1、化學(xué)反應(yīng)工程7.1 流化床中的兩相運動流化床中的兩相運動 n概述概述 n顆粒的流化特性顆粒的流化特性 n特征流速特征流速 n氣泡及其行為氣泡及其行為 n分布板與內(nèi)部構(gòu)件分布板與內(nèi)部構(gòu)件 n乳相動態(tài)乳相動態(tài) n顆粒的帶出和揚析顆粒的帶出和揚析 一、概述一、概述 n床層顆粒運動形態(tài)床層顆粒運動形態(tài) 流體自下而上流過床層，改變流體流速，流體自下而上流過床層，改變流體流速，床層顆粒的運動形態(tài)的變化會有如下幾種情床層顆粒的運動形態(tài)的變化會有如下幾種情形形 固定床固定床 起始流化起始流化 散式流化（膨脹床）散式流化（膨脹床） 聚式流化（鼓泡床）聚式流化（鼓泡床） 節(jié)涌床節(jié)涌床 湍流床湍流床 氣流輸送氣流輸

2、送 n床層的劃分床層的劃分依據(jù)顆粒濃度，分為上下兩部分依據(jù)顆粒濃度，分為上下兩部分 上部：稀相床上部：稀相床 下部：密相床下部：密相床 /濃相床濃相床n流化床反應(yīng)器的優(yōu)點流化床反應(yīng)器的優(yōu)點 傳熱效能高，床內(nèi)溫度易控制傳熱效能高，床內(nèi)溫度易控制 用于氧化、裂解、焙燒、干燥等過程用于氧化、裂解、焙燒、干燥等過程 大量固體顆?？煞奖愕赝鶃磉\輸大量固體顆?？煞奖愕赝鶃磉\輸 用于催化裂化用于催化裂化 粒子細(xì)，可消除內(nèi)擴(kuò)散阻力，充分發(fā)揮催粒子細(xì)，可消除內(nèi)擴(kuò)散阻力，充分發(fā)揮催化劑的效能化劑的效能 n流化床反應(yīng)器的缺點流化床反應(yīng)器的缺點 氣流狀況不均，有大量氣泡產(chǎn)生，氣氣流狀況不均，有大量氣泡產(chǎn)生，氣-固兩固

3、兩相接觸不夠有效，達(dá)到高轉(zhuǎn)化率較困難相接觸不夠有效，達(dá)到高轉(zhuǎn)化率較困難 粒子運動全混式，停留時間不均一，以粒粒子運動全混式，停留時間不均一，以粒子為加工對象時，產(chǎn)品質(zhì)量不一子為加工對象時，產(chǎn)品質(zhì)量不一 粒子磨損，帶出造成粒子損失，需加旋風(fēng)粒子磨損，帶出造成粒子損失，需加旋風(fēng)分離器等粒子回收系統(tǒng)分離器等粒子回收系統(tǒng) 二、顆粒的流化特性二、顆粒的流化特性 nGeldart顆粒分類法顆粒分類法 以顆粒密度、粒徑劃分；以顆粒密度、粒徑劃分； A、B：適用于流化，適用于流化，A類顆粒流化性能最好。類顆粒流化性能最好。 A：100500m，0.20.4g/cm3 B：2002000m，0.55g/cm3

4、C：顆粒過細(xì)，粒間有粘附性，易溝流，不適用于流化；顆粒過細(xì)，粒間有粘附性，易溝流，不適用于流化； dp 50m，p1000m，p 0.5 g/cm3 三、特征流速三、特征流速 n起始流化速度（最小流化速度）起始流化速度（最小流化速度） 指剛剛能夠使粒子流化起來的氣體空床流指剛剛能夠使粒子流化起來的氣體空床流速速 采用測定床層壓降變化的方法來確定采用測定床層壓降變化的方法來確定n起始流化速度（最小流化速度）起始流化速度（最小流化速度）流化床的壓降計算公式流化床的壓降計算公式起始流化速度計算公式起始流化速度計算公式 對小粒子，左側(cè)第一項可忽略對小粒子，左側(cè)第一項可忽略 對大粒子，左側(cè)第二項可忽略對

5、大粒子，左側(cè)第二項可忽略 gLAWPpmfmft)(1( 233223)()()1(150)(75. 1 gdududppmfpmfsmfmfpmfs 20Re,1150)(32 pmfmfppsmfgdu 1000Re,75. 132 pmfppsmfgdu n起始流化速度（最小流化速度）起始流化速度（最小流化速度）起始流化速度計算公式起始流化速度計算公式 床層空隙率床層空隙率mfmf和顆粒形狀系數(shù)和顆粒形狀系數(shù)s s查表或查圖得到查表或查圖得到近似地取：近似地?。?由此，前面的三個方程式可寫為由此，前面的三個方程式可寫為 對小粒子對小粒子 對大粒子對大粒子 上述各式中，計算結(jié)果需用上述各式

