第七章-流化床反应器

高等反应工程第七章流化床反应器流化床反应器的气固接触方式复杂，数学模型很多，但预测结果均不理想。流化床和固定床反应器比较，流化床反应器又具有较好的特性：1）流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能。床层内部传热较好，径向和轴向的温度分布均匀，床层和传热面之间，由于固体颗粒的运动破坏了传热面附近的层流边界层，使其传热系数比空管或固定床高得多，可达到400~1600W/(m2.K)。2）容易实现固体物料的连续输入和输出。3）固体粒度较小，对催化反应，细颗粒的使用可消除内扩散阻力，抑制串联副反应。2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系2第七章流化床反应器•7.1气固流态化现象7.1.1最小流化速度7.1.2颗粒的流化特性•7.2流化床中的气泡模型7.2.1单气泡结构模型7.2.2气泡聚并与气泡群上升的速度模型•7.3流化床反应器的模型化7.3.1两相模型7.3.2三相模型2019/12/233版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系7.1气固流态化现象2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系4•流化是一种利用流体流动的作用使固体颗粒群悬浮，从而使固体颗粒床层具有流体的某些表观特征的过程。•随流体流动速度的增加，固体颗粒床从固定床开始转化为流化床状态时空床截面最小流速称为临界（最小）流化速率。•气固流化过程，气速超过临界流化速度后床层会出现气泡，床层处于鼓泡流化床(BFB)状态，随着气速的继续增大，流化状态从鼓泡床向湍流床转化，当气速增大超过颗粒的终端速度时，气流夹带颗粒急剧上升，进入快速流化床状态，再增加气速，最终转化为气流输送状态。2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系52019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系6不同流化状态下床层中固相分率随床高的变化随气速的增加，固体颗粒逐渐均匀散布到整个反应器中。随着催化剂活性的升高，流化床的操作气速也不断提高，处于湍流床、快速床、气流输送状态的工业流化床反应器不断涌现。这些床层中，均会有大量固体颗粒被气流夹带而离开反应器，必须不断补充固体颗粒，才能维持连续的操作。7.1.1最小流化速度2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系7流体通过颗粒床层的压降与流速关系如图所示，流速超过起始流化速度后，床层压降不随流速变化。固定床时，床层压降可用Ergun方程描述：3201501.75(1)RePfdPfuH(7.1)流化床时，床层压降近似等于颗粒的重力：(1)()gmfsfPH(7.2)起始流化时，两式压降相同，可联立求解01Re1Pfdumfu最小流化速率关联式式中固体颗粒的平均表面当量直径用下式计算x为颗粒直径为的颗粒所占的质量分数。2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系8(7.4)RePmfgmfdu1/2Re(33.670.0408)33.67mfGa32()gPgSgdGa阿基米德数Ar雷诺数1Pixdd𝑑𝑖7.1.2颗粒的流化特性2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系9Geldart将流化床内颗粒分为四类：A、B、C、D7.2流化床中的气泡模型当流化床中气速超过临界流化速度时，床层中会有气泡产生，是气固流化床的特征之一。气固流化床中的气泡与气液系统中的气泡相似但又有较大区别：流化床中气泡与乳化相之间没有连续的分界面，由于在乳化相中固体颗粒之间是被流化气体分隔开的，气泡中气体可以自由地进入乳化相，而乳化相中的气体也可以自由进入气泡中。气液系统中，液体中气液间的界面不容易穿透，两相间的交接必须经过相接触面。2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系107.2.1单气泡结构模型1.晕层模型Clift和Grace总结，流化床中单气泡上升速度：当气体流速与气泡上升速不同时，气泡表面有可能出现晕层。2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系110.711gd0.125bbrbtduD(7.14)根据DavidsonandHarrison的研究，出现晕层的判据为：brfuumffmfuu式中，乳化相真实气体速度：2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系12(1)无晕气泡，图中a,b此时，乳化相气速超过气泡上升速度，气泡将是气体通过床层的一条捷径。气体从气泡底部进入，从顶部离开，呈环状在气泡内部旋转，与气泡同时上升。(c)乳化相气速与气泡上升速度相同，泡晕层厚度为无穷大brfuu(2)有晕气泡，图7-6中d,e,f此时，气泡上升速度大于乳化相气速，气泡中的气体渗透入乳化相，形成气泡晕。(气泡顶部返回气泡底部的循环气体所渗透的区域称为气泡晕)，随气泡上升速度的增加，气泡晕的厚度会变薄，并更紧密环绕的气泡的周围。如图2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系13brfuu气泡上升速度气泡晕的形成会严重影响流化床中的气固接触效果，当气泡速度很大时，气泡中的气体几乎与周围的固体没有任何接触。晕层半径估算：晕层体积估算：2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系141/32brfcbbrfuurruu(7.15)3cbrcbrbrfVufVuu(7.16)7.2.1单气泡结构模型2.尾涡模型在气泡的底部有尾涡区，其产生是由气泡底部的压力低于周围乳化相，气体被吸入气泡中，造成气泡的不稳定性和部分崩溃，产生湍流混合现象，使固体颗粒被气泡夹带。