1、化學反應工程 課程教案課次17課時2課 型（請打）理論課 討論課 實驗課 習題課 其他授課題目（教學章、節或主題）：第7章 氣固相催化反應流化床反應器7.3流化床反應過程的計算教學目的、要求（分掌握、熟悉、了解三個層次）：1. 掌握流化床的基本概念； 2. 掌握流化床的工藝計算；教學重點及難點：重點：固定床催化反應器的特點、類型和設計要求。難點：一維擬均相理想流動模型對反應器進行設計計算。教 學 基 本 內 容方法及手段7.1流化床的基本概念流態化現象：使微粒固體通過與氣體或液體接觸而轉變成類似流體的操作。固體顆粒層與流體接觸的不同類型：7.1.1流化床的基本概念1） 當通過床層的流體流量較小

2、時，顆粒受到的升力（浮力與曳力之和）小于顆粒自身重力時，顆粒在床層內靜止不動，流體由顆粒之間的空隙通過。此時床層稱為固定床。2） 隨著流體流量增加，顆粒受到的曳力也隨著增大。若顆粒受到的升力恰好等于自身重量時，顆粒受力處于平衡狀態，故顆粒將在床層內作上下、左右、前后的激烈運動，這種現象被稱為固體的流態化，整個床層稱為流化床。曳力（表面曳力、形體曳力）曳力是流體對固體的作用力，而阻力是固體壁對流體的作用力，兩者是作用力與反作用力的關系。表面曳力由作用在顆粒表面上的剪切力引起，形體曳力由作用在顆粒表面上的壓強力扣除浮力部分引起。3).流化床類似液體的性狀（a） 輕的固體浮起；（b）表面保持水平；（

3、c）固體顆粒從孔中噴出；（d）床面拉平；（e）床層重量除以截面積等于壓強流化床的優點(1) 顆粒流動類似液體，易于處理、控制；(2) 固體顆粒迅速混合，整個床層等溫；(3) 顆?？梢栽趦蓚€流化床之間流動、循環，使大量熱、質有可能在床層之間傳遞；(4) 宜于大規模操作；(5) 氣體和固體之間的熱質傳遞較其它方式高；(6) 流化床與床內構件的給熱系數大。流化床的缺點(1)氣體的流動狀態難以描述，偏離平推流，氣泡使顆粒發生溝流，接觸效率下降；(2)顆粒在床層迅速混合，造成停留時間分布不均勻；(3)脆性顆粒易粉碎被氣流帶走；(4)顆粒對設備磨損嚴重；(5)對高溫非催化操作，顆粒易于聚集和燒結流化床的工

4、業應用 第一次工業應用： 1922年 Fritz Winkler獲德國專利，1926年第一臺高13米，截面積12平方米的煤氣發生爐開始運轉。 目前最重要的工業應用： SOD(Standard Oil Development Company) IV型催化裂化。散式流態化和聚式流態化P185（1）散式流態化隨著流體流量的加大，床層內空隙率增大，顆粒之間間距加大，而顆粒在床層中分布均勻，流體基本上以平推流形式通過床層，人們稱這種流化形式為散式流態化。（2）聚式流態化在此類流態化形式中，床層明顯地分成兩部分。其一是乳化相：固體顆粒被分散于流體中，單位體積內顆粒量類似于散式流化床的初始流化狀態。其二是氣

5、泡相：流體以氣泡形式通過床層。兩種流態化的判別一般認為液固流態化為散式流態化而氣固之間的流態化多為聚式流態化P185 為散式流態化為聚式流態化濃相段和稀相段（P185-186）1).當流體通過固體床層的空塔速度值高于初始流化速度但低于逸出速度(p188)，顆粒在氣流作用下懸浮于床層中，所形成的流固混合物稱為濃相段。2).在濃相段中上升的氣泡在界面上破裂，氣泡內顆粒以及受氣泡挾帶的乳化相中顆粒將被拋向濃相段上方空間。這段空間稱為稀相段或稱分離段。整個流化床反應器由濃相段和稀相段組合而成。3)流態化的不正常現象在流態化操作中溝流和節涌是聚式流化床兩種常見的不正常操作情況。溝流：由于流體分布板設計或