6、中，計算結(jié)果需用 來檢驗來檢驗 111,141323 mfsmfmfs 21232)(0408. 07 .33 gdudppmfp 20Re,1650)(2 pppmfgdu 1000Re,5 .24)(2 pppmfgdu mfppud Ren帶出速度帶出速度 當(dāng)氣速增大到某一定值時，流體對粒子的當(dāng)氣速增大到某一定值時，流體對粒子的曳力與粒子的重力相等，則粒子就會被氣流曳力與粒子的重力相等，則粒子就會被氣流帶走。這一速度稱為帶出速度（或稱終端速帶走。這一速度稱為帶出速度（或稱終端速度），與粒子的自由沉降速度度），與粒子的自由沉降速度 粒子的力平衡粒子的力平衡 223)4(21)(6tpDpp

7、udgCd 200000Re500,43.0500Re4.0,Re104.0Re,Re2421 pDppDppDCCCCD稱為曳力系數(shù)稱為曳力系數(shù)對球形粒子對球形粒子n帶出速度帶出速度對球形粒子對球形粒子而對非球形粒子：而對非球形粒子：上述各式中，計算結(jié)果需用上述各式中，計算結(jié)果需用 來檢來檢驗驗 200000Re500,)(1 . 3500Re4 . 0,)(22544 . 0Re,18)(2131222 ppptppptppptgdudgugdu 353102Re05. 0, 117,220102Re102,88. 131. 505. 0Re,Re065. 08431. 024 pDpsD

8、ppsDpCCgC表表教教材材中中 mfppud Ren操作氣速操作氣速一般而言，流化床的操作氣速范圍為：一般而言，流化床的操作氣速范圍為：對細(xì)粒子對細(xì)粒子 對大粒子對大粒子可見，可見，一般，取流化數(shù)一般，取流化數(shù) 可取可取 tmfuuu 06 .91, 4 . 0Re mftpuu72. 8,1000Re mftpuu9010 mftuu105 .10 mfuusmu/5 . 015. 00 四、氣泡及其行為四、氣泡及其行為 n氣泡結(jié)構(gòu)氣泡結(jié)構(gòu) 氣泡氣泡 氣泡相氣泡相（氣泡（氣泡+氣泡云氣泡云+尾渦）或（氣泡尾渦）或（氣泡+氣泡暈）氣泡暈） 氣泡以外的密相床氣泡以外的密相床 乳（濁）相乳（濁

9、）相 n氣泡速度和大小氣泡速度和大小 單個單個 氣泡群氣泡群 床徑、分布板對床徑、分布板對ub有影響有影響氣泡大小氣泡大小21)(711. 0bbrdgu 210)(711. 0bmfbdguuu 7 .074072713 .021.131)()(5 .1128.1)0684.01()(272.01853.0 nAUUggUUdlUUdtmfmfbmfbn氣泡云與尾渦氣泡云與尾渦氣泡云相對厚度氣泡云相對厚度 二維床二維床 三維床三維床 式中，式中，R Rc c、R Rb b分別為氣泡云和氣泡的半徑。分別為氣泡云和氣泡的半徑。尾渦體積尾渦體積全部氣泡占床層的體積分率全部氣泡占床層的體積分率 mf

10、mffbruuu fbrfbrbcuuuuRR 2)(fbrfbrbcuuuuRR 2)(331 bmVVbmfmfbmffmffbuuuuuuuLLL 00)1 ( n氣泡中的粒子含量氣泡中的粒子含量 （粒子體積與氣泡體積之比）（粒子體積與氣泡體積之比）氣泡中氣泡中 可忽略不計可忽略不計 氣泡暈中氣泡暈中 乳相中：乳相中： 粒子體積與氣泡體積之比粒子體積與氣泡體積之比re滿足：滿足： 01.0001.0 全全部部氣氣泡泡的的總總體體積積全全部部氣氣泡泡中中粒粒子子體體積積br)(711. 03)1(21bwmfmfbmfmfmfcVVudgur bbmfbfcberrr )1)(1(1 五、

11、分布板與內(nèi)部構(gòu)件五、分布板與內(nèi)部構(gòu)件 n分布板分布板 分布板設(shè)計的好壞對于流化床的操作有很大的影響分布板設(shè)計的好壞對于流化床的操作有很大的影響 型式型式 單層的篩板、凹形篩板、多層篩板、夾層填料、管式分布器、單層的篩板、凹形篩板、多層篩板、夾層填料、管式分布器、泡帽、側(cè)縫錐帽泡帽、側(cè)縫錐帽 分布板影響區(qū)分布板影響區(qū) 氣體從分布板上的氣孔中流出來時，由于氣速很高，可能形成一股噴射流，氣體從分布板上的氣孔中流出來時，由于氣速很高，可能形成一股噴射流，使得在近分布板區(qū)，使得在近分布板區(qū)，氣氣-固接觸劇烈，傳熱、傳質(zhì)速率高，因此，反固接觸劇烈，傳熱、傳質(zhì)速率高，因此，反應(yīng)轉(zhuǎn)化快應(yīng)轉(zhuǎn)化快 一般認(rèn)為，其影

