《流化床解析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流化床解析（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、流化床技术浅解 一、何为流化床？ 二、流化床现象； 三、气固相流化床的特性 1、流化床的返混 2、沟流和节涌 四、流化床的水力学特性 1、流化床的压力降 2、流化起始速度 3、带走速度 4、操作气流速度 五、流化床的反应器结构 六、乙烯聚合的流化床及流化床料位控制 一、将固体颗粒均匀地堆在有开孔底地容器内，形成一床层，若流体自上而下通过，颗粒并 不运动。此种床层称为固定床，如流体自下而上通过床层，低流速时，情况与固定床无异， 流速加大则颗粒活动使床层膨胀，流速进一步加大时，颗粒会彼此离开而在流体中活动，流 速愈大，则活动愈剧烈，并在床层内各处方向运动。最后一种情况称为固体流化态，流化态 后颗粒
2、床层称为流化床。 有许多化工过程要在固体与流体所构成的体系中进行传热、传质和化学反应。在流化床中， 流态化了地颗粒表面则全部爆露于湍动剧烈的流体之中， 从而得到更充分的利用。 绝热的混 合作用使床层趋于一致。 避免了固定床中出现的温度梯度和局部过热现象， 提高了平均操作 温度。流态化操作的缺点使动力消耗大，设备磨损大，颗粒易碎，均混使得出口处作为产品 的物料夹杂了所加入的原料。 二、流化现象 当流体通过颗粒物料层时， 随着流体速度的不同， 会出现不同的现象。 流体从设备下方流入， 通过分布板而进入颗粒物料层。流速低时，颗粒层中的颗粒静止不动，流体从颗粒间的缝隙 通过。此时，属固定床状态。随流速
3、增加，在固定层范围内，床层的空袭率不变，床高不变。 如果流体的流速继续升高至某一数值时，床层中颗粒开始运动，空隙率增大，可以看到一些 颗粒在某些不位振动或游动，此种状态称为膨胀层，其床高于固定床。 若流速再增加， 则床层内全部颗粒全处于运动状态， 颗粒与流体间的摩擦力与其重量相平衡， 颗粒间的挤压力抵消，全部颗粒悬浮与流体之中。此时的床层称为临界流化床。相应的床层 空隙率称为临界床层空隙率mf。对于流化床讲，这是最小的空隙率。达到临界状态的流体 速度叫做起流速度 Umf，称临界流化速度，也可教最小流化速度。流体的速度大于起流速， 床层空隙率增加，床层增高，床层均匀。一般为流化床的操作状态。 如
4、流体的流速再继续增加增高刀某一程度时， 流体与固体颗粒间的摩擦力与其重量已不相平 衡前者要大于后者，结果时颗粒被流体带走。如果不及许加入颗粒，则床层不复存在。若连 续加入颗粒，则此种情况称为输送床，相应的流速叫带走速度 Ut，又称终端速度。 三、气固相流化床的特性 气固流化床中由于存在着大量气泡，便产生了一些特殊性质，于生产操作有利也有弊。 若将气固流化床比拟为沸腾中的液层，则处于流化状态的颗粒群便相当于沸腾中的液体本 身，而穿过床层上升的气泡便相当于沸腾液中的蒸汽泡，因此，此种流化床存在着一个特殊 的两相物系。处于流化状态的颗粒群时连续的，为连续相，又称密相。气泡是分散的，称为 PDF 文件
5、使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 分散相，又称稀相。只要床层有明显的上界面，便有稀密两相共存，但一般称此状态的流化 床为密相流化床。若汽速加大则床层上界面不复杂在，则称此状态的流化床为稀相流化床。 在正常的气固流化床（或密相流化床中）密相中气体流动很慢，几乎为层流。气泡于密相接 触的界面上则发生颗粒的猛烈冲击，使泡内、外的气体都发生很大的湍动，因此加强了气 固间的接触，有利于热量与质量传递。这是气泡带来的好处。但气泡也会造成两种不理的情 况，即沟流和节涌。 1、 流化床的返混 连续操作的设备中， 物料总的流动方向侍从入口到出口， 在过程中难免有不同程度的逆向流 动，使得在不同时间进
