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1、第三章 流化床反应器,知识目标 能力目标,知识目标, 了解流化床反应器的结构、特点和应用 了解流化床反应器的发展趋势 理解流化床反应器中质量传递和热量传递的基本规律 掌握流化床反应器的计算,能力目标, 能分析流化床反应器内的传质传热规律 能解释流化床反应器内部构件的作用 能模拟操作流化床反应器（开车、停车、异常事故的处理等）,教学内容,流化床反应器的特点及结构 流化床反应器的生产原理 (1)流态化的形成 (2)流化床反应器的传热过程 (3)流化床反应器的计算 高速流态化技术 流化床反应器的操作指导,第一节 流化床反应器的特点及结构,定义：原料气以一定的流动速度使催化剂呈悬浮湍动，并在催化剂作用
2、下进行化学反应的设备。,流化床基本结构,结构分为： 浓相段、稀相段、扩大段、锥底。 内部构件： 气体分布板、换热装置、气固分离装置、挡板档网、气体预分布器等。,流化床反应器的特点,1.床层温度均匀，避免局部过热。 2.颗粒处于运动状态，表面更新，强化传质。 3.颗粒小，催化剂有效系数高。 4.流化状态，便于操作。 5.传热系数大，换热面积小。 6.生产强度大。 7.返混严重，一次转化率低。 8.颗粒磨损，要求催化剂强度大。 9.对设备磨损严重。,观察并思考,1.固体颗粒在床层内怎样运动？ 2.流速由小到大产生什么现象？ 3.流态化现象可划分几个阶段？ 4.研究：流速压力降的关系。 5.流体分别
3、为气体和液体时，流化现象有何不同？,第二节 流化床内的生产原理,流态化 流化床反应器的传热过程 流化床反应器的计算 内部构件的选择及参数的确定,一、流态化,（一）流态化的形成 （二）散式流态化和聚式流态化 （三）流化床中常见的异常现象 （四）流化速度 （五）膨胀比和空隙率 （六）流化床的压力降,流态化,固体颗粒象流体一样进行流动的现象。 散式流态化： 液固系统，两者密度相差不大，流速增大时波动小，粒子分布均匀。 聚式流态化： 气固系统，两者密度相差较大，流速增大时，出现很大不稳定。 流态化中的异常现象：沟流、大气泡和腾涌,沟流,操作速度大于临界流化速度时，床层内只形成一条或几条狭窄的通道，大部
4、分床层仍处于固定床阶段。,大气泡和腾涌,聚式流化床中生成的气泡在上升中不断碰撞合并而增大，至接近容器直径，床内物料呈活塞状向上运动，床层被分成一段或几段。,P U,流态化的形成,1.流速较小，流体从颗粒缝隙通过，床层静止。uP,固定床阶段。 2.流速增加，颗粒吹起， uP不变。 3.流速继续增加，颗粒被带出床层，空隙率增加， uP,输送床阶段。,临界流化速度U临,特征： 因为 U操U临 流化床阶段 所以 U临 时， P固 = P流 确定方法 ：半经验公式,带出速度U带,操作速度大于带出速度时，催化剂颗粒将被带出流化床反应器 确定方法 注意 原则上：临界流化速度操作速度带出速度 实际上：往往偏离
5、这个范围。有些工业反应器操作速度大于带出速度时，颗粒夹带并不严重。,操作速度的确定,选择原则 实际生产中流化床操作数据 流化数,流化床的压力降,颗粒悬浮静止时受力 向下：重力 向上：浮力、流体阻力 平衡时 重力=浮力+流体阻力 公式推导：式（3-6） 说明：床层压力降与流速无关 超过带出速度时，空隙率增大、压力降减小。,膨胀比和空隙率,膨胀比 空隙率 关系,二、流化床反应器的传热过程,（一）流化床传热过程分析 （二）床层与器壁间的传热 （三）流化床内换热器的结构型式 （四）流化床换热器传热面积的计算,（一）流化床传热过程分析,（1）床层内固体颗粒之间的传热 （2）颗粒与流体间的传热 （3）床层
