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1、流化床反应器的设计,流化床反应器,流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。,一 流化基本概念:,流态化：固体粒子像流体一样进行流动的现 象。除重力 作用外一般是依靠气体或液体的流动来带动固体颗粒运动的。,1、流态化的形式,流态化可划分为以下几种形式： 1 固定式 当流体向上流过颗粒床层时，如速度较低，则流体从粒间空隙通过时颗粒不动，这就是固定床。如流速渐增，则颗粒间空隙率将开始增加，床层体积逐渐增大，成为膨胀床。 2 临界流态化当流速达到某一限值，床层刚刚能被流体托动时，床内
2、颗粒就会开始流化起来了，这时的流体空床线速称为临界（或最小）流化速度。,3 散式流态化 对于液-固系统，流体与颗粒的密度相差不大，故临界流 化速度一般很小，流速进一步提高时，床层膨胀均匀且波动很小，颗粒在床层内的分布也比较均匀，故称作散式流化床。 4 聚式流态化 对于气-固系统而言，情况与液-固系统很不相同，一般在气速超过临界气速后，将会出现气泡。气速愈高，气泡造成的扰动亦愈剧烈，使床层波动频繁，这种形态的流化床称聚式流化床或泡床。,5 气流输送 当气速一旦超过了颗粒的带出速度（或称终端速 度）， 粒子就会被气流所带走成为气输床，只有不断地补充新的颗粒进去，才能使床层保持一定的料面。6 节涌
3、如果床径很小（如一般小试或中试中常见的那样）而床高与床径比较大时，气泡在上升过程中可能聚集并增大甚至达到占据整个床层截面的地步，将固体颗粒一节节地往上柱塞式地推动，直到某一位置而崩落为止，这种情况叫做节涌。,结构简单 传热效能高，床层温度均匀 气固相间传质速率较高 催化剂粒子小，效能高 有助于催化剂循环再生 催化剂和设备磨损大 气流不均时气固相接触效率降低 返混大，影响产品质量均一性,2、流化床反应器的特点:,3、 气泡及其行为,（1）气泡的结构气泡气泡晕 （气泡云+尾涡）气泡晕中粒子浓度与乳化相相同，包在气泡周围，伴随着气泡一起上升。,流化床层由固体颗粒密集区域（乳化相）和固体颗粒很少的区域
4、（气泡相）组成，气泡的结构和行为是分析流化床特性和建立数学模型的基础。,（2）气泡的速度气泡上升速度是影响气泡相与乳化相之间传质和传热的重要因素。根据不同的模型和实验数据，整理出一些经验公式。,7-10,（3）乳相中的气体流动状况,流化床中，大部分气体以气泡形式通过床层，乳化相中气量很少，甚至可忽略，但它的返混对化学反应的影响往往并不能被忽略。,乳化相中气体流动较复杂，存在位置随机变化的向上流区域和回流区域。向上流区域：以umf速度向上流动的气体；回流区域：被大于umf速度向下回流的颗粒所吸附和裹夹的气体。定常态操作时床层截面上平均上流与回流量大致恒定。当气速增大时，回流量相应增大。当流化数u
5、0/umf611时，乳化相中气体回流量将超过上流量，净流量成为向下流动的了。,二 流化床反应器中的传质,颗粒与流体间的传质,气泡与乳相间的传质,(1) 颗粒与流体间的传质 流化床中主要考虑粒子与流体间的传质，关键是确定其传 质系数kG。计算的经验关联式可由文献查取，应用时要注意公式的适用条件和范围。,(2) 气泡与乳相间的传质相间传质的途径，见图7-27。气泡 气泡晕 乳相,图 7-27 相间交换示意图,三 流化床反应器中的传热,1 床层与外壁间的传热 床层内传热主要包括：固体颗粒之间、颗粒与流体之间、 床层与换热面之间的传热。因床内温度均一，前二项可忽略。,2 床层与浸没于床内的换热面之间的
6、传热,四 工艺计算,流化床反应器直径的计算高度的计算,1 流化床的直径,气体的体积流量,反映器直径,放映器的绝对温度(K)和绝对压力(Pa),以T、p计的表观气流,2 流化床高,(1)临界流化床高,(2)流化床高,(3)稳定段高度,7.2.4 分布板与内部构件一、分布板（1）分布板的类型,图 7-14 分布器的若干形式,（2）设计或选择分布板的基本要求气体分布均匀，防止积料， 结构简单，材料节省，压降合理。,二、内部构件（1）种类 垂直管、水平管、多孔板、水平挡网、斜片百叶窗挡板，等。（2）作用传热，控制气泡聚并，改变气-固相流动和接触状况，减少颗粒带出。,建立数学模型的目的是要定量地分析影响
7、流化床性能的各个参数之间的数学关系，解决反应器放大和控制以及相关的最优化问题。 7.4.1 模型的类别（1）简单均相模型,全混流模型,活塞流模型,（2）两相模型,气泡相（活塞流） 乳化相（活塞流）,气泡相（活塞流） 乳化相（全混流）,（3）三相模型,气泡相上流相（气+固） 下流相（气+固）,气泡相 气泡云乳化相,其它还有气泡模型、四区模型等，有些模型还考虑了分布器和自由空间等的影响。,五 流化床的数学模型,以上各种模型，大多数以气泡直径作为模型参数，根据气泡直径是否可变分为以下几种情况：（1）各参数为常数，不随床高变化，也与气泡状况无关；（2）各参数为常数，不随床高变化，用一恒定不变的当量气泡直径作为模型的可调参数。（3）各参数与气泡大小有关，气泡大小随床高变化。迄今为止，已提出很多流化床数学模型，也有一些应用的实例与实际情况比较符合，但尚无一个被公认为可普遍使用的数学模型。下面以两种比较典型的两相模型和鼓泡床模型为例，介绍建立数学模型的思路。,7.4.2 两相模型 （1）物理模型如图7-28所示。 （2）基本假设,图 7-28,小组成员：田亚超、秦丹承彭 超、李中平,谢谢欣赏,