6、入床层的物料互相混合，其后果使减小进、出口两处物料的温度差别 与组成差别，严重时可使整个设备内部物料的状况趋于一致，此种情况称为返混。出现返混 的原因常见有两种： 一种流动截面上的流速不等， 靠近边沿的一部分物料往相反的方向流动 称为回流；另一原因是颗粒的杂乱运动可拖拽气体向各处混杂。 实际生产操作证明， 气体在流化床内的返混主要由气泡所致， 气泡中的气体比密相中的气体 上升得快， 在同一时间内进入流化床底部的气体并不在同一时间内达到顶部； 又由于气泡沿 途破裂、聚结，造成气泡与连续相的气体交换，也使得连续相内颗粒的返混。 （1）沟流 当流化床内颗粒很小，气流速度又较低时，床层内的气泡易串成气
7、沟，气体顺着短路通过床 层，形成沟流现象。 在这种情况下，只有气泡附近的颗粒打到流态化，其他部分则处于固定床状态，使得流化床 的生产迁都大为下降。 出现沟流的条件是：颗粒粒度小且气流速度小；固体物料潮湿或又粘结性；气体分布 板设计不完善，通气孔数目少。 （2）节涌 粒度和比重都比较大的颗粒在直径小而高度大的床层内流化时， 气泡在上升过程中彼此汇合 而长大，以至于占满整个床层的横截面，将床层截成若干节段，床内物料以活塞推进的方式 向上运动，中途整个一节气段崩裂，颗粒又重新下降，这种现象称为节涌，或称腾涌。节涌 严重的降低床层的稳定性，使气固间的接触状态恶化，并使床层受到冲击，发生震动，损 坏内部
8、构件， 加强颗粒的磨损与带出。 在下列条件下容易发生节涌： 颗粒粒度大， 比重大； 气速大；床层高度与直径之比大。 为了提高床层的稳定性以提高流化效果，层进行过许多研究。一般认为，粒度分布款，床层 高度小、气速低，会出现较好的流化效果。在大颗粒中混入小颗粒作“润滑剂” ，往往能使 流化效果大大改善。细颗粒在流化使流动性大，相当于低粘度的液体，气体可在其中分散称 细泡而易于通过，大颗粒流化时，流动性小，相当于粘度大的液体，气体较难通过而超于汇 集成大气泡。在颗粒中加入细粒，就能显著的降低了流化床的“粘度” 。 四、流化床的水力学特性 1、流化床的压力降 图三中，曲线 a 段（虚线）表示流化床在气
9、流速度较小时（即固定床阶段）于气速的关系， 为一直线，表明压降随气速成固定比例的变化。 此后，再增加气速，压力降的增加变缓。此时床内颗粒变松，成为膨胀床。正是由于床层膨 胀，空隙率增大，压力降的增加不再与气速增加成比例，在此图中表现为弯曲线，速度再增 大时到 b 处， 压力降增至最大后开始减小， 此时颗粒开始被上升气流托住， 床层开始流态化， 压力降的减小是由于床层空隙率增加较前稍为显著。 此后速度再增加，床层压力降基本不变，图中 b 段，此即流化床阶段。此阶段内，气体向上 作涌的总压力（压力降与床面积之积）与床内全部颗粒所受的重力相平衡。在整个 b 段，流 PDF 文件使用 “pdfFact
10、ory“ 试用版本创建 化床的床高不断增加，床层空隙率随气速增加也持续增加，但因床内颗粒重量不变，固压力 降基本一致。 过 b 段之后， 气速再增加， 便开始了颗粒夹带， 到气体输送阶段 c 段， 此时压力降开始变小。 此后随着颗粒的不断减小，压降也迅速下降，至到剋送完，压降打到一最小值，与气体通过 空营的压力相当，过了 b 段之后，床层上界面开始小时，床高不复存在。 如果在流化阶段 b、c 交接处，减小气流速度，测出的压降变化与气流速度增加时在固定床 阶段测出压降变化有所不同，在图中可显示出，减小气速的pu 关系曲线是 cba,曲 线 a、a两段均属固定床阶段，但两种状态的固定床的空隙率不一
11、样，从流化床到固定床， 颗粒由上升中的气流中落下， 所形成的床层比人工装填的床层要疏松一些， 其近似处于干膨 胀状态，由最大的空隙率，因而压降相应地小些，其床高也相应地比人工装填固定床高些， 正如图三中所示。CD 段位于 AB 段上方，如果起始地固定床地空隙率为最大空隙率，CD 与 AB 两段无疑是重合地，即流化床落回固定床后，再由固定床到流化床，着两个过程地压 降与气速变化关系是完全一样地。 通过上述分析，可知： 操作正常地流化床地压力降基本上等于床内全部颗粒地重量除以床层截面积所得之商； 流化床操作地气流速度应大于流化开始时的速度， 一般以图中 a段与 b 段交接处为初始流 化速度 Umf
