化学反应工程第八章流化床反应器课件

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1、第八章第八章流化床反应工程流化床反应工程 n第一节第一节 固体流态化的基本特征固体流态化的基本特征n第二节第二节 流化床的特征速度流化床的特征速度n第三节第三节 气气-固密相流化床固密相流化床n第四节第四节 循环流化床循环流化床目目 录录 n固固体体散散料料悬悬浮浮于于运运动动的的流流体体，颗颗粒粒之之间间脱脱离离接接触触而而具具有有类类似似于流体性能的过程，称为于流体性能的过程，称为“固体流态化固体流态化”。n流化床反应器：流化床反应器：利用气体或液体利用气体或液体自下而上自下而上通过固体颗粒床层通过固体颗粒床层而使固体颗粒处于而使固体颗粒处于悬浮悬浮运动状态，并进行气固相反应或液固运动状态

2、，并进行气固相反应或液固相反应的反应器。相反应的反应器。n我我国国于于1956年年开开始始将将流流态态化化技技术术应应用用于于工工业业装装置置，南南京京化化学学工工业业公公司司自自立立更更生生建建立立了了硫硫铁铁矿矿流流化化床床焙焙烧烧装装置置，取取代代多多层层硫铁矿机械焙烧炉，并迅速广泛推广，促进了硫酸工业发展。硫铁矿机械焙烧炉，并迅速广泛推广，促进了硫酸工业发展。前前 言言 n国国际际上上重重质质油油催催化化裂裂化化使使用用流流态态化化技技术术的的工工业业装装置置投投产产于于1942年年，我我国国自自主主开开发发的的第第一一套套流流化化床床催催化化裂裂化化工工业业装装置置于于1965年年建

3、建成成投投产产，缩缩短短了了我我国国与与发发达达国国家家在在炼炼油油领领域域内内的的差差距距，并并对对裂裂化化催催化化剂剂及及流流化化床床装装置置系系统统进进行行了了多多次次重重大大改改进进，发发表表了了多多部部有有关关的的专专著著（重重质质油油国国家家重重点点实实验验室室）。n我我国国流流化化床床催催化化工工业业反反应应器器已已广广泛泛应应用用于于丙丙烯烯腈腈等等有有机机合合成中强放热反应而要求温度范围较窄的过程。成中强放热反应而要求温度范围较窄的过程。n在在能能源源工工业业方方面面，我我国国正正在在发发展展超超高高压压循循环环流流化化床床电电站站锅锅炉。炉。前前 言言1. 颗粒的分类颗粒的

4、分类 颗颗粒粒的的密密度度及及粒粒度度对对流流化化特特性性有有显显著著影影响响。根根据据不不同同的的颗粒密度和粒度，颗粒可以分为颗粒密度和粒度，颗粒可以分为A、B、C、D 共共4类。类。nA类类颗颗粒粒称称为为细细颗颗粒粒，一一般般粒粒度度较较小小（30 100m）并并且且颗颗粒密度较小（粒密度较小（p1400 kg/m3）。）。A类类颗颗粒粒形形成成鼓鼓泡泡床床后后，密密相相中中空空隙隙率率明明显显大大于于临临界界流流化空隙率化空隙率mf ；密密相相中中气气、固固返返混混较较严严重重，气气泡泡相相与与密密相相之之间间气气体体交交换换速度较高；速度较高；随着颗粒平均粒度降低，气泡尺寸随之减小；

5、随着颗粒平均粒度降低，气泡尺寸随之减小；催化裂化催化剂是典型的催化裂化催化剂是典型的A类颗粒类颗粒。第一节第一节 固体流态化的基本特征及工业应用固体流态化的基本特征及工业应用一、流态化现象一、流态化现象 nB类类颗颗粒粒称称为为粗粗颗颗粒粒，一一般般粒粒度度较较大大（100 600 m）并并且且颗粒密度较大（颗粒密度较大（ p20510提升管直径，提升管直径，m0.71548固体贮量固体贮量高高低低出口结构出口结构平滑平滑非平滑非平滑 n当当床床层层从从低低气气速速流流态态化化的的鼓鼓泡泡床床、湍湍动动床床转转变变为为高高气气速速的的流流态态化化后后，气气体体从从分分散散的的气气泡泡逐逐渐渐过

6、过渡渡到到连连续续的的气气流流；颗颗粒粒逐逐渐渐转转变变为为分分散散在在气气流流中中的的颗颗粒粒聚聚集集体体，成成为为分分散散相相。这这一一区区域域的的流流速速称称为为转转相相流流化化速速度度（phase fluidization velocity）uTF；n在在转转相相后后的的快快速速流流化化区区，由由于于气气、固固间间剧剧烈烈变变动动，传传质质及及传传热热效效率率增增高高，适适合合于于许许多多快快速速的的强强放放热热及及强强吸吸热热反反应应，如石油加工中的催化裂化反应。如石油加工中的催化裂化反应。 2. 高气速气高气速气-固流态化中的流型固流态化中的流型 循循环环流流化化床床中中颗颗粒粒浓