6、与器壁或换热器表面的传热,（二）床层与器壁间的传热,床层对器壁给热系数分析,操作速度的影响 颗粒直径的影响 挡板挡网的影响 换热器位置对给热系数的影响 气、固物性对给热系数的影响,（四）流化床换热器传热面积的计算,式中 A传热面积，m2； Q传热速率，W； K总传热系数，W/m2K； tm平均传热温度差，K,（三）流化床内换热器的结构型式,列管式换热器：单管式和套管式 管束式换热器：直列和横列 鼠笼式换热器 蛇管式换热器,列管式换热器：单管式,列管式换热器：套管式,立式管束式,横排管束式换热器,鼠笼式换热器,蛇管式换热器,三、流化床反应器的计算,（一）流化床直径的计算 （二）流化床高度的确定,
7、流化床直径的计算,式中 D反应器直径，m； qv操作条件下的气体体积流量，m3/s； u0操作空床气速，m/s。,流化床高度的确定,1流化床层高度(浓相段高度)H0 2分离段高度H1 3扩大段高度H2 4锥底部分高度H3 过滤管出口或旋风分离器入口至床顶高度H4 流化床总高度 H=H0+H1+H2+H3+H4,四、内部构件的选择及参数的确定,（一）气体分布板的计算和预分布器的选择 （二） 挡板和挡网结构参数的确定 （三）气固分离装置结构参数的确定,流化床反应器的内部结构,气体预分布器 气体分布板 挡板和挡网 旋风分离器,弯管式预分布器,同心圆壳式分布器,帽式分布器,充填式分布器,开口式分布器,
8、气体分布板的作用,支撑：床层上的催化剂或载体 分流：使气体分布均匀，造成良好的起始 流化条件 导向：抑制气固恶性聚式流态化,凹型筛孔板,直孔筛板,直孔泡帽分布板,单个直孔泡帽,挡 板,作用：改善流化操作质量 （1）使气泡破碎，增强气固相间接触； （2）减少气体返混 （3）提高流化床反应器的转化率（或生产能力）,内旋挡板,外旋挡板,多旋挡板,第三节 高速流态化技术 提高速度后的流态化现象,气固并流上行快速流化床,高速流态化与传统流态化的比较,高速流态化的优缺点,1.气固为无气泡接触，改善了气固接触效果。 2.气固轴向返混减少。 3.操作速度提高，停留时间可缩短至毫秒级，特殊适合于以裂解为代表的快
9、速反应过程。 4.气固通量大，传热效果好。（强放热、吸热反应） 5.颗粒的外部循环，可解决催化剂快速失活问题。 6.颗粒团聚倾斜减小，可实现多段进料；设备放大容易。 7.反应器高度增加，投资增大。 8.颗粒的循环系统增加了设计和操作的复杂性。 9.颗粒性质的允许范围受到一定限制。,高速流态化的应用,1.提升管催化裂化装置 2.粉煤的高效清洁燃烧 3.磷石膏热分解技术 4.烃类选择性氧化反应,快速循环流化床锅炉,流化床反应器的仿真操作,训练目标 训练准备 训练步骤 思考与分析 拓展型训练,训练目标,熟练掌握流化床反应器的开车、停车操作，能够对操作过程中的异常事故进行处理。,训练准备,1工作原理
10、2工艺流程 反应机理 主要原料：乙烯，丙烯，具有剩余活性的干均聚 物（聚丙烯），氢气。 主产物：高抗冲击共聚物（具有乙烯和丙烯单体 的共聚物）。 反应方程式： n C 2H 4+ n C 3H 6C 2H 4C 3H 6 n,训练步骤（现场图）,流化床反应器操作DCS图,思考与分析,1在开车及运行过程中，为什么一直要保持氮封? 2氢气在共聚过程中起什么作用? 3气相共聚反应的温度为什么绝对不能偏差所规定的温度? 4气相共聚反应的停留时间是如何控制的? 5气相共聚反应器的流态化是如何形成的? 6冷态开车时，为什么要首先进行系统氮气充压加热? 7什么叫流化床?与固定床比有什么特点? 8解释以下概念：共聚、均聚、气相聚合、本体聚合 9简述本培训单元所选流程的反应机理,小 结,
