流化床,固定床
第六章 固定床
水力半径
• 湿周---在总流的有效截面上，流体与固体壁面的接 触长度称为湿周，用字母L表示。
• 水力半径---总流的有效截面积A和湿周L之比。用字
母RH表示
RH = A / L
44
• 对于圆形截面的管道，其几何直径用水力半径表示 时可表示为
• A=(1/4)×πd2 • L=πd • 则 R=A/L=(1/4)×d → d = 4 R
当ReM>1000 湍流, 局部阻力损失为主, f≈1.75 , 略去第一项
结论： 对ΔP影响最大的是ε和u
49
Pf L
'(duSm 2 )(1B3B)
f ' 1501.75 ReM
一般床压不宜超过床内压力的15%，所以颗粒不 能太细，应做成圆球状。
50
➢ 压降的计算 ΔP=ΔP1+ ΔP2
= 15fu 0 OG L 0(1)21.75fuO 2 G L 0(1)
dS 2
3
dS
3
Pa
式中混合物的粘度
1
yi
fi M
2 i
f
1
yiM
2 i
kg/m.s
51
6.3 固定床中的传热
传热包括： 粒内传热，颗粒与流体间的传热，床层与器壁的传热
给热系数 αP 给热系数αW ,λer 总给热系数α t
当单纯作为换热装置时，以床层的平均温度tm与 管壁温差为推动力-----总给热系数αt
n
算术平均直径： d xWidi i1
调和平均直径：
1 n xWi
d
d i1 i
几何平均直径：
di
didi
30
6.2.3 床层空隙率及分布
固定床的特点
固定床当气体以较低速度自下而上通过均匀固体颗粒床层时，气体只在静止不动的固体颗粒空隙中穿过，固体颗粒床层的高度基本上维持不变，这样的床层称为固定床。
随着气体流速增大，固体颗粒床层开始松动，固体颗粒的相对位置也在一定区域内调整，床层高度略有增加；如果气体流速继续增大，固体颗粒则完全悬浮在向上流动的气体中，并进行相当不规则的运动；气体流速进一步增大，床层高度将随之增加，固体颗粒的运动更为激烈，但仍停留在床层中，而不被气流所带出，这样的床层称为流化床。
当气体流速继续增大，流化床的上界面消失，固体颗粒分散悬浮在气体中并被气流夹带而离开床层，这样的床层称为气流床，此时，气体通过固体颗粒床层的压力降随气体空塔速度的增大而急剧减小，甚至固体颗粒被气体全部带出。
根据上述原理，形成3种制气技术，即固定床气化、流化床气化和气流床气化。
固定床气化技术的特点是原料煤预处理相对简单，气化炉出口粗煤气组成中甲烷、酚、焦油等杂质含量较高，冷煤气效率高，适合于煤制天然气。
其主要特点如下：1、粒度分布：5-50mm之间，大于50mm和小于5mm的应小于5%。
2、灰熔点高于120度。
灰和水的总和小于50%。
适合高水分、高灰分含量的低阶煤。
适应高灰、高水、高灰熔融性温度的煤。
3、煤要有一定的热强度和机械强度。
4、煤气中含体积分数10％左右的甲烷比较适合煤制天然气项目，投资也相对较低。
这也是国内多数煤制天然气项目选择鲁奇炉的原因。
5、毎产生1000NM3的甲烷，要产生1.7吨难处理的含酚废水。
其不足之处是：使用块煤、煤气水量大、副产品量少时难以加工利用。
采用加压固定床气化炉的缺点是：1）要使用块煤（粒度煤）、价格高；2）煤的粘结性不能太强（可应用煤种受到限制）；3）气化强度较低（单炉产气量有限、需使用很多台炉）；4）在气化年轻煤种时，焦油产量较大（烟煤，约4～6％；褐煤，约5～8％）；5）碳转化率较低，冷煤气效率低；（灰渣中含碳高）6）蒸汽分解率低（～40％），消耗量大，未分解蒸汽冷凝后造成废水量大；7）环保方面的潜在问题（焦油和水处理）；8）需要设置流程复杂的焦油处理、循环水处理系统；目前国内有些使用鲁奇炉的项目通过环评，我们认为审查者不应只看纸面上的方案，一定要看实际运行效果优点是：气化年轻煤种时，合成气中甲烷含量较高，变换、甲烷化负荷较低。
化工基础实验 固定床和流化床实验
流化床压力与气速的关系
log
固定床
流化床
带出开始
C
B
A
D
A 起始流化速度
带出速度
logu
图 3-28 流化床压力降与气速关系
三、实验装置图
图2 气固系统流程图 1.鼓风机 2.孔板流量计 3.孔板压差计 4. 压差计 5.床身 6.接收管 7.旋风分离器 8.按钮开关
图2 液固系统流程图 1. 旋液分离器 2. 接收器 3.床身 4. 压差计 5. 孔板压差计 6.水槽 7.水泵 8. 孔板流量计 9. 按钮开关
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B、 聚式流化
对于密度差较大的系统，则趋向于另一种流化 形式——聚式流化。例如，在密度差较大的 气—固系统的流化床中，超过流化所需最小气 量的那部分气体以气泡形式通过颗粒层，上升 至床层上界面时即行破裂。在这些气泡内可能 夹带有少量固体颗粒。这时床层内分为两相， 一相是空隙小而固体浓度大的气固均匀混合物 构成的连续相，称为乳化相；另一相则是夹带 有少量固体颗粒而以气泡形式通过床层的不连 续相，称为气泡相。由于气泡在上界面处破裂， 所以上界面是以某种频率上下波动的不稳定界 面，床层压强降也随之作相应的波动。
实验装置
四、注意事项
在全部的操作中，流量调节是关键，要求流量调节要缓 慢，由其是在临界流化点附近要更加缓慢，做出流化曲 线的全部过程，至少要做15—20个点左右，点并均匀分 布。
由于实验完毕后，床层颗粒的孔隙率增大，为了使下一 次实验数据准确性好些，用手轻轻拍一下床体，使固体 的孔隙率减小，床层高度为实验前原有的高度。
本实验室装置为二维床。便于观察现象。但固体颗粒回 收到床内，并不十分方便。所以操作中注意流量调节不 要过猛，防止颗粒带出。