7、浓度度沿沿床床层层轴轴向向呈呈上上稀稀下下浓浓的的连连续续分分布布。颗颗粒粒浓浓度度沿沿床床层层径径向向为为中中心心稀稀，边边壁壁浓浓，颗颗粒粒流流速速在在中中心心区区主主要要向向上上，边边壁壁区区主主要要向向下下，呈呈现现明明显显的的内内循循环环流流动动，或或称称为为环环-核核（core-annulus）模模型型，导导致致一一定定程程度度的颗粒返混，气体返混则大为减小。的颗粒返混，气体返混则大为减小。 快快床床颗颗粒粒的的径径向向分分布布颗粒含率颗粒含率实际分布实际分布模型分布模型分布0.20.4 0.6高高度度快床快床气流输送气流输送湍流床湍流床 鼓泡流化床鼓泡流化床密度密度图：各种状态图

8、：各种状态 流化床沿床高密度变化流化床沿床高密度变化 传传统统的的重重质质油油流流化化催催化化反反应应器器采采用用循循环环流流化化床床，原原料料油油气气化化后后与与经经烧烧焦焦再再生生恢恢复复活活性性的的裂裂化化催催化化剂剂，经经上上行行提提升升管管反反应应器器，结结焦焦后后的的催催化化剂剂经经下下行行再再生生器器（即即伴伴床床）烧烧焦焦再再生生，形形成成循循环环流化床。流化床。烧烧焦焦罐罐提提升升管管蒸蒸汽汽洗洗脱脱空气空气油气油气2. 高气速气高气速气-固流态化中的流型固流态化中的流型n近近年年来来，将将气气-固固并并流流上上行行提提升升管管反反应应器器改改为为气气-固固并并流流下下行行床

9、床反反应应器器，原原来来的的提提升升管管作作为为伴伴床床再再生生器器，称称为为气气-固固顺顺重重力力场场流态化。流态化。2. 高气速气高气速气-固流态化中的流型固流态化中的流型顺重力场流动顺重力场流动与与上行床的逆重力场流动上行床的逆重力场流动比较比较:1.局部颗粒浓度，局部气、固速度的径向分布更局部颗粒浓度，局部气、固速度的径向分布更均匀；均匀；2.气、固相在反应器内的停留时间分布更均匀；气、固相在反应器内的停留时间分布更均匀；3.有利于提高选择性；有利于提高选择性；4.特别适用于一些需要接触时间短的裂解过程，特别适用于一些需要接触时间短的裂解过程，如现行高活性的分子筛裂解催化剂。如现行高活

10、性的分子筛裂解催化剂。1.反应器空隙率高，固相存量少；反应器空隙率高，固相存量少；2.固相含量低导致床层与换热面间传热速率较低。固相含量低导致床层与换热面间传热速率较低。优点优点优点优点缺点缺点缺点缺点 高气速流化床与低气速流化床操作的比较高气速流化床与低气速流化床操作的比较 高气速流态化的优缺点高气速流态化的优缺点 1. 流态化技术流态化技术的基本问题的基本问题：(1) 气流体的分布气流体的分布分布器的结构；分布器的结构；(2) 颗粒的流动特性颗粒的流动特性颗粒的尺寸、形状、密度及粒度分布；颗粒的尺寸、形状、密度及粒度分布；(3) 特征流速特征流速临界流化速度、起始湍动流化速度等；临界流化速

11、度、起始湍动流化速度等；(4) 床层的膨胀与压降；床层的膨胀与压降；(5) 气泡的行为和影响气泡的行为和影响气泡的结构、尺寸和上升速度；气泡的结构、尺寸和上升速度；(6) 乳相的行为和影响；乳相的行为和影响；(7) 流态化的热、质传递；流态化的热、质传递；(8) 内部构件的影响内部构件的影响垂直管、水平管、横向挡板及特殊构件垂直管、水平管、横向挡板及特殊构件(9) 颗粒的夹带和分离；颗粒的夹带和分离；(10) 颗粒的输送；颗粒的输送；(11) 流态化过程数学模型。流态化过程数学模型。三、流态化技术的基本问题三、流态化技术的基本问题 (1) 床内物料的流化状态，有助于实施连续流动和循环操作；床内

12、物料的流化状态，有助于实施连续流动和循环操作； (2) 传热效能高，而且床内温度易于维持均匀。传热效能高，而且床内温度易于维持均匀。 (3) 气气固相之间的传质速率较高。固相之间的传质速率较高。 (4) 粒子较细，可降低或消除内扩散阻力，充分发挥催化剂的粒子较细，可降低或消除内扩散阻力，充分发挥催化剂的效能；效能； (5) 流化床的结构比较简单、紧凑，故适于大型生产操作；流化床的结构比较简单、紧凑，故适于大型生产操作；2. 流态化技术流态化技术优点优点(1) 低气速下，大气泡的存在易造成气体短路，返混明显，气低气速下，大气泡的存在易造成气体短路，返混明显，气体严重偏离平推流，对转化率影响较大；

