第八章流化床反应工程课件.ppt

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1、2022/12/3,第八章 流化床反应工程,固体流态化的基本特征 流化床的特征速度 气-固密相流化床 循环流化床,2022/12/3,固体散料悬浮于运动的流体，颗粒之间脱离接触而具有类似于流体性能的过程，称为“固体流态化”。 我国于1956年开始将流态化技术应用于工业装置，南京化学工业公司自立更生建立了硫铁矿流化床焙烧装置，取代了生产能力低、矿渣残硫高、劳动强度大及环境污染严重的多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。1957年葫芦岛又开发了流化焙烧锌精矿。,2022/12/3,国际上重质油催化裂化使用流态化技术的工业装置投产于1942年，我国自主开发的第一套流化床催化裂化工

2、业装置于1965年建成投产，缩短了我国与发达国家在炼油领域内的差距，并对裂化催化剂及流化床装置系统进行了多次重大改进，发表了多部有关的专著，我国流化床催化工业反应器已广泛应用于丙烯腈等有机合成中强放热反应而要求温度范围较窄的过程。在能源工业方面，我国正在发展超高压循环流化床电站锅炉。,2022/12/3,第一节 固体流态化的基本特征及工业应用,一、聚式流态化与散式流态化 使用不同的流体介质，固体流态化可分为散式流态化（particulate fluidization），聚式流态化（aggregative fluidization）和气-液-固三相流态化（three-phase fluidiza

3、tion）。,8-1 流态化现象,2022/12/3,理想流态化是固体颗粒之间的距离随着流体流速增加而均匀地增加，颗粒均匀地悬浮在流体中，所有的流体都流经同样厚度的颗粒床层，保证了全床中的传质、传热和固体的停留时间都均匀，对化学反应和物理操作都十分有利。理想流态化的流化质量（fluidization quality）是最高的。在实际的流化床中，会出现颗粒及流体在床层中的非均匀分布，越不均匀，流化质量越差。 液体作流化介质时，液体与颗粒间的密度差较小，在很大的液速操作范围内，颗粒都会较均匀地分布在床层中，比较接近理想流态化，称为散式流态化。,2022/12/3,气体作流化介质时，会出现两种情况：

4、,对于较大和较重的颗粒如B类和D类颗粒，当表观气速ug超过临界流化或起始流化速度umf，多余的气体并不进入颗粒群去增加颗粒间的距离，而形成气泡通过床层称为鼓泡流化床，此时为聚式流态化。对于较小和较轻的A类颗粒，当表观气速ug刚超过临界流化速度的一段操作范围内，多余的气体仍进入颗粒群使之均匀膨胀而形成散式流态化，但进一步提高表观气速将生成气泡而形成聚式流态化，这种情况下产生气泡的相应表观气速称为起始鼓泡速度或最小鼓泡速度umb。,2022/12/3,决定散式或聚式流态化的主要因素是固体与流体之间的密度差，其次是颗粒尺寸。当用水流化密度很大的铅颗粒，液-固流化床中也有大液泡形成聚式流化行为。当用1

5、.52.0MPa压力下密度增大的空气流化260 的砂子，出现了散式流态化现象。 处于散式流态化的液-固流化床为均匀的理想流态化状态。,2022/12/3,聚式流化床中存在明显的两相：,气体中夹带少量颗粒的气泡相（bubble phase）或稀相（lean phase）；颗粒与颗粒间气体所组成的颗粒相（particulate phase）或密相（dense phase），又称乳相（emulsion phase）。 在低气速流化床中，乳相为连续相而气泡相为非连续相。,2022/12/3,二、颗粒的分类,颗粒的密度及粒度对流化特性有显著影响。Geldart提出：对于气-固流态化，根据不同的颗粒密度和