12、; 操作的气流速度一般应小于床内最小颗粒夹带的速度 Ut。Umf与 Ut两参数对流化床的操 作很重要。 研究床层压力降对流化床的操作由重要的知道作用， 了解其压力降的变化， 可推测流化床的 内部情况，如操作的稳定性，流化的状态等（是否有沟流、结块发生） 。 2、流化床的起始速度 起始流化速度又称最小流化速度， 时床内颗粒有彼此接触转到脱离接触时的流体速度。 起始 流化是由固定床转为流化床中的一个临界状态， 流体的流动既服从固定床规律亦服从流化床 规率。 () 06. 088. 0 04. 0 82. 1 00923. 0 = b mf dp U dp平均粒径 m b颗粒密度 kg/m 3 -流
13、体密度 kg/m 3 -流体粘度 Ns/m 2 3、带走速度 流体速度大于固定颗粒在流体中的沉降速度时，卡里即被流体带出床层， 此时的 速度称为带走速度，是正常流态化的最大流化速度。颗粒在流体中沉降，受到三 个力作用：一是重力；二是浮力；三是流体与颗粒相对运动而产生的阻力。当颗 粒为球形，且作等速度沉降运动时，则此三力成平衡，故： Df fs t C gdp U 3 )(4 = 4、操作气流速 正常操作的流化速度应在起始流化速度与带走速度之间。Ut/Umf可作为衡量流化 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 床操作灵活性的一个重要指标。 为了提高设备的生产强度，一般都希望用
14、即可能大的气流速度， 气流速度大于某 些颗粒的带走速度也未尝不可。这在实际生产中已有应用。 提高气流速度不能只 考虑流化床本身的操作弹性，还受到下列条件的制约： 气体与固体的接触时间要 有保证，气体输送机械的能力要适应流体阻力的加大。 五、流化床的反应器结构 流化床筒体是由圆柱体和上面的扩大段部分组成的， 整个床层在圆柱体部分床表 面离扩大段有一定的距离。 筒体内不设内部构件，为自由床。正常操作时，内部高度返混使床层内温度基本 一致。床层横向无温度梯度，纵向有微小的温度梯度。温度的基本一致使衡量流 化床操作稳定的重要指标。 反应器主要可分为： 下段部分， 装有气体分布板的底部出料系统； 筒体部
15、分， 反应的主要区域； 扩大段， 气体在此区域减速， 大部分颗粒返回到床层界面中， 落到扩大段斜面的粉料由床层界面处破裂带出的粉料冲刷下去。 底部出料的目的：其主要用来抽出聚集在分布板上不流化的较大的颗粒。 因而通 过底部出料可观察出反应器内的流化状况。 如果抽出的是小颗粒并夹带的粉料说 明流化状态好，如果抽出的全是大块，则说明流化状态不好。 六、乙烯聚合的流化床 在聚乙烯生产技术中，流化床技术以其稳定、灵活简单、经济、安全的特点、占 有着相当的位置，得到了普通的应用。 在乙烯聚合的流化床内，固体颗粒是聚乙烯树脂颗粒和极少量的催化剂颗粒， 流 化床是氮气、乙烯、共聚单体、氢气的混合物。在流化床
16、内，乙烯和共聚单体在 催化剂的作用下进行聚合反应，在催化剂颗粒表面生成聚乙烯， 最终形成含有催 化剂纹理的聚乙烯颗粒。流化过程中，颗粒会应磨损而破碎，故并非所有颗粒均 含有催化剂颗粒。 乙烯聚合流化床所需要的操作变量，包括： 1、一次操作变量 反应器温度 催化剂进给率 氢气进给率 共聚单体进给率 2、二次操作变量 反应器压力 循环气流量 流化床料位 中间变量 反应器的正常料位是分布板以上 13.7m（中原乙烯） ，即 LRC- 4001- 35：2.4m 床层料位过高或过低的危害： 过高时，挟带量多，易堵塞冷却器，压缩机入口筛网和分布板。 过高，可能使粉料与 CAT 附着在管壁续航，导致片的形成； 高料位操作使处理故障的余量大大减小，当系统由故障时只能终止反应。 料位过低时，丧失对扩大段的冲刷，易在扩大段结片。 料位低时，时空产率增加，需要有更好的传热效率，容易造成局部热点，形成 块。 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 流化