2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系15由晕层模型和尾涡模型即可对一个气泡的结构进行描述。例7.1直径为60厘米的流化床中装载了直径为300μm的砂粒，起始流化速度为3cm/s，临界空隙率为0.5，床内形成气泡直径为5cm，计算：气泡上升速度、晕层的厚度、尾涡体积分率解：气泡上升速度气泡晕层厚度尾涡体积分率（查图7-7）2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系160.7110.711980*549.8/brbugdcms510.1256012btdD36/0.5mffbrmfuucmsu1/325110.302brfccbbbbrfuurrrrcmruu0.24wf7.2.2气泡聚并与气泡群上升的速度模型1.气泡聚并现象尾随气泡加速追赶领先气泡，并从后者的尾部进入，完成聚并。靠近分布板附近的床层区域，气泡聚并的现象最为严重。此区域有大量气体处于聚并气泡之间的过渡区域，使此区域乳化相发生膨胀，空隙率升高。而在床层顶部区域，气泡聚并现象比较轻微。气泡频率(单位时间个数)从床层底部到顶部是下降的，分布板附近的12~19个/s下降到距离分布板50厘米的2个/s2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系172019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系182.气泡群上升速度单个气泡的上升速可用7.14计算，由于气泡上升过程中会发生聚并，因此，床内气泡的平均上升速度要高于单气泡，DavidsonandHarrison提出应用广泛的经验式式中的气泡直径分布板为多孔板时的初始气泡直径2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系190()0.711gdbmfbuuu(7.17)0.53000.316()bmfbduuhd(7.18)0.400.2001.30cmmfbbororuudgdlN(7.18)a(7.18)b210002.78cmbmfbordguudl𝑁𝑜𝑟−单位面积的孔数，cm-2𝑙𝑜𝑟-分布板孔径，cm3.腾涌现象高长径比流化床中，随着气泡的不断聚并，气泡的尺寸最终可达到与床体直径相同，称弹型气泡，流体力学性能与自由移动的气泡差异很大。弹型气泡上升速率较慢，气泡的形状与床层材料相关，对细颗粒床层（B类），常形成轴对称型。形成弹型气泡的最小过量气体流速为一般地，实验室规模的反应器容易形成腾涌，工业流化床则常为自由鼓泡状态。2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系2030.1730()0.0711g1.610(),cm/s60mftLmfLtuuDHHHD(7.19)7.3流化床反应器的模型化•工业的气固相催化流化床反应器基本在鼓泡区操作，气泡周围常会形成晕层，操作气速•根据对气泡结构的处理方法不同，常见的流化床反应器模型有：1.乳化相-气泡相组成的两相模型2.乳化相-晕相-气泡组成的叁相模型2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系210(530)mfuu7.3.1两相模型乳化相：相当于一个返混程序较大的反应器，用轴向扩散模型描述，当返混较大时，可认为是全混流模型。气泡相：相当于一个平推流反应器，无反应发生，反应物从气泡相传递到乳化相，乳化相中反应生成的产物传递回气泡相并随气泡上升，最后流出反应器。对反应物作物料衡算：2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系22()bbmVbedCukaCCdz22(,)()eeeeeeeeemVbedCdCuDrTCkaCCdzdz(7.20)(7.21)气泡相边界条件：乳化相边界条件：进一步简化，假定乳化相完全混合，向上气速很小，相当于全混流反应器，反应为一级不可逆2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系2300,bzCC00,()1,0eaeeedCzDuCCdzdCzdz()eeemVbekCkaCC()bbmVbedCukaCCdz(7.22)(7.23)(7.24)(7.20)(7.25)两式联立，消去乳化相浓度，获得气泡相浓度方程解出上式中，反应时间常数为，传质时间常数为两相模型没有考虑气泡晕的影响，预测精度很差，一般使用实验数据进行拟合，获得方程中参数。2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系24111bbbeemVdCuCdzkka10111expbeemVbCzxCkkau1𝜀𝑒𝜌𝑒𝑘1𝑘𝑚𝑎𝑉(7.27)(7.28)7.3.2三相模型K-L模型，由Kunii和Levenspiel提出，适用于快速气泡的自由鼓泡床。假设如下：1）球形气泡，均一直径，服从Davidson模型，通过气泡云向上流动的气体可忽略，处于区域2）乳化相处于临界流化状态，相内气固相对速度恒定。3）每个气泡后有固体尾迹，引发床层内固体循环。固体的循环流动可能会带动气体流动，为简化，K-L模型忽略通过乳化相的上流或下流气体，和气泡相比，这部分气体流量是非常小的。4）忽略通过气泡云的气体流量，快速气泡的气泡云很小2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系25𝑢𝑏≫𝑢𝑒2019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系262019/12/23版权所有,By曹志凯,厦门大学化学工程与生物工程系27K-L模型参数的符号如左图示320um/(ms)表观气速，气体床层截面积tDm床层直径，床层空隙率下标b、c、e和w指气泡、气泡云、乳化相和尾迹下标m、mf和f指固定床、临界流化床和鼓泡流化床状态可测定参数：0mfmfuu唯一模型参数：气泡有效直径bd各相体积分数气固相交接速率……单气泡上升速度气泡群速度床层气泡分率各种状态下，床层高度关系2019/