6、粒度，颗粒可以分为A、B、C、D4类。A类颗粒称为细颗粒，一般粒度较小（30100 ）并且颗粒密度较小（ ）。A类颗粒形成鼓泡床后，密相中空隙率明显大于临界流化空隙率 ，密相中气、固返混较严重，气泡相与密相之间气体交换速度较高。随着颗粒粒度分布变宽或平均粒度降低，气泡尺寸随之减小。催化裂化催化剂是典型的A类颗粒。,2022/12/3,B类颗粒称为粗颗粒，一般粒度较大（100600 ）并且颗粒密度较大（ ）。其起始鼓泡速度umb与umf临界流化速度相等， 密相的空隙率基本等于临界流化空隙率，且密相中气、固返混较小，气泡相与密相之间气体交换速度较低，气泡尺寸几乎与颗粒粒度分布宽窄和平均粒度大小无关

7、。砂粒是典型的B类颗粒。,2022/12/3,C类颗粒属黏性颗粒或超细颗粒，一般平均粒度在20 以下，由于颗粒小，颗粒间易团聚，极易产生沟流。D类颗粒属于过粗颗粒，流化时易产生大气泡和节涌，操作难以稳定，适用于喷动床操作，玉米、小麦颗粒属这类颗粒。,2022/12/3,8-2 流化床反应器的流型、 流型转变及基本特征,随着表观气速从零开始逐步提高，固体颗粒床层由固定床开始发生一系列的流型转变，如下图所示。,图8-1 气-固流态化中各种流体力学流型的特征示意,2022/12/3,一、低气速气-固流态化中的流型,当表观气速ug低于临界流化速度umf，床层压降非常稳定，压降随ug的增加而增加。当ug

8、提高至umf时气体对颗粒的曳力刚好平衡床层颗粒的重力，床层开始流化；当ug高于umf时，床层压降不再变化。前已述及，对于颗粒及密度均较小的A类颗粒，超过umf再提高ug即导致床层发生均匀膨胀，气体通过比固定床空隙率增大的颗粒间隙，但并无气泡产生，床层均匀膨胀，压降波动较小，即散式流态化。,1.散式流态化,2022/12/3,2.聚式流态化,当ug进一步提高到起始鼓泡速度umb时，床层从底部出现鼓泡，压降波动明显增加。对于粒径及密度均较大的B类颗粒，床层并不经历散式流态化阶段，umf即umb，产生的气泡数量不断增加，并且气泡在上升过程中相互聚并，尺寸不断长大，直至达到床层表面并开始破裂，颗粒的混

9、合及床层压降波动非常剧烈。,2022/12/3,气泡中所含颗粒约占颗粒总量的百分之二到百分之四，气泡周围的密相或乳相中颗粒浓度很高。气泡的运动速度随气泡的大小而变，在上升途中，小气泡频繁地聚并而长大，过大而失稳时气泡则破裂。,2022/12/3,气泡上升的同时又有颗粒在密相中向下流动以补充向上流动的气泡中带走颗粒所造成的空缺。另一方面，由于气泡在床层径向截面上不均匀分布，诱发了床内密相的局部以致整体的循环流动，气体的返混加剧。这种流型称为鼓泡流态化（bubbling fluidization），气-固接触效率和流化质量比散式流态化低得多。,2022/12/3,气泡上升到床层表面时的破裂将部分颗

10、粒弹出床面。在密相床上面形成一个含有少量颗粒的自由空域（freeboard）。一部分在自由空域内的颗粒在重力作用下返回密相床，而另一部分较细小的颗粒就被气流带走，只有通过旋风分离器的作用才能被捕集下来，经过料腿而返回密相床内。,2022/12/3,3.节涌流化床,对于高径比较大的实验室及中间试验的流化床，由于床层直径较小，当表观气速大到一定程度时，会由于气泡直径长大到接近床层直径而产生气栓（slug）。气栓像活塞一样向上升，而气栓上面颗粒层中的颗粒纷纷下落，气栓达到床层表面时即破裂。后续的气栓又不断地形成、上升直至破裂。床层压降出现剧烈但有规则的脉动。这种现象称为节涌流态化（slugging