13、体严重偏离平推流，对转化率影响较大；(2) 多相流系统规律复杂，工程放大技术难度较大；多相流系统规律复杂，工程放大技术难度较大；(3) 固体粒子的迅速循环和气泡的搅动作用，会造成固体粒子固体粒子的迅速循环和气泡的搅动作用，会造成固体粒子停留时间分布不均，降低了固体的出口平均转化率；停留时间分布不均，降低了固体的出口平均转化率；(4) 粒子的磨损和带出造成催化剂损耗，加剧了对设备的磨损。粒子的磨损和带出造成催化剂损耗，加剧了对设备的磨损。3. 流态化技术流态化技术缺点缺点（1）物理操作）物理操作（2）矿物加工）矿物加工（3）煤的燃烧和转化）煤的燃烧和转化（4）石油加工）石油加工（5）有机合成工业

14、）有机合成工业（6）材料工业）材料工业四、流态化技术的工业应用四、流态化技术的工业应用第二节第二节 流化床的特征速度流化床的特征速度流化床的特征速度：流化床的特征速度：F临界流化速度临界流化速度 umfF起始鼓泡速度起始鼓泡速度 umbF起始湍动流化速度起始湍动流化速度 ucF快速流化的转变速度快速流化的转变速度 uTFF颗粒的终端速度颗粒的终端速度 ut一、临界流化速度及起始鼓泡速度一、临界流化速度及起始鼓泡速度1. 临界流化速度临界流化速度(1) 均匀颗粒均匀颗粒图图8-4 均匀砂粒的压降与气速的关系均匀砂粒的压降与气速的关系pmax表观气速表观气速ug, m/sumfut1 2 3 5

15、10 20 30 50 100p，mmH2O50030020010050 0 mf流化床流化床固定床固定床夹带开始夹带开始ABC 当当ug较较小小时时，床床层层处处于于固固定定床床状状态态， 与与ug约约成正比，即固定床压降式，一般采用成正比，即固定床压降式，一般采用Ergun式；式； 床床层层压压降降达达一一最最大大值值 后后，床床层层中中原原来来紧紧挤挤着的颗粒要先被松动，然后颗粒开始流动；着的颗粒要先被松动，然后颗粒开始流动； 略略有有降降低低，又又趋趋于于某某一一定定值值,即即床床层层静静压压W/Ac。此此时时床床层层处处于于由由固固定定床床向向流流化化床床转转变变的的临临界界状状态态

16、，相相应应的的表表观观流流速速称称为为临临界界流流化化速速度度umf，此此后后床床层层压压降降几几乎乎保保持持不不变变，直直至至颗颗粒粒被被带带走走, 迅迅速速下下降降。如如果果缓缓慢慢降降低低表表观观流流速速，床床层层逐逐步步恢恢复复到到固固定定床床，压压降降 将将沿沿略略为为降降低低的的路路径径返返回回，并并且且不不再再出出现现极极值值，压压降降比比增增加加表表观观流流速速时时小小一一些些，这这是是由由于于颗颗粒粒逐逐渐渐静静止止下下来来时时，大大体体保保持持临临界界流流速速时时的的床床层空隙率层空隙率 ，从图中实线的拐弯点即可确定临界流化速度。，从图中实线的拐弯点即可确定临界流化速度。

17、有有许许多多关关联联式式计计算算临临界界流流化化数数速速度度，但但大大多多数数关关联联式式只适用于所研究的颗粒直径及临界只适用于所研究的颗粒直径及临界Remf 的实验范围；的实验范围； 较较为为通通用用并并且且适适用用范范围围较较广广的的计计算算umf的的关关联联式式是是Wen和和Yu基于基于Ergun的固定床压力降计算式获得的关联式。的固定床压力降计算式获得的关联式。 临临界界流流化化状状态态时时，床床层层的的压压力力降降 应应按按下下式式计计算算： 式式中中 是是临临界界流流化化时时的的床床层层空空隙隙率率， 和和 分分别别是是固固体体颗颗粒和流体的密度，粒和流体的密度，/m3 。 Erg

18、un固定床压力降计算式如下：固定床压力降计算式如下： 及及 以以上上诸诸式式中中，ds为为与与颗颗粒粒等等比比表表面面积积的的圆圆球球直直径径，dv为为与与颗颗粒粒等等体体积积的的圆圆球球直直径径，uf 为为流流体体的的表表观观流流速速， 为为形状因子。形状因子。 临界流化速度时，临界流化速度时， 上上式式等等号号的的左左、右右方方均均乘乘以以 ，并并以以 代代入入，化简可得：化简可得： 以以量量纲纲1数数 即即Ar (Archmides)数数, 和和 代入上式，即代入上式，即(2) 不均匀颗粒不均匀颗粒 流流化化床床中中的的颗颗粒粒大大多多数数为为形形状状不不规规则则且且粒粒度度不不均均匀匀

