一一一一部部部部分分分分较较较较小小小小的的的的颗颗颗颗粒粒粒粒在在在在扩扩扩扩大大大大段段段段进进进进行行行行进进进进一一一一步步步步的的的的沉沉沉沉降降降降。在在在在生生生生产产产产上上上上它它它它又又又又常常常常常常常常取取取取决决决决于于于于过过过过滤滤滤滤管管管管或或或或旋旋旋旋风分别器的安装要求。风分别器的安装要求。风分别器的安装要求。风分别器的安装要求。例例例例如如如如，流流流流化化化化床床床床用用用用过过过

18、过滤滤滤滤管管管管回回回回收收收收粉粉粉粉尘尘尘尘时时时时，在在在在分分分分别别别别段段段段之之之之上上上上也也也也常常常常加加加加一一一一扩扩扩扩大大大大段段段段，一一一一则则则则减减减减轻轻轻轻过过过过滤滤滤滤管管管管负负负负荷荷荷荷，再再再再则则则则可可可可以以以以多多多多装装装装些些些些过过过过滤滤滤滤管管管管，以以以以降降降降低低低低气气气气体体体体经经经经过过过过过过过过滤滤滤滤管管管管的的的的速速速速度度度度，削削削削减减减减阻阻阻阻力力力力；假假假假如如如如流流流流化化化化床床床床用用用用内内内内旋旋旋旋风风风风分分分分别别别别器器器器回回回回收收收收粉粉粉粉尘尘尘尘时时时时，

19、其其其其旋旋旋旋风风风风分分分分别别别别器器器器若若若若可可可可以以以以装装装装得得得得下下下下，也也也也可可可可以以以以不不不不要要要要扩大管。扩大管。扩大管。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，最大流化速度 m/s。有些状况下，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 H H的组成：的组成：的组成：的组成：（1 1）流化床层（浓相段）高度）流化床层（浓相段）高度）流化床层（浓相段）

20、高度）流化床层（浓相段）高度 H1 H1；（2 2）分别段（稀相段）高度）分别段（稀相段）高度）分别段（稀相段）高度）分别段（稀相段）高度H2H2；（3 3）扩大段高度）扩大段高度）扩大段高度）扩大段高度 H3 H3；（4 4）锥底高度）锥底高度）锥底高度）锥底高度 H4 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）：由静床高（由静床高（H0）、膨胀比（）、膨胀比（R）确定。）确定。式中：式中：V催催 达达到到确确定定转转化化率率所所须须要要的的催催化化剂剂体体积积 m3；G催催 达达到到确确定定转转化化率率所所须须要要的的催催化化剂剂质质量量 kg；堆堆 催化剂的积

21、累密度催化剂的积累密度 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.分别段高度分别段高度（稀相段高度）（稀相段高度）H2：一般可依据中试或生产阅历选取。离床面距离愈大，固体颗粒的浓度就愈小，至离床界面确定距离以后，固体浓度基本不变，这段距离称为流化床分别段高度。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别器的安装、检修的便利来确定的。例如，在接受内旋风分别器除尘时，在“分别段”以上应留有安装旋风分别器的空间。一般来说，扩大段高度 H3依据阅历依具体状况选取，大致等于扩大段直径D/，即 H3=D/。