11、fluidization）。节涌使颗粒夹带加剧，气、固接触效率和操作稳定性降低。在工业规模的大床中，节涌现象一般不致于产生。,2022/12/3,4.湍动流态化,随着表观气速进一步提高，鼓泡床中气泡的破裂逐渐超过起泡的聚并，导致床内的气泡尺寸变小，进入湍动流态化。这种小气泡通常称为气穴(void)，气穴与密相或乳相间的边界变得较为模糊，此时称为湍动流态化（turbulent fluidization）。在鼓泡流化床中，增加表观气速，床层压力波动幅度增大，到某一表观气速时，压力波动的幅度达极大值，此时的表观气速称为起始湍动流化速度Uc。,2022/12/3,湍动流态化与鼓泡流态化有许多显著的不同

12、：,气穴不像鼓泡床中的气泡有明显的上升轨迹可循，在不断的破裂和聚并过程中以无规律的形式上升，气穴的尺寸小使其上升速度减慢，增加了床层的膨胀。气穴的运动膨胀，使湍动流化床中气、固接触加强，气体短路减少。因此湍动床（简称TFB）内，气、固相间交换系数和传热、传质效率比鼓泡床高。总体来讲，压力波动幅度小于鼓泡流化床，操作较平稳。气速的提高导致床层上部的稀相自由空域中有大量颗粒存在，其中的反应不可忽视，并使床界面比鼓泡床模糊得多。湍动流化床内固体返混程度大于鼓泡流化床，而气体返混则小于鼓泡流化床。,2022/12/3,工业流化催化反应器已从二十世纪五、六十年代的鼓泡床为主过渡到以湍动流化床为主，利用湍

13、流流化床气、固接触良好，传热、传质效率高和气体短路极少的优点。 鼓泡床和湍动床都属于低气速的密相流化床，压力升高会使鼓泡床和湍动床中气泡尺寸变小。,2022/12/3,二、高气速气-固流态化中的流型,在湍动流态化下继续提高气速，床层表面变得更加模糊，颗粒夹带速率随之增加，颗粒不断地被气流夹带离开密相床层。当气速增大到向快速流态化转变的速度时，颗粒夹带明显提高，在没有颗粒补充的情况下，床层颗粒将很快被吹空。如果有新的颗粒不断补充进入床层底部，或通过气-固分离设备及下行管回收带出的颗粒，操作可以不断维持下去，此时的流化状态称为快速流态化（fast fluidization），相应的流化床称为循环流

14、化床（circulating fluidization bed，简称CFB），或称为快床。,2022/12/3,图8-2 常见的几种气-固并流上行循环流化床系统,2022/12/3,流化气体从提升管底部引入，携带由伴床（慢床）来的颗粒向上流动。提升管顶部装有气-固分离装置，如旋风分离器，颗粒分离后，返回伴床并向下流动，通过颗粒循环控制装置后，再进入提升管。在气-固并流上行快速流化床中，提升管主要用作反应器，而伴床可用作调节颗粒流率的贮存设备、热交换器或催化剂再生器，或单纯作为颗粒循环系统的立管（standpipe）。还需从伴床底部充入少量气体，作为松动气，以保持颗粒在伴床中的流动性。,2022

15、/12/3,目前工业用循环流化床主要可分为气-固催化反应器及气-固反应器两类。典型例子有流化催化裂化（fluid catalytic cracking，简称FCC）反应器和循环流化床燃烧反应器（circulating fluidized combustion，简称CFBC），特征见下表。,2022/12/3,典型的循环流化床特征,2022/12/3,当床层从低气速流态化的鼓泡床、湍动床转变为高气速的流态化后，气体从分散的气泡逐渐过渡到连续的气流；所有的颗粒从被当作连续相的床层逐渐转变为分散在气流连续相中的颗粒聚集体或颗粒族（cluster），成为分散相。,2022/12/3,气、固两相分别从分

16、散相及连续相相互转变的流速范围称为转向流化区，开始进入这一区域的流速称为转相流化速度（phase fluidization velocity）uTF，在转相后的快速流化区，由于气、固间剧烈变动，传质及传热效率增高，适合于许多快速的强放热及强吸热反应，如石油加工中的催化裂化反应。,2022/12/3,循环流化床中颗粒浓度沿床层轴向呈上稀下浓的连续分布。颗粒浓度沿床层径向为中心稀，边壁浓，颗粒流速在中心区主要向上，边壁区主要向下，呈现明显的内循环流动，或称为环-核（core-annulus）模型，导致一定程度的颗粒返混。气体返混则大为减小，少量气体可能被器壁附近的下行颗粒夹带而返混。,2022/1