19、的的颗颗粒粒群群。根根据据Wen和和Yu提提出出的的非非球球形形颗颗粒粒粒粒径径可可采采用用两两相相邻邻筛筛网网的的网网孔孔净净宽宽的的几几何何平平均均值值，或或称称为为筛筛分分直直径径dpi，作为等体积圆球直径作为等体积圆球直径dv。 形状不规则并存在粒度分布的颗粒群的调和平均直径形状不规则并存在粒度分布的颗粒群的调和平均直径 Wen和和Yu整整理理了了许许多多研研究究者者对对多多种种球球形形及及非非球球形形颗颗粒粒，以以水水、空空气气、CO2、氩氩及及H2-N2混混合合气气体体作作流流体体的的临临界界流流化化速速度度umf在在广广泛泛范范围围的的实实验验数数据据，其其中中 为为0.1361

20、.0，粒粒径为径为0.0550，得到下列近似关系：，得到下列近似关系： 则：则： 而而 c1=33.7，c2=0.0408。 对于小颗粒，对于小颗粒，Ar数很小，即数很小，即 对于大颗粒，对于大颗粒，Ar数很大，即数很大，即 2. 散式流态化与聚式流态化的判据散式流态化与聚式流态化的判据 Wilhelm及及 Kwawk在在 实实 验验 的的 基基 础础 上上 提提 出出 以以Fr（Froude）数表达的下述判据式：）数表达的下述判据式： 液液-固散式流态化固散式流态化 气气-固聚式流态化固聚式流态化3. 起始鼓泡速度起始鼓泡速度 对对于于B类类和和D类类颗颗粒粒，当当表表观观气气速速超超过过临

21、临界界流流化化速速度度时时，床床层层即即已已进进入入鼓鼓泡泡流流化化床床；对对于于A类类较较小小和和较较轻轻的的颗颗粒粒，当当ug 超超过过umf 后后，还还会会经经历历一一个个散散式式流流态态化化阶阶段段，然然后后进进入入鼓鼓泡泡流流化化床床。此此时时，气气-固固流流化化床床的的起起始始鼓鼓泡泡速速度度umb可按可按Geldart提出的下式计算提出的下式计算 式中各物性参数的单位是式中各物性参数的单位是 制。制。4. 单组分不等粒度颗粒对临界流化速度单组分不等粒度颗粒对临界流化速度 及起始鼓泡速度的影响及起始鼓泡速度的影响 实实践践表表明明，颗颗粒粒的的流流化化特特征征不不仅仅与与颗颗粒粒的

22、的粒粒度度有有关关，并且与粒度分布及混合并且与粒度分布及混合 颗颗粒粒的的组组成成有有关关。在在流流态态化化过过程程中中，uf开开始始增增加加时时，许许多多粒粒度度或或密密度度较较大大的的颗颗粒粒继继续续以以固固定定床床的的状状态态存存在在，有有些些会会被被粒粒度度或或密密度度较较小小的的颗颗粒粒冲冲击击而而带带动动，但但基基本本上上会会下下沉沉而而失失去去流流态态化化。当当流流速速超超过过D点点时时，粒粒度度或或密密度度较较大大的的颗粒逐渐流态化，不同粒度或密度颗粒的沉降速度也不同。颗粒逐渐流态化，不同粒度或密度颗粒的沉降速度也不同。 随随着着粒粒径径的的减减小小和和细细颗颗粒粒分分数数的的

23、增增加加，较较难难产产生生气气泡泡，而而气气泡泡的的形形成成对对床床层层的的热热、质质传传递递和和稳稳定定性性都都不不利利，即即细细颗粒分数增加有利于改善床层的流化质量。颗粒分数增加有利于改善床层的流化质量。 图图8-5 颗粒不均匀或密度不同的混合颗颗粒不均匀或密度不同的混合颗粒的流态化的粒的流态化的 图图二、起始湍动流化速度、快速流态化二、起始湍动流化速度、快速流态化 及密相气力输送的转变速度及密相气力输送的转变速度 陈陈少少鹏鹏等等根根据据改改变变操操作作压压力力对对无无内内部部构构件件自自由由床床的的起起始始湍湍动动流流化化速速度度uc的的影影响响试试验验，获获得得uc与与有有关关参参数

24、数间间的的关关联式如下：联式如下：1. 起始湍动流化速度起始湍动流化速度 ? 采用尺寸和密度都较大的颗粒，相同气速下向湍动流态采用尺寸和密度都较大的颗粒，相同气速下向湍动流态 化化转转变变的的uc值值升升高高，而而采采用用尺尺寸寸较较小小和和较较轻轻的的颗颗粒粒，则则uc较小，有利于改善密相流化床的流化质量；较小，有利于改善密相流化床的流化质量；? 增加操作压力，增加操作压力， uc值下降；值下降；? 增加操作温度，增加操作温度， uc值上升；值上升；? 流化床床径加大，对流化床床径加大，对uc的影响减少，床径大到一定程度的影响减少，床径大到一定程度 后，对后，对uc值已无影响。值已无影响。