12、響范圍大致在一般認(rèn)為，其影響范圍大致在250mm的高度左右的高度左右n分布板分布板分布板的設(shè)計分布板的設(shè)計 為了保證流化均勻而穩(wěn)定，分布板需有足夠高的為了保證流化均勻而穩(wěn)定，分布板需有足夠高的壓降，一般取壓降，一般取通常分布板開孔率?。和ǔ７植及彘_孔率取：1%1%； 設(shè)計過程設(shè)計過程 OcmHPPPdbd235%,2010 且且8172240RedpttCud小小孔孔阻阻力力系系數(shù)數(shù)圖圖教教材材 21)2( ddorPCu 開開孔孔率率單單位位面面積積上上的的開開孔孔數(shù)數(shù)）:(4020ororordroruuNuduN n內(nèi)部構(gòu)件內(nèi)部構(gòu)件垂直管、水平管、多孔板、水平擋網(wǎng)、斜垂直管、水平管、多孔

13、板、水平擋網(wǎng)、斜片百葉窗擋板等片百葉窗擋板等 六、乳相動態(tài)六、乳相動態(tài) n顆粒顆粒全混式全混式 n氣流氣流氣泡區(qū)、泡暈區(qū)、上流區(qū)、回流區(qū)氣泡區(qū)、泡暈區(qū)、上流區(qū)、回流區(qū) 七、顆粒的帶出和揚析七、顆粒的帶出和揚析 n揚析揚析 氣流連續(xù)通過床層時，床層內(nèi)那些帶出速氣流連續(xù)通過床層時，床層內(nèi)那些帶出速度小于操作氣速的顆粒將不斷被帶出去的現(xiàn)度小于操作氣速的顆粒將不斷被帶出去的現(xiàn)象象n揚析速度揚析速度n揚析常數(shù)揚析常數(shù) WwKdtdwAet 174,0 nuKnen揚析常數(shù)揚析常數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式實驗關(guān)聯(lián)式n沉降分離高度（沉降分離高度（T.D.H.T.D.H.） 流化床內(nèi)，揚析的粒子濃度隨床層高度的流化床內(nèi)，揚

14、析的粒子濃度隨床層高度的位置變化而變化，當(dāng)達(dá)到某一高度后，能夠位置變化而變化，當(dāng)達(dá)到某一高度后，能夠被重力分離下來的顆粒都已沉析下來，只有被重力分離下來的顆粒都已沉析下來，只有帶出速度小于操作氣速的顆粒才會一直被帶帶出速度小于操作氣速的顆粒才會一直被帶走，因此，以上區(qū)域顆粒的含量接近于恒定，走，因此，以上區(qū)域顆粒的含量接近于恒定，這一高度稱為這一高度稱為( (沉降沉降) )分離高度分離高度( (T.D.H.T.D.H.) )這一高度就是旋風(fēng)分離器的第一級入口位這一高度就是旋風(fēng)分離器的第一級入口位置置 2 . 16 . 020)(01. 0)(0015. 0)()( gtpgtptppeudud

15、uudgdK n擴(kuò)大段擴(kuò)大段在流化床頂部安裝一個擴(kuò)大段，使氣速降在流化床頂部安裝一個擴(kuò)大段，使氣速降低，讓更多的粒子沉析下來，從而減輕了旋低，讓更多的粒子沉析下來，從而減輕了旋風(fēng)分離器的負(fù)荷風(fēng)分離器的負(fù)荷 n旋風(fēng)分離器旋風(fēng)分離器 7.2 流化床中的傳熱和傳質(zhì)流化床中的傳熱和傳質(zhì) n床層與外壁間的給熱床層與外壁間的給熱 n床層與浸沒于床內(nèi)的換熱面之間的給熱床層與浸沒于床內(nèi)的換熱面之間的給熱 垂直管垂直管 水平管水平管 n顆粒與流體間的傳質(zhì)顆粒與流體間的傳質(zhì) n氣泡與乳相間的傳質(zhì)氣泡與乳相間的傳質(zhì) 7.3 流化床反應(yīng)器的模擬和放大流化床反應(yīng)器的模擬和放大 n數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 常見模型常見模型 兩相模型：氣相兩相模型：氣相-乳相；上流相（氣乳相；上流相（氣+固）