17、2/3,传统的重质油流化催化反应器采用循环流化床，原料油气化后与经烧焦再生恢复活性的裂化催化剂，经上行提升管反应器，结焦后的催化剂经下行再生器（即伴床）烧焦再生，形成循环流化床。近年来，将气-固并流上行提升管反应器改为气-固并流下行床反应器，原来的提升管作为伴床再生器,称为气-固顺重力场流态化。,2022/12/3,顺重力场流动与上行床的逆重力场流动比较:,局部颗粒浓度，局部气、固速度的径向分布更均匀；气、固相在反应器内的停留时间分布更均匀；有利于提高选择性；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。反应器空隙率高，固相存量少；固相含量低导致床层与换热面间传热速

18、率较低。,2022/12/3,高气速流化床与低气速流化床操作的比较,2022/12/3,2022/12/3,2022/12/3,高气速流态化的优缺点,2022/12/3,第二节 流化床的特征速度,流化床的特征速度：临界流化速度umf起始鼓泡速度umb起始湍动流化速度uc快速流化的转变速度uTF颗粒的终端速度ut,2022/12/3,一、临界流化速度及起始鼓泡速度,1.临界流化速度(一)均匀颗粒,图8-4 均匀砂粒的压降与气速的关系,2022/12/3,当ug较小时，床层处于固定床状态， 与ug约成正比, 即固定床压降式,一般采用Ergun式； 床层压降达一最大值 后，床层中原来紧挤着的颗粒要先

19、被松动,然后颗粒开始流动；,2022/12/3,略有降低，又趋于某一定值,即床层静压W/Ac。此时床层处于由固定床向流化床转变的临界状态，相应的表观流速称为临界流化速度umf，此后床层压降几乎保持不变，直至颗粒被带走, 迅速下降。如果缓慢降低表观流速，床层逐步恢复到固定床，压降 将沿略为降低的路径返回，并且不再出现极值，压降比增加表观流速时小一些，这是由于颗粒逐渐静止下来时，大体保持临界流速时的床层空隙率 ，从图中实线的拐弯点即可确定临界流化速度。,2022/12/3,有许多关联式计算临界流化数速度，但大多数关联式只适用于所研究的颗粒直径及临界Remf的实验范围； 较为通用并且适用范围较广的计

20、算umf的关联式是Wen和Yu基于Ergun的固定床压力降计算式获得的关联式。,2022/12/3,临界流化状态时,床层的压力降 应按下式计算： 式中 是临界流化时的床层空隙率， 和 分别是固体颗粒和流体的密度，/m3 。,2022/12/3,Ergun固定床压力降计算式如下： 及 以上诸式中，ds为与颗粒等比表面积的圆球直径，dv为与颗粒等体积的圆球直径，uf为流体的表观流速， 为形状因子。,2022/12/3,临界流化速度时， 上式等号的左、右方均乘以 ，并以 代入，化简可得：,2022/12/3,以量纲1数 即Ar (Archmides)数, 和 代入上式，即,2022/12/3,(二)

21、不均匀颗粒,流化床中的颗粒大多数为形状不规则且粒度不均匀的颗粒群。根据Wen和Yu提出的非球形颗粒粒径可采用两相邻筛网的网孔净宽的几何平均值，或称为筛分直径dpi，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 ， 。,2022/12/3,Wen和Yu整理了许多研究者对多种球形及非球形颗粒，以水、空气、CO2、氩及H2-N2混合气体作流体的临界流化速度umf在广泛范围的实验数据，其中 为0.1361.0，粒径为0.0550，得到下列近似关系： 则： 而c1=33.7，c2=0.0408。,2022/12/3,对于小颗粒，数很小，即 对于大颗粒，数很大，即,2022/1