25、由上式可见：由上式可见：2. 湍动流态化向快速流态化的转变速度湍动流态化向快速流态化的转变速度 湍湍动动流流态态化化向向快快速速流流态态化化的的转转变变速速度度uTF可可采采用白丁荣等用白丁荣等18根据多组实验数据获得的关联式：根据多组实验数据获得的关联式： 式中式中Gs为颗粒的循环通量，为颗粒的循环通量， ； Ret为按颗粒带出速度为按颗粒带出速度ut计算的计算的Re数。数。3. 快速流态化向密相气力输送的转变速度快速流态化向密相气力输送的转变速度 白白丁丁荣荣等等根根据据实实验验数数据据，获获得得快快速速流流态态化化向向密密相相气气力力输送的转变速度输送的转变速度uFD的表达式：的表达式：

26、三、颗粒的终端速度三、颗粒的终端速度 在在相相同同直直径径的的光光滑滑球球形形颗颗粒粒的的散散料料悬悬浮浮层层中中，如如果果颗颗粒粒之之间间有有足足够够大大的的间间距距，比比颗颗粒粒粒粒径径dp大大n个个数数量量级级或或更更大大， 悬悬浮浮层层中中每每颗颗颗颗粒粒的的行行为为可可以以作作为为单单一一悬悬浮浮颗颗粒粒来来研研究究，悬悬浮浮的的条条件件为为颗颗粒粒的的重重力力减减去去在在在在流流体体中中的的浮浮力力等等于在流体中所受的曳力，即于在流体中所受的曳力，即 式中式中GDS为单颗粒的曳力系数。为单颗粒的曳力系数。1.单颗光滑球形颗粒的终端速度单颗光滑球形颗粒的终端速度 在在低低Ret数数情

27、情况况下下，ut与与粒粒径径平平方方成成正正比比，流流体体密密度度的的影影响响甚甚小小，成成为为黏黏滞滞力力控控制制区区。在在高高Ret情情况况下下，ut与与粒粒径径平平方方根根成成正正比比，与与流流体体的的黏黏度度无关，称为惯性力控制区。无关，称为惯性力控制区。2. 非球形颗粒的终端速度非球形颗粒的终端速度 对于不同形状因子对于不同形状因子 的单颗粒，曳力系数的单颗粒，曳力系数CDS值可从值可从下图求得下图求得图图8-6 单颗粒曳力系数单颗粒曳力系数CDS与雷诺数的关系与雷诺数的关系三、颗粒群的曳力系数三、颗粒群的曳力系数CD 颗颗粒粒群群悬悬浮浮于于气气流流中中，即即使使单单颗颗颗颗粒粒的

28、的粒粒径径相相等等，由由于于颗颗粒粒间间相相互互作作用用，使使曳曳力力系系数数下下降降，称称为为受受阻阻曳曳力力系系数数CD。在在快快速速流流化化床床中中，白白丁丁荣荣等等20通通过过多多种种A、B类类颗颗粒粒的的大大量量快快速速床床的的试试验验数据分析，获得数据分析，获得CD/CDS的关联式如下：的关联式如下： 上式中上式中uSL为气为气-固两相间平均滑落速度，而固两相间平均滑落速度，而 第三节第三节 气气- -固密相流化床固密相流化床 气气-固固密密相相流流化化床床主主要要由由床床体体、气气体体分分布布器器换换热热装装置置、内部构件和颗粒捕集系统组成。内部构件和颗粒捕集系统组成。一、气一、

29、气- -固密相流化床的基本结构固密相流化床的基本结构图图8-7 典型的密相流化床典型的密相流化床结构示意图结构示意图1. 气体分布器气体分布器 气气体体分分布布器器的的主主要要作作用用是是将将流流化化气气体体均均匀匀地地分分布布在在整整个个床床层层截截面面，也也起起到到支支撑撑流流化化颗颗粒粒的的作作用用，为为了了保保证证气气体体分分布布均均匀匀，一一般般分分布布板板开开孔孔率率约约为为1%以以下下，而而分分布布板板的的压压降降为为床床层层压压降降的的1020%，在在工工业业流流化化床床中中，由由于于床床层层提高，有时分布板压降设计为床层压降的提高，有时分布板压降设计为床层压降的5%。 管栅分

30、布器：管栅分布器：单层筛板单层筛板直形筛板直形筛板凹形筛板凹形筛板多层筛板多层筛板夹层填料夹层填料泡帽泡帽侧缝锥帽侧缝锥帽原原则则：以以分分布布均均匀匀，防防止止积积料料，结结构构简简单单和和材料节省为宜。材料节省为宜。直孔筛板直孔筛板凹形筛板凹形筛板直孔泡帽分布板直孔泡帽分布板泡帽侧缝分布板泡帽侧缝分布板锥型侧缝分布板锥型侧缝分布板 工工业业流流化化床床反反应应器器的的床床体体大大都都是是圆圆柱柱形形，上上部部扩扩大大段段直直径径一一般般为为下下部部密密相相床床直直径径的的1.52.5倍倍。 流流化化床床内内气气-固固浓浓相相界界面面以以 上上 的的 区区 域域 称称 为为 自自 由由 空空

