化学反应工程第7章

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1、第七章气固相催化反应流化床反应器一、流化床简介1.什么是流化床反应器当通过床层的流体流量较小时，颗粒受到的升力（浮力与曳力之和）小于颗粒自身重力时，颗粒在床层内静止不动，流体由颗粒之间的空隙通过。此时床层称为固定床。随着流体流量增加，颗粒受到的曳力也随着增大。若颗粒受到的升力恰好等于自身重量时，颗粒受力处于平衡状态，故颗粒将在床层内作上下、左右、前后的激烈运动，这种现象被称为固体的流态化，整个床层称为流化床。2.流态化的不正常现象⑴沟流：由于流体分布板设计或安装上存在问题，使流体通过分布板进入浓相段形成的不是气泡而是气流，称沟流。沟流造成气体与乳化

2、相之间接触减少，传质与反应效果明显变差。⑵节流（腾涌）在流化床的内径较小而床高与床径比较大时，气泡在上升过程中因聚并而增大，气泡有可能占据整个床层截面，气流将床层一节节地往上做柱塞式推动，在上升到某一位置二崩落，流化床的正常操作被破坏。体系发生流态化现象后，表现出类似于单一液体的特性，如具有浮力、液面和压降，会发生泄漏，两个想通设备间会表现出连通器的特性等。2.流化床的应用⑴第一次工业应用：1922年FritzWinkler获德国专利，1926年第一台高13米，截面积12平方米的煤气发生炉开始运转。⑵石油、大化工、冶金等领域气—固催化反应、矿石焙烧

3、（冶金）、沸腾床（流化床），燃烧锅炉（电力部门）。⑶有机化工领域丙烯氨氧化制丙烯腈——腈纶萘氧化——苯酐乙炔、醋酸——醋酸乙烯——维尼纶3.流化床反应器的优点：⑴颗粒流动类似液体，易于处理，控制；⑵固体颗粒迅速混合，整个床层等温；⑶颗粒可以在两个流化床之间流动、循环，使大量热、质有可能在床层之间传递；⑷宜于大规模操作；⑸气体和固体之间的热质传递较其它方式高；⑹流化床与床内构件的给热系数大。4.流化床反应器的缺点：⑴气体的流动状态难以描述，偏离平推流，气泡使颗粒发生沟流，接触效率下降；⑵颗粒在床层迅速混合，造成停留时间分布不均匀；⑶脆性颗粒易粉碎被气

4、流带走；⑷颗粒对设备磨损严重；⑸对高温非催化操作，颗粒易于聚集和烧结。二、流化床的工艺计算1.流化床压强降在流化床阶段，床层压强降保持不变。其值等于单位面积床层的净重力，可根据颗粒与流体间的摩擦力恰与其净重力平衡的关系求出。气固摩擦力=净重力=重力-浮力当流速进一步增大时，床层空隙率和高度均增加，L（1-εB）不再变化，因此Δp维持不变。由于气固系统中，气体的密度和固体相比可以忽略，故Δp约等于单位面积床层的重力。2.临界化速度（最小流化速度）临界流化速度是指颗粒层由固定床转为流化床时流体的表观速度，也称初始流化速度或最低流化速度。用umf表示。⑴

5、用空气实验测定，然后加以校正。⑵固定床和流化床压降公式联立整理得：低雷诺数时，粘滞力损失占主导，忽略后一项：粘滞力损失（摩擦阻力相）动能损失（局部阻力相）高雷诺数时，动能损失占主导，忽略前一项：解得：3.逸出速度（带出速度或最大速度）uT流化床的气体流量一方面受umf限制，另一方面也受固体颗粒被气体夹带的限制。当流化床中上升的气体流速u等于颗粒的自由沉降速度时，颗粒就悬浮于气流中，二不会沉降。当气流速度稍大于这一沉降速度时，颗粒就会被带出。因而流化床中颗粒的逸出速度等于颗粒在静止气体中的沉降速度。umf发生在底部，计算时用底部T,P和组成来确定流体

6、的密度和粘度，颗粒直径用不同粒度的平均值。uT发生在顶部，计算时用顶部T,P和组成来确定流体的密度和粘度，颗粒直径用气相中具有相当数目的最小颗粒的直径。4.反应器内径VG：气流的体积流量m3s-1dt：流化床内径mu：气流的空塔流速m.s-1可见，流化床的内径取决于气流的空塔气速，而流化床的空塔气速应介于初始流化速度（也称临界流化速度）与逸出速度之间。即维持流化状态的最低气速与最高气速之间。5.浓相段和稀相段当流体通过固体床层的空塔速度值高于初始流化速度但低于逸出速度，颗粒在气流作用下悬浮于床层中，所形成的流固混合物称为浓相段。在浓相段上升的气泡在

7、界面上破裂，气泡内颗粒以及受气泡挟带的乳化相中颗粒将被抛向浓相段上方空间。这段空间称为稀相段或称分离段。⑴浓相段的计算催化剂在床层中堆积高度称静床层高度(L0)。在通入气体到起始流化时，床高Lmf≈L0。若继续加大气量，床层内产生一定量的气泡，浓相段床高(Lf)远大于静床层高度。定义：床层膨胀比为Rεf——浓相段的床层空隙率0.2

8、下述经验方程估算。也可以通过查表的方法确定。例：萘氧化制苯酐的反应，用微球硅胶钒做催化剂。已知催化剂粒度分布如下：催化剂颗