22、2/3,2.散式流态化与聚式流态化的判据,Wilhelm及Kwawk在实验的基础上提出以Fr（Froude）数表达的下述判据式： 液-固散式流态化 气-固聚式流态化,2022/12/3,3. 起始鼓泡速度,对于B类和D类颗粒，当表观气速超过临界流化速度时，床层即已进入鼓泡流化床；对于A类较小和较轻的颗粒，当ug超过umf后，还会经历一个散式流态化阶段，然后进入鼓泡流化床。此时，气-固流化床的起始鼓泡速度umb可按Geldart提出的下式计算 式中各物性参数的单位是 制。,2022/12/3,4. 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,实践表明，颗粒的流化特征不仅与颗粒的粒度有

23、关，并且与粒度分布及混合 颗粒的组成有关。在流态化过程中，uf开始增加时，许多粒度或密度较大的颗粒继续以固定床的状态存在，有些会被粒度或密度较小的颗粒冲击而带动，但基本上会下沉而失去流态化。当流速超过D点时，粒度或密度较大的颗粒逐渐流态化，不同粒度或密度颗粒的沉降速度也不同。,2022/12/3,随着粒径的减小和细颗粒分数的增加，较难产生气泡，而气泡的形成对床层的热、质传递和稳定性都不利，即细颗粒分数增加有利于改善床层的流化质量。,图8-5 颗粒不均匀或密度不同的混合颗粒的流态化的 图,2022/12/3,二、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,陈少鹏等根据改变操作压力对无

24、内部构件自由床的起始湍动流化速度uc的影响试验，获得uc与有关参数间的关联式如下：,1. 起始湍动流化速度,2022/12/3,采用尺寸和密度都较大的颗粒，相同气速下向湍动流态 化转变的uc值升高，而采用尺寸较小和较轻的颗粒，则uc较小，有利于改善密相流化床的流化质量； 增加操作压力， uc值下降； 增加操作温度， uc值上升； 流化床床径加大，对uc的影响减少，床径大到一定程度 后，对uc值已无影响。,由上式可见：,2022/12/3,2. 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uTF可采用白丁荣等18根据多组实验数据获得的关联式： 式中Gs为颗粒的循环通量， ；

25、 Ret为按颗粒带出速度ut计算的Re数。,2022/12/3,3. 快速流态化向密相气力输送的转变速度,白丁荣等根据实验数据，获得快速流态化向密相气力输送的转变速度uFD的表达式：,2022/12/3,三、颗粒的终端速度,在相同直径的光滑球形颗粒的散料悬浮层中，如果颗粒之间有足够大的间距，比颗粒粒径dp大n个数量级或更大， 悬浮层中每颗颗粒的行为可以作为单一悬浮颗粒来研究，悬浮的条件为颗粒的重力减去在在流体中的浮力等于在流体中所受的曳力，即 式中GDS为单颗粒的曳力系数。,1.单颗光滑球形颗粒的终端速度,2022/12/3,在低Ret数情况下，ut与粒径平方成正比，流体密度的影响甚小，成为黏

26、滞力控制区。在高Ret情况下，ut与粒径平方根成正比，与流体的黏度无关，称为惯性力控制区。,2022/12/3,2.非球形颗粒的终端速度,对于不同形状因子 的单颗粒，曳力系数CDS值可从下图求得,图8-6 单颗粒曳力系数CDS与雷诺数的关系,2022/12/3,三、颗粒群的曳力系数CD,颗粒群悬浮于气流中，即使单颗颗粒的粒径相等，由于颗粒间相互作用，使曳力系数下降，称为受阻曳力系数CD。在快速流化床中，白丁荣等20通过多种A、B类颗粒的大量快速床的试验数据分析，获得CD/CDS的关联式如下： 上式中uSL为气-固两相间平均滑落速度，而,2022/12/3,第三节 气-固密相流化床,气-固密相流