31、 域域（Freeboard）。由由于于气气泡泡逸逸出出床床面面时时的的弹弹射射和和夹夹带带作作用用，一一些些颗颗粒粒会会离离开开浓浓相相床床层层进进入入自自由由空空域域。一一部部分分自自由由空空域域内内的的颗颗粒粒在在重重力力作作用用下下返返回回浓浓相相床床，而而另另一一部部分分较较细细小小的的颗颗粒粒则最终被气流带出流化床。则最终被气流带出流化床。2. 自由空域和扩大段自由空域和扩大段 扩扩大大段段可可以以显显著著地地降降低低气气流流的的速速度度，从从而而有有助助于于自自由由空空域域内内的的颗颗粒粒通通过过沉沉降降作作用用返返回回浓浓相相、减减少少颗颗粒粒带带出出及及降降低自由空域内的颗粒浓

32、度。低自由空域内的颗粒浓度。 对对于于流流化化床床化化学学反反应应器器来来说说，自自由由空空域域颗颗粒粒浓浓度度较较低低对于减少不利的副反应往往是至关重要的。对于减少不利的副反应往往是至关重要的。 2. 自由空域和扩大段自由空域和扩大段3. 换热装置及内部构件换热装置及内部构件 根根据据流流化化床床内内温温度度及及单单位位体体积积放放热热量量的的大大小小，换换热热装装置置一一般般为为内内壁壁或或浸浸没没在在床床层层内内的的垂垂直直或或水水平平管管束束。常常用用的的为为垂垂直直管管束束，并并与与余余热热回收装置相连接。回收装置相连接。 垂垂直直换换热热器器也也是是控控制制气气泡泡聚聚并并、维维持

33、持流流化化稳稳定定、促促进进气气-固固两两相相接接触触和和减减少少颗颗粒粒带带出出的的内内部部构构件件，但但相相邻邻两两垂垂直直面面的的间间距距应应大大于于粒粒径径的的30倍，以免发生沟流。倍，以免发生沟流。 水水平平构构件件主主要要有有多多孔孔挡挡板板、导导向向挡挡板板及及筛筛网网，水水平平构构件件能能有有效效地地将将床床层层分分为为串串联联的的若若干干区区，两两板板分分隔隔的的区区内内上上部部会会出出现现一一段段稀稀相相段段，稀稀相相段段下下部部密密相相段段的的密密度度随随气气速速的的变变化化与与无无挡挡板板的的自自由由床床相相同同，各各区区间间存存在在温温度度梯梯度度，床床内内气气-固流

34、动较接近平推流。固流动较接近平推流。n挡挡板板对对气气相相返返混混有有明明显显抑抑制制作作用用，每每块块挡挡板板的的上上下下之之间间几几乎没有气体返混。乎没有气体返混。n挡板还能提早鼓泡流化床向湍动流化床过渡。挡板还能提早鼓泡流化床向湍动流化床过渡。3. 换热装置及内部构件换热装置及内部构件内内旋导向挡板旋导向挡板外外旋导向挡板旋导向挡板多旋导向挡板多旋导向挡板4. 细颗粒的捕集细颗粒的捕集 大大多多数数流流化化床床的的沉沉降降分分离离高高度度之之上上的的细细颗颗粒粒用用设设置置在在气气-固固流流化化床床内内的的旋旋风风分分离离器器捕捕集集，气气-固固密密相相流流化化床床内内有有二二级级旋旋风

35、风串串联联，也也有有三三级级旋旋风风串串联联以以增增强强分分离离效效果果，大大型型流流化化床床中中还还设设置置多多组并联的多极旋风分离器。组并联的多极旋风分离器。气泡的作用：气泡的作用： 气泡在上升过程中，因聚并而增大；气泡在上升过程中，因聚并而增大； 同时不断与乳相间进行物质交换，即同时不断与乳相间进行物质交换，即将反应物传递到乳相中去，使在催化剂上将反应物传递到乳相中去，使在催化剂上进行反应，又将产物传递到气泡中来。进行反应，又将产物传递到气泡中来。泡相和乳相：泡相和乳相：在粒子之间的空隙处，气体在粒子之间的空隙处，气体以以u0流过，多余的气体则是以气泡状态通流过，多余的气体则是以气泡状态

36、通过床层。因此常把气泡与气泡以外的密相过床层。因此常把气泡与气泡以外的密相床分别称为泡相和乳相。床分别称为泡相和乳相。二、气二、气- -固鼓泡流化床固鼓泡流化床气泡晕：气泡晕：气泡周围为循环气体所渗透的区域，其中所含粒子浓气泡周围为循环气体所渗透的区域，其中所含粒子浓度和乳相几乎相同。度和乳相几乎相同。功能：功能：尾涡处由于压力比近旁稍低，颗粒被卷了进来，形成尾涡处由于压力比近旁稍低，颗粒被卷了进来，形成局部涡流。在气泡上升途中，尾涡处不断有一部分颗粒离开，局部涡流。在气泡上升途中，尾涡处不断有一部分颗粒离开，同时又有另一部分颗粒补充进来，从而促进了全床颗粒的循同时又有另一部分颗粒补充进来，从