6、安裝上存在問題，使流體通過分布板進入濃相段形成的不是氣泡而是氣流，稱溝流。溝流造成氣體與乳化相之間接觸減少，傳質與反應效果明顯變差。節涌（騰涌）在流化床內徑較小而床高與床徑比較大時，氣泡在上升過程中因聚并而增大，氣泡有可能占據整個床層截面，氣流將床層一節節地往上做柱塞式推動，在上升到某一位置而崩落，流化床的正常操作被破壞。這種現象稱節涌（騰涌）。流化床反應器的特點：P1867.2流化床的工藝計算1、指根據已知氣體流量及催化劑用量，計算反應器的床層內徑以及反應器的床層高度。1 初始流化速度：顆粒開始流化時的氣流速度（氣體向上運動時產生的曳力）（床層體積）×（固體顆粒分率）×（

7、顆粒密度），即： 將上式與固定床壓降方程(Ergun方程)相結合，可得臨界流化速度計算式。 Ergun方程：(s-顆粒外表面利用系數）與考慮固定床壓降時的方程對照：可以看出所作簡化。前一項為粘滯力損失，后一項為動能損失。合并兩式并整理：低雷諾數時，粘滯力損失占主導，忽略后一項： 解得：高雷諾數時，動能損失占主導，忽略前一項：高雷諾數時，動能損失占主導，忽略前一項：解得對中等雷諾數，兩項都要考慮。計算出臨界流化速度后要進行驗算，看雷諾數是否在適用范圍之內。2 逸出速度（終端速度）：當流體對顆粒的曳力與顆粒的重量相等，顆粒會被流體帶走： CD-曳力系數對于單顆粒，有半經驗公式： 以上計算是針對一個

8、顆粒的，在流化床內由于顆粒間有相互影響，故逸出速度由此速度值再加以校正而得。 uT=Fu Re<10時，F1 Re>10時，Re-F見下圖 3 反應器內徑的計算VG：氣流的體積流量m3s-1dT：流化床內徑mu：氣流的空塔流速m.s-1可見，流化床的內徑取決于氣流的空塔氣速，而流化床的空塔氣速應介于初始流化速度（也稱臨界流化速度）與逸出速度之間。即維持流化狀態的最低氣速與最高氣速之間。4、濃相段高度的計算催化劑在床層中堆積高度稱靜床層高度(L0)。在通入氣體到起始流化時，床高LmfL0。若繼續加大氣量，床層內產生一定量的氣泡，濃相段床高(Lf)遠大于靜床層高度。關于濃相段床高的計算

9、通常用計算床層空隙率(f)來獲得。令床層膨脹比R5、 稀相段床高的估算稀相段也稱分離段，主要是用來保證床內因氣泡破裂而挾帶固體顆粒重新回到濃相段所需空間。稀相段床高可由化工原理中非均相分離過程計算而得，也可由下述經驗方程估算。6、床層總高L=Lf+L27、流化床的熱傳遞1)、流化床的熱量傳遞過程大體可分為：固體顆粒之間的熱量傳遞；氣體與固體之間的熱量傳遞；床層與床壁（包括換熱器）之間的熱量傳遞。2)、由于流化床中顆粒處于高度運動狀態，而固體的導熱系數較大，因此傳熱速率很快。床層中溫度基本上可以認為是一致的。3)、流化床傳熱小結4)、水平管的給熱系數比垂直管低515，因此傾向于使用垂直管。5)、顆粒的導熱系數和床高對給熱系數影響不大；6)、給熱系數隨顆粒比熱的增大而增大，隨粒徑的增大而降低；7)、流體的導熱系數l對給熱系數Nu起最主要的影響， Nu與ln成正比，n=1/2-2/3。8)、床層直徑的影響難于判定；9)、床內管徑小時給熱系數大；講解作業、討論題、思考題：1、名詞解釋流化床、移動床、固定床、散式流化態、聚式流化態、濃相段、稀相段、節涌、溝流初始流化速度、逸出速度2、簡答