27、化床主要由床体、气体分布器换热装置、内部构件和颗粒捕集系统组成。,一、气-固密相流化床的基本结构,图8-7 典型的密相流化床结构示意图,2022/12/3,1.气体分布器,气体分布器的主要作用是将流化气体均匀地分布在整个床层截面，也起到支撑流化颗粒的作用，为了保证气体分布均匀，一般分布板开孔率约为1%以下，而分布板的压降为床层压降的1020%，在工业流化床中，由于床层提高，有时分布板压降设计为床层压降的5%。,2022/12/3,2.自由空域和扩大段,工业流化床反应器的床体大都是圆柱形，上部扩大段直径一般为下部密相床直径的1.52.5倍。实验用流化床，当温度不高于100时，一般用易于加工的有机

28、玻璃制造，床体一般也为圆柱形，床体直径要大于颗粒平均直径的100倍。 流化床内气-固浓相界面以上的区域称为自由空域（Freeboard）。由于气泡逸出床面时的弹射和夹带作用，一些颗粒会离开浓相床层进入自由空域。一部分自由空域内的颗粒在重力作用下返回浓相床，而另一部分较细小的颗粒则最终被气流带出流化床。,2022/12/3,扩大段可以显著地降低气流的速度，从而有助于自由空域内的颗粒通过沉降作用返回浓相、减少颗粒带出及降低自由空域内的颗粒浓度。对于流化床化学反应器来说，自由空域颗粒浓度较低对于减少不利的副反应往往是至关重要的。,2022/12/3,3.换热装置及内部构件,根据流化床内温度及单位体积

29、放热量的大小，换热装置一般为内壁或浸没在床层内的垂直或水平管束。常用的为垂直管束，并与余热回收装置相连接。垂直换热器也是控制气泡聚并、维持流化稳定、促进气-固两相接触和减少颗粒带出的内部构件，但相邻两垂直面的间距应大于粒径的30倍，以免发生沟流。,2022/12/3,水平构件主要有多孔挡板、导向挡板及筛网，水平构件能有效地将床层分为串联的若干区，两板分隔的区内上部会出现一段稀相段，稀相段下部密相段的密度随气速的变化与无挡板的自由床相同，各区间存在温度梯度，床内气-固流动较接近平推流。挡板对气相返混有明显抑制作用，每块挡板的上下之间几乎没有气体返混。挡板还能提早鼓泡流化床向湍动流化床过渡。,20

30、22/12/3,4. 细颗粒的捕集,大多数流化床的沉降分离高度之上的细颗粒用设置在气-固流化床内的旋风分离器捕集，气-固密相流化床内有二级旋风串联，也有三级旋风串联以增强分离效果，大型流化床中还设置多组并联的多极旋风分离器。所分离的颗粒通过料腿向下伸入密相床中，料腿中不能有向上“倒窜”的气流，一般在料腿末端设有“反窜气”装置如锥形堵头等装置。,2022/12/3,焙烧矿石的气-固流化床产生的气体一般温度很高。例如硫铁矿流化焙烧炉的炉气温度约900950，夹带矿灰达220420g/m3（STP），不设置内旋风分离器，而利用出口炉气热量经锅炉降温至350，可生产40MPa中压蒸汽，炉气中部分矿灰在

31、锅炉中沉降，其余大部分矿灰经旋风分离器除去，剩余矿灰绝大部分在热电除尘器中被捕集，含尘量 （STP）的气体再送去制硫酸的净化工序。,2022/12/3,二、气-固鼓泡流化床,把气-固相流化床分成密相或乳相和气泡相的模型称为流态化的两相模型。气泡的顶部成球形，底部则向里凹，气泡底部压力较附近略低，以致吸入部分颗粒，形成局部涡流，此区域称为尾涡。 随着气泡上升，部分被卷入的气体带着气泡中的气体由气泡顶部通过气泡边界层渗入乳相，在气泡周围向下运动的颗粒又借摩擦力将这部分气体向下带入尾涡，形成循环运动。 气泡周围为循环气体所渗透的区域叫气泡晕。,2022/12/3,气泡上升时，相邻的小气泡凝聚成大气泡