37、而促进了全床颗粒的循环与混合。环与混合。总结：气泡总结：气泡气泡晕（气泡云和尾涡）气泡晕（气泡云和尾涡）乳相。乳相。结构：结构：单个上升气泡的顶呈球形，单个上升气泡的顶呈球形，尾部略为内凹，该内凹处称为尾尾部略为内凹，该内凹处称为尾涡。涡。二、气二、气- -固鼓泡流化床固鼓泡流化床三、湍动流化床三、湍动流化床 鼓鼓泡泡流流化化床床中中的的气气速速进进一一步步提提高高时时，床床层层压压降降的的相相对对脉脉动动，即即床床层层压压降降的的的的脉脉动动值值与与平平均均压压降降之之比比，先先随随表表观观气气速速的的增增大大而而增增大大，这这是是由由于于气气泡泡发发生生的的频频率率增增大大和和聚聚并并增增

38、大大的的程程度度加加剧剧所所致致。当当气气速速达达到到uc时时，相相对对脉脉动动值值曲曲线线达达到到极极大大值值uc，即即起起始始湍湍动动流流化化速速度度。再再进进一一步步提提高高表表观观气气速速ug，压压力力相相对对脉脉动动值值开始减小，直至气速达到值开始减小，直至气速达到值uk后，压力脉动趋于平稳。后，压力脉动趋于平稳。 当当表表观观气气速速达达uc时时，促促使使气气泡泡破破碎碎变变小小的的倾倾向向超超过过了了聚聚并并增增大大的的倾倾向向，故故压压力力脉脉动动开开始始降降低低。当当表表观观气气速速达达uk时时，床床内内所所含含气气泡泡已已基基本本上上是是比比较较均均匀匀的的小小气气泡泡，原

39、原来来不不均均匀匀性性很很强强的的鼓鼓泡泡床床已已转转变变或或近近似似于于均均相相特特性性的的湍湍流流床床，uk称为全湍动流化速度。称为全湍动流化速度。 解释 据据实实验验研研究究，湍湍动动流流化化床床中中存存在在着着中中心心区区及及壁壁面面区区。湍湍流流床床中中气气速速相相当当高高，但但仍仍存存在在径径向向不不均均匀匀分分布布，在在床床中中心心处处气气体体流流量量大大，且且多多为为上上流流。在在近近壁壁处处，大大量量颗颗粒粒循循环环下流，带动气体也一起下流。下流，带动气体也一起下流。第四节第四节 循环流化床循环流化床 对对于于细细颗颗粒粒气气-固固流流化化床床，当当表表观观流流速速逐逐步步增

40、增高高，床床层层状状态态将将由由鼓鼓泡泡床床和和湍湍动动床床的的低低气气速速流流态态化化向向高高气气速速流流态态化化流流型型中中的的快快速速流流态态化化转转变变，此此时时颗颗粒粒的的夹夹带带速速率率愈愈益益增增大大，如如果果没没有有颗颗粒粒补补入入，床床层层中中颗颗粒粒将将很很快被吹空。快被吹空。 为为维维持持正正常常操操作作，必必须须向向床床中中补补入入颗颗粒粒，颗颗粒粒的的循环通量循环通量 。一、流型转变一、流型转变 图图8-23 床层上、下部压降与表观气速的变化关系床层上、下部压降与表观气速的变化关系一、流型转变一、流型转变 工工程程上上应应用用的的循循环环流流态态化化即即包包含含上上述

41、述快快速速流流态态化化（如如循循环环床床燃燃煤煤锅锅炉炉）和和密密相相气气力力输输送送（如如FCC提提升升管管反反应应器）两个流动状态。器）两个流动状态。图图8-24 循环流态化存在区域循环流态化存在区域 各种流化状态的主要特征各种流化状态的主要特征二、循环流化床的工业应用二、循环流化床的工业应用 循循环环流流化化床床作作为为一一种种无无气气泡泡气气-固固接接触触反反应应器器，在在石石油油、化化工工、冶冶金金、能能源源、环环境境等等工工业业领领域域中中具具有有巨巨大大的的应应用用潜潜力和价值。力和价值。 具具有有的的高高气气-固固通通量量、近近于于平平推推流流流流动动以以及及颗颗粒粒的的循循环

