反应工程概论 教材 南京工业大学专用(5-6)

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1、237第五章流化床反应器流化床反应器是应用流化态技术建立的一种气固相或液固相反应装置，即通过气体（或液体）的流动使固体颗粒象流体一样流过反应器并完成化学反应过程，在工业生产中，流化床反应器是常用的气固相反应器，在化工，冶金，硅酸盐和能源等行业都已经获得成功应用。流化床反应器中气固两相的混合和流动，传热和传质过程决定了化学反应过程的结果。而床的结构又影响着上述过程，因此本章从介绍流化床的类型入手，首先讨论流化床中的气固流动问题，然后讲解流化床的传热和传质，最后介绍流化床的数学模型。第一节流化床的类型一、散式流化床与聚式流化床流态

2、化现象是指固体颗粒依靠气体或液体而像流体一样流动的现象。根据流体种类及其流速变化可以看到不同的流态化现象。如图（5-1-1）所示。图5-1-1流态化类型当流体向上流过固体颗粒床层时，如果流速较低，则流体从颗粒间隙流过，固体颗粒不动，称为固定床。如果流速逐渐增大，则颗粒间空隙开始增大，床层体积膨胀，称为膨胀床；当流速增大到某个值时，床层刚刚被流体托动，固体颗粒开始流化时的流体线速度称临界（或最小）流化速度Umf。对于液固系统，由于液体与固体颗粒的密度相差不大。Umf较小便可以使流体流化。当流速提高时，床层膨胀均匀且波动很小。固体

3、颗粒比较均匀的分布在液体中，称为散式流化床。对于气固系统，由于气固两相密度相差很大，在气体流速超过Umf后，将出现气泡。气体流速越高，气泡引起的扰动越剧烈，造成床层频繁波动，这种形态的流化床称为聚式流化床。后面只讨论聚式流化床。在聚式流化床中，随着气流速度的加大，床层的湍动程度也跟着加剧，故又称湍动床，床面以下部分称为密相床。床面以上部分只有少量固体颗粒被抛掷和夹带上去，气体称为连续相，故称为稀相床。密相床中颗粒不断翻腾，如同沸腾的水，故又称为沸腾床。气固系统的聚式流化态过程中常常出现一些不正常现象。例如：当气体流速超过Umf

4、时床层尚未流化态，但有部分床层被气流冲出一层沟渠，称为沟流，其余部分的床层称为死床。如果床高与床径之比较大时气泡上升过程中可能聚集并增大到占据整个床层截面，将颗粒向上作柱塞式推动，达到某高度时气泡破裂，颗粒崩落，这种现象称为节涌或腾涌。上述不正常现象都会使流化床内的传热，传质和化学反应过程受到不利的影响。当气体流速继续增大，一旦超过颗粒的带出速度（或称终端速度）Ut。则颗粒就会被气流带走，床层上表面就会消失，这就是工业生产中常见的气流输送现象。对于某些快速反应，如化工生产中的分子筛催化裂化和某些燃烧反应等，237237采用一根

5、垂直的气流输送管，同时完成颗粒的输送和化学反应，这种流化床又称为快速流化床。综上可知，从临界流化态到气流输送，作为流化介质的气体由非连续相变成连续相的整个区间都属于流化态的范围，包括了各种不同类型的流化床反应器。在工业生产中常见的一些流化可以举例列于图（5-1-2）中。其中图（a）是无内部构件的“自由床”。为保证流化均匀,床的高径比一般不超过1.5,它适用于反应的热效应较小,只需通过床体外壁换热的场合。图（b）是上下分隔成若干层的“多层床”气固逆向流动，各层的气相与固相在流量和组成上相互制约，故操作弹性较小。但是在硅酸盐工业中

6、作为石灰石的焙烧铲是适宜的。(a)(b)(c)(d)(e)图5-1-2工业流化床图（c）和（d）都是窗体中装有内部构件的流化床。内部构件是装设在床体中的管束和挡板。其作用在于传热，控制气泡大小，减少层内的返混和颗粒的带出等，以便流化床在较大的高径比和气流速度下操作，并维持较好的流化状态。图（e）是气体从底部喷入而带动颗粒循环运动的喷动床，适用于大颗粒的流化。二、流化床的结构流化床的基本结构包括床层，气体分布器，内部构件和颗粒回收系统等四个部分，关于床层的结构将在第二节重点介绍。这里现就其他三部分介绍如下：（一）气体分布器气体分

7、布器的设计对于流化床的操作具有重要意义。分布器的结构形式有密孔板（实验室中用），多孔筛板，泡罩板，锥帽板和管栅形分布器等。目前工业上使用的气体分布器的若干形式如图（5-1-3）所示。其中图(a)图(b)是单层筛板，结构简单。237237（e）管式分布器（f）泡帽（g）侧缝锥帽图5-1-3气体分布器的形式凹形筛板强度较高，能承受热膨胀，故在大直径床中多采用这种形式的分布器。图(c)是多层筛板,下层板孔径大而数目少,起控制压降的作用,愈往上的各层孔的孔径愈小而孔数目愈多，以利于气体均匀分布。这种结构效果很好，但加工量大，各层间隙要

8、考虑避免漏料。图（d）是有夹层填料的分布板，填料能够使原料气体充分混合。图（e）是管栅式分布器。管上的限流小孔可以控制压降并保证整个床截面上的进气均匀，图（f）是一种泡罩板上的泡帽形式，有水平或向下斜的气孔，泡帽顶部有一定锥度，防止物料堆积。图（g）是侧缝锥帽，气体由侧缝中吹