32、，气泡周围的气泡晕也不断合并、扩大，通过这种气泡中的气体与气泡晕中的对流交换作用形成气泡相和乳相中的气体交换，因此气泡相中的气体才能进入乳相，在固体催化剂上发生化学反应。乳相中固体颗粒存在定向的循环运动和类似于布朗运动的杂乱无章的运动。上升气泡的尾涡夹带部分颗粒，在空隙部位颗粒又沉降下来，造成了颗粒的上下循环。,2022/12/3,在流化床内出现多个颗粒上升后又下降的循环运动。气体流速越高，颗粒的杂乱无章运动愈剧烈，使颗粒的循环遭到破坏。由于乳相颗粒的剧烈循环运动，可以认为流化床中固体颗粒处于全混流状态。当操作气速与起始流化气速之比值超过611时，回流的气量超过了上流的气量，因此乳相中气体的静

33、流量是往下的。工业流化床反应器的床层直径大，床高与床径之比较实验室流化床小得多，尽管气体的大部分以气泡状态通过流化床，乳相中的气量只为一小部分，但它的返混作用对于可逆反应是不容忽视的。,2022/12/3,8-10 鼓泡流化床反应器的数学模型,两相模型的基本思想是把流化床分成气泡相和乳相，分别研究这二个相中的流动和传递规律，以及流体和颗粒在相间的交换。,鼓泡流化床反应器的数学模型很多，其中研究的较多的有两相模型及鼓泡床模型。,1. 两相模型,2022/12/3,气体以速度ug进入床层后，在乳相中的速度等于临界流化速度umf，而在气泡相中的速度则为ugumf；从静止床高度H0增至流化床的高度Hf

34、，是由于气泡总体积增加的结果；气泡相中不含颗粒，且呈平推流向上移动，在不含催化剂颗粒的气泡中，不发生催化反应；乳相中包含全部催化剂颗粒，化学反应只能在乳相中进行；乳相的流动为平推流或全混流，与流化床处于鼓泡床、湍流床等状态有关；乳相与气泡相间的交换是由于气体的穿流和通过界面的传质。设气体进入流化床时的浓度为cA0，在床层顶部气泡相中的浓度为cAb,L，在床层顶部乳相中的浓度cAe,L，两者按流量比例汇合成浓度cAL。,假设,2022/12/3,2. 鼓泡床模型,及提出的流化床反应器模型称为鼓泡床模型。鼓泡床模型用于剧烈鼓泡、充分流化的流化床，床层中腾涌及沟流极少出现。,基本假定：,假定床层分为

35、气泡、泡晕及乳相三个区域，在这些相 间产生气体交换，这些气体交换过程是串联的；,2022/12/3,假定乳相处于临界流化状态，超过临界流化速度所需要的那部分气量以气泡的形式通过床层；气泡的长大与合并主要发生在分布板附近的区域，因而假定在整个床层内气泡的大小是均匀的，认为气泡尺寸是决定床内情况的一个关键因素。这个气泡尺寸不一定就是实际的尺寸，因而称它为气泡有效直径；只要气体流速大于临界流化速度的两倍，即ug2umf，床层鼓泡剧烈的条件便可满足。气泡内基本上不含固体颗粒；,2022/12/3,乳相中的气体可能向上流动，也可能向下流动。当ug/umf611时，乳相中的气体从上流转为下流，虽然流向有所

36、不同，但这部分的气量与气泡相相比甚小，对转化率的影响可忽略； 气泡与乳相均不考虑返混。离开床层的气体组成等于床层顶部处气体的组成。,2022/12/3,三、湍动流化床,鼓泡流化床中的气速进一步提高时，床层压降的相对脉动，即床层压降的的脉动值与平均压降之比，先随表观气速的增大而增大，这是由于气泡发生的频率增大和聚并增大的程度加剧所致。当气速达到uc时，相对脉动值曲线达到极大值uc，即起始湍动流化速度。再进一步提高表观气速ug，压力相对脉动值开始减小，直至气速达到值uk后，压力脉动趋于平稳。,2022/12/3,当表观气速达uc时，促使气泡破碎变小的倾向超过了聚并增大的倾向，故压力脉动开始降低。当

