反应器基本原理7节解读.ppt

§ 7 流化床反应器 流化床反应器是气固相反应常用的一种反应器，在化工、石油、冶金等部门已经得到广泛应用。 应用体系：苯氧化制苯酐、丙烯腈的合成、石油催化裂化等等。 特点：催化剂采用很细的颗粒，当气体通过反应器的时候，床内催化剂层受到气流的冲击作用悬浮起来，在反应器内做剧烈的运动，上下翻滚，整个系统很像沸腾的液体。 由于其特点故称为流化床或沸腾床，这种过程称为固体的流态化。 与固定床相比，流化床具有的优点： 由于固体颗粒直径较小，一定体积的催化剂（或其它固体物质）与流体有较大的接触面积，因而增大了流体与固体颗粒之间的传热和传质面积； 由于颗粒在流体中处于运动状态，颗粒与流体界面不断搅动，因而界面不断更新，颗粒湍动程度增加，因此提高了传热和传质的系数。所以当大量反应热放出时，能够很快地传出，以避免床层局部过热； 在催化剂必须定期再生的情况下，特别是催化剂活性消失很快而须及时进行再生的情况下，由于流化床具有流动性，便于生产的连续性和自动化。 流化床的主要缺陷一： 由于流化床中气体常常出现过大的气泡、腾涌等现象，造成固体颗粒的密集，因此常影响气体与催化剂颗粒的接触效率，另外，流化床内固体颗粒和流体沿设备轴向混合很严重，这时未参加反应的物料被已反应的物料所稀释，使传质推动力减小，从而导致反应速度降低，转化率下降，有时选择性下降。 流化床的主要缺陷二： 在流化床中，由于固体颗粒的剧烈搅动和颗粒的循环运动会造成催化剂的磨损，因此对于流化床所使用的催化剂的耐磨性有会更突出的要求。由于物料和催化剂处于激烈的运动状态，必然会使固体破碎而带出许多微细的催化剂，为了防止污染及减少催化剂损失，尤其存在有害粉尘和催化剂价格昂贵的情况下，更要有妥善的回收装置。 7-1 基本现象与名称 流态化过程 当气体自下而上地通过床层时，随着催化剂颗粒的特性、床层几何尺寸、气体流速等的不同，流态化过程可分为：固定床阶段，流化床阶段，气流输送阶段。 （1）固定床阶段 在一个床内，当空床气流较小时，固体颗粒静止不动，气体从催化剂颗粒之间的缝隙穿过，如图4-51(a)所示。 （2）流化床阶段（浓相流化） 在空床气速增加到一定值后，继续增大气速，固体颗粒的位置得到调整，床层膨胀，它的空隙率开始增加，但固体颗粒仍保持接触。此时流化状态即将进入流化床阶段。 达流态化起点时的流速称为临界流化速度wmf。当空床气速超过wmf时颗粒完全呈悬浮状态，它们可以往各个方向流动，此时由颗粒所形成的床层完全处于流态化状态。处于流态化的气固系统具有类似于流体的同样流动性。 （3）气流输送阶段（稀相流化） 当床内气速达到固体颗粒开始被吹出反应器时，其相应的流速称为最大流速wmax，或称颗粒带出速度、超过此点，正常流态化已被破坏，此时床层空隙随气速增加而逐渐增大，最后床内颗粒全部被吹出，床层空隙率达100％。 结论： 流化床的正常操作速度理论上应处于临界流化速度wmf 与最大流速（颗粒带出速度）wmax 之间。 流态化分类： （一）散式流态化，其特征是流化床的颗粒均匀分散在床层中，平稳流化。 （二）聚式流态化，其特征是流化床内除一部分气体以临界流态化的速度流经粒子之间的空隙外，其余的气体成为气泡通过，因而人们常是把聚式流化床中聚集状态分为气泡相和乳浊相。 气泡在上升途中因聚合而增大，同时气泡又不断与乳浊相进行质量交换，即将反应组分传递到乳浊相中，在催化剂上进行反应，又将产生得产物传到气泡中来，并最后带出床层。所以气泡被认为是床层流化的基本动力，又是物质接受的储库，故它对化学反应起着决定性的作用。另外，气泡在上升途中逐渐长大并破裂，有时也会造成床层的不稳定。 沟流 定义：气体大量短路穿床层，床内形成一条狭窄通道，此时大床层仍处于固定状态，这种现象称为沟流。 如果沟流穿过整个床层，就称为贯穿沟流，如沟流仅发生在局部，就称之为局部沟流。 与沟流的产生有关的因素：颗粒的性质、流体流速、床层的厚薄、设备结构等。 例如，颗粒的粒度较细，且气速过低；潮湿的物料；易粘合、结团的物料；气体分布板设计得不好（或孔数太小，或孔径太大）等等都会引起沟流。 消除沟流最有效的办法：加大气速，物料预先干燥，在床内加内部构件以及改善分布结构等。 腾涌（节涌） 流化床内的气泡直径接近容器直径时，床内物料呈活塞状向上运动，于是床层分割成一段或几段，产生“腾涌”。 腾涌的影响：腾涌的存在不仅会造成床内温度分布不均和浓度的返混，降低转化率，而且会降低催化剂的寿命，增加催化剂的磨损及引起设备的振动。 与产生腾涌有关的因素：颗粒的性质，床层高度、气体流速等。 例如，床径比H0/D(未流化的静止床层高度H0与床层直径D之比)较大时候，大颗粒比小颗粒容易产生腾涌。