42、环操作方式。操作方式。因此，特别适用于具有以下特点的反应过程：因此，特别适用于具有以下特点的反应过程：快速、不可逆反应；快速、不可逆反应；催化剂迅速失活而需连续再生的反应；催化剂迅速失活而需连续再生的反应；中间物为目的产品、要求高收率和高选择性的反应；中间物为目的产品、要求高收率和高选择性的反应；氧化氧化-还原类反应；还原类反应；需用颗粒将热量引入或引出的强吸热和放热反应。需用颗粒将热量引入或引出的强吸热和放热反应。 在开发和应用过程中，具有显明的特征：在开发和应用过程中，具有显明的特征： 循循环环流流化化床床气气-固固催催化化反反应应器器，操操作作气气速速一一般般为为210m/s，颗颗粒粒循

43、循环环速速率率较较高高，有有时时可可达达1000 kg/(m2s)。催催化化剂剂通通常常使使用用多多孔孔、高高比比表表面面积积、低低密密度度的的颗颗粒粒，其其粒粒度度范范围围一一般般为为20150 。催催化化反反应应过过程程的的温温度度一一般般较较低低，约约250650。 (1) 气气-固催化反应过程固催化反应过程(2) 气气-固非催化反应过程固非催化反应过程 这这类类反反应应过过程程一一般般为为高高温温（800）强强放放热热反反应应过过程程，因因而而要要求求反反应应器器不不仅仅有有较较高高的的气气-固固接接触触效效率率、较较大大的的生生产产能能力力，并并且且能能够够使使热热量量得得到到有有效

44、效回回收收。在在循循环环流流化化床床气气-固固非非催催化化反反应应器器中中，反反应应物物颗颗粒粒较较粗粗较较重重，颗颗粒粒循循环速率较小，表观气速通常为环速率较小，表观气速通常为510 m/s。 目目前前成成功功地地应应用用有有氧氧化化铝铝焙焙烧烧、煤煤的的燃燃烧烧、矿矿物物焙焙烧烧以以及及废废料料焚焚烧烧等等过过程程，与与传传统统的的回回转转窑窑比比较较，循循环环床床焙焙烧烧炉炉氧氧化化铝铝产产品品质质量量好好，能能耗耗低低，污污染染小小，维维修修费费用用低低，原原料及设备利用率均较高。料及设备利用率均较高。 循循环环流流化化床床燃燃煤煤锅锅炉炉（CFB）是是循循环环流流化化床床气气-固固非

45、非催催化化反反应应的的重重要要应应用用，与与鼓鼓泡泡流流化化床床锅锅炉炉相相比比，具具有有如如下下主主要要优点优点：u燃燃烧烧适适应应性性广广（包包括括不不同同煤煤种种、木木材材、生生物物物物质质、废废渣渣等）；等）；u良好的负荷变化能力，操作弹性大；良好的负荷变化能力，操作弹性大；u燃烧方式清洁、燃烧效率高（燃烧方式清洁、燃烧效率高（99%）；）；u良好的环境保护特性（低良好的环境保护特性（低NOX 及及SO2 排放）；排放）；u简单的燃烧处理及加料系统。简单的燃烧处理及加料系统。 (2) 气气-固非催化反应过程固非催化反应过程CFB锅炉的结构分析 催化裂化是一个催化裂化是一个脱碳脱碳的过程

46、，原料在裂化时一方面要的过程，原料在裂化时一方面要生成生成氢碳原子比较高氢碳原子比较高、分子量较小分子量较小（相对于原料而言）的（相对于原料而言）的轻质油和气体轻质油和气体，同时也要，同时也要缩合缩合生成一部分生成一部分氢碳原子比较低氢碳原子比较低的产物，甚至是的产物，甚至是焦炭焦炭。这样催化剂在反应过程中很快就会。这样催化剂在反应过程中很快就会被被焦炭所覆盖而失去其活性焦炭所覆盖而失去其活性。(3) 流化催化裂化循环床流化催化裂化循环床 因而只有将催化剂表面的焦炭脱除，才能使催化剂恢因而只有将催化剂表面的焦炭脱除，才能使催化剂恢复活性、循环使用。一般采用复活性、循环使用。一般采用烧焦烧焦的方

47、式脱除催化剂表面的方式脱除催化剂表面的焦炭。因此催化裂化装置必须包括的焦炭。因此催化裂化装置必须包括反应反应和和催化剂再生催化剂再生两两个部分。个部分。 300380 再生催化剂再生催化剂650700 二级旋风分离器二级旋风分离器78m/s470510 14s待生催化剂待生催化剂汽提汽提反应吸热，再生放热，反应吸热，再生放热，催化剂作为热载体催化剂作为热载体；再再生生烟烟气气温温度度很很高高，流流量量大大，应应回回收收再再生生烟烟气气的的化化学学能能和热能和热能；在在生生产产过过程程中中，催催化化剂剂会会有有损损失失和和失失活活，为为了了维维持持系系统统内内催催化化剂剂的的藏藏量量和和活活性性，需需定定期期向向系系统统内内补补充充或或置置换换催催化剂化剂；保保证证催催化化剂剂在在两两器器间间按按正正常常流流向向循循环环以以及及再再生生器器有有好好的的流化状态流化状态是催化裂化装置的技术关键。是催化裂化装置的技术关键。说明：说明： The end!