37、表观气速达uk时，床内所含气泡已基本上是比较均匀的小气泡，原来不均匀性很强的鼓泡床已转变或近似于均相特性的湍流床，uk称为全湍动流化速度。,解释,2022/12/3,据实验研究，湍动流化床中存在着中心区及壁面区。湍流床中气速相当高，但仍存在径向不均匀分布，在床中心处气体流量大，且多为上流。在近壁处，大量颗粒循环下流，带动气体也一起下流。壁面处的厚度及带下的气量均随表观气速的增加而增加。在全床层内，气-固两相间存在速度差，即滑移速度。,2022/12/3,在中心区，当气体进入分布板时，气速甚大，颗粒被带动起来，因此这一区间的滑移速度大，相应它的传质及传热系数大，总体反应速率大。随着气体向上运动，

38、颗粒被加速，滑移速度逐渐减少；到达床面时，气泡爆破向上逸，气-固相间的相对速度又发生改变，颗粒大批沿壁面区回流循环，当速度大致等于沉降速度，气体被颗粒夹带而下，其速度低于颗粒的下降速度。,2022/12/3,由于湍动流化床中气泡尺寸比较小而均匀，床层近于均匀化，可以借用鼓泡流化床的两相模型或两区模型加以简化处理，如假定气泡直径不变，气泡相为平推流。,2022/12/3,第四节 循环流化床,对于细颗粒气-固流化床，当表观流速逐步增高，床层状态将由鼓泡床和湍动床的低气速流态化向高气速流态化流型中的快速流态化转变，此时颗粒的夹带速率愈益增大，如果没有颗粒补入，床层中颗粒将很快被吹空。 为维持正常操作

39、，必须向床中补入颗粒，颗粒的循环通量 。,一、流型转变,2022/12/3,图8-23 床层上、下部压降与表观气速的变化关系,2022/12/3,工程上应用的循环流态化即包含上述快速流态化（如循环床燃煤锅炉）和密相气力输送（如FCC提升管反应器）两个流动状态。,图8-24 循环流态化存在区域,2022/12/3,各种流化状态的主要特征,2022/12/3,二、循环流化床的工业应用,循环流化床作为一种无气泡气-固接触反应器，在石油、化工、冶金、能源、环境等工业领域中具有巨大的应用潜力和价值。 具有的高气-固通量以及近于平推流流动的特征，和颗粒的循环操作方式。,2022/12/3,循环流化床反应器

40、特别适用于具有以下特点的反应过程：,快速、不可逆反应；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；氧化-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。,2022/12/3,循环流化床反应器在开发和应用过程中，具有显明的特征：,循环流化床气-固催化反应器，操作气速一般为210m/s，颗粒循环速率较高，有时可达1000kg/(m2.s)。催化剂通常使用多孔、高比表面积、低密度的颗粒，其粒度范围一般为20150 。催化反应过程的温度一般较低，约250650。,(1)气-固催化反应过程,2022/12/3,(2)气-固非催化反应过程,这类反应过程一般为高温

41、（800）强放热反应过程，因而要求反应器不仅有较高的气-固接触效率、较大的生产能力，并且能够使热量得到有效回收。在循环流化床气-固非催化反应器中，反应物颗粒较粗较重，颗粒循环速率较小，表观气速通常为510m/s。 目前成功地应用有氧化铝焙烧、煤的燃烧、矿物焙烧以及废料焚烧等过程，与传统的回转窑比较，循环床焙烧炉氧化铝产品质量好，能耗低，污染小，维修费用低，原料及设备利用率均较高。,2022/12/3,循环流化床燃煤锅炉（CFB）是循环流化床气-固非催化反应的重要应用，与鼓泡流化床锅炉相比，具有如下主要优点：,燃烧适应性广（包括不同煤种、木材、生物物质、废渣等）；良好的负荷变化能力，操作弹性大；燃烧方式清洁、燃烧效率高（99%）；良好的环境保护特性（低NOX及SO2排放）；简单的燃烧处理及加料系统。,2022/12/3,The end!,