第八章流化床反应工程

化学反应工程朱炳辰

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

2015-5-30

化学反应工程朱炳辰

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。

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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。

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第一节 固体流态化的基本特征及工业应用8-1 流态化现象一、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 fluidization)。

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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。2015-5-30化学工业出版社 http://

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气体作流化介质时，会出现两种情况： 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。2015-5-30化学工业出版社 http://

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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 1.5~2.0MPa 压力下 密度增大的空气流化260 m 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。

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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。

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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(30~100 m ) 类颗粒形成鼓 1400kg / m 并且颗粒密度较小( )。A 泡床后，密相中空隙率明显大于临界流化空隙 mf 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。3 p

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B 类 颗 粒 称 为 粗 颗 粒 ， 一 般 粒 度 较 大 ( 100~ 600 m)并且颗粒密度较大( 1400 ~ 4000kg / m )。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。砂粒是典型的B类颗粒。3 p

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C 类颗粒属黏性颗粒或超细颗粒 ，一般平均粒度 在20 m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。

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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2015-5-30化学工业出版社 http://

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一、

低气速气-固流态化中的流型 1.散式流态化 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 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。2015-5-30化学工业出版社 http://

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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 合及床层压降波动非常剧烈。

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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。

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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 …… 此处隐藏：1640字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……