固定床、移动床、流化床反应器区别详解
固定床、移动床、流化床反应器，这三种反应器被誉为是工业生产中不可或缺的重要设备。
它们虽然都是制造工业生产中的设备，但它们各有所长，各有其优缺点。
一、首先，“床”指的是什么？大量固体颗粒堆积在一起，便形成了具有一定高度的颗粒床层，这就是名称里的"床"。
这些固体颗粒可以是反应物，也可以是催化剂。
二、如何区分固定床、移动床、流化床反应器如果这个颗粒床层是固定不动的，就叫固定床。
如果这个颗粒床层是整体移动的，固体颗粒自顶部连续加入，又从底部卸出，颗粒相互之间没有相对运动，而是以一个整体的状态移动，叫做移动床。
当流体（气体或液体）通过颗粒床层时，进行反应。
如果将流体通过床层的速度提高到一定数值，固体颗粒已经不能维持不变的状态，全部悬浮于流体之中，固体颗粒之间进行的是无规则运动，整个固体颗粒的床层，可以像流体一样流动，这即是流动床。
下面，小七为大家详细的介绍这三种反应器。
三、固定床反应器又称填充床反应器，内部装填有固体催化剂或固体反应物，以实现多相反应。
固体物通常呈颗粒状，堆积成一定高度（或厚度）的床层，床层静止不动，流体通过床层进行反应。
固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。
用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。
涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。
1、优点•催化剂机械磨损小。
•床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。
•由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率。
•可在高温高压下操作。
2、缺点•固定床中的传热较差。
•催化剂的再生、更换均不方便，催化剂的更换必须停产进行。
•不能使用细粒催化剂，但固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。
目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。
固定床、流化床、移动床、浆态床比较
四种反应器形式比较一、固定床反应器（一）概念凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备都称为固定床反应器。
而其中尤以利用气态的反应物料，通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气固相催化反应器在化工生产中应用最为广泛。
例如石油炼制工业中的加氢裂化、歧化、异构化、加氢精制等；无机化学工业中的合成氨、硫酸、天然气转化等；有机化学工业中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙烯水合制乙醇、乙苯脱氧制苯乙烯、苯加氢制环己烷等。
（二）特点结构简单、操作稳定、便于控制、易实现大型化和连续化生产等优点，是现代化工和反应中应用很广泛的反应器。
1、优点主要表现在以下几个方面：1）在生产操作中，除床层极薄和气体流速很低的特殊情况外，床层内气体的流动皆可看成是理想置换流动，因此在化学反应速度较快，在完成同样生产能力时，所需要的催化剂用量和反应器体积较小。
2）气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性。
3）催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。
4）适宜于高温高压条件下操作。
2、由于固体催化剂在床层中静止不动，相应地产生一些缺点：1）催化剂载体往往导热性不良，气体流速受压降限制又不能太大，导致床层中传热性能较差，也给温度控制带来困难。
对于放热反应，在换热式反应器的入口处，因为反应物浓度较高，反应速度较快，放出的热量往往来不及移走，而使物料温度升高，这又促使反应以更快的速度进行，放出更多的热量，物料温度继续升高，直到反应物浓度降低，反应速度减慢，传热速度超过了反应速度时，温度才逐渐下降。
所以在放热反应时，通常在换热式反应器的轴向存在一个最高的温度点，称为“热点”。
如设计或操作不当，则在强放热反应时，床内热点温度会超过工艺允许的最高温度，甚至失去控制而出现“飞温”。
此时，对反应的选择性、催化剂的活性和寿命、设备的强度等均极不利。
2）不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，破坏了正常操作，所以催化剂的活性内表面得不到充分利用。
第六章_固定床反应器详解
3.熔盐：温度范围300℃～400℃，由无机熔
盐KNO3、NaNO3、NaNO2按一定比例组成， 在一定温度时呈熔融液体，挥发性很小。但 高温下渗透性强，有较强的氧化性。 4.烟道气：适用于600～700℃的高温反应。
26
6.2 固定床的传递特性
• 气体在催化剂颗粒
之间的孔隙中流动，
较在管内流动更容
补充水
产物
4. 自热式反应器
采用反应放出的热量来预热新鲜的进料，
达到热量自给和平衡，其设备紧凑，可用
于高压反应体系。
但其结构较复杂，操作弹性较小，启动反
应时常用电加热。
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6.1.3 传热介质
•传热介质的选用根据反应的温度范围决定， 其温度与催化床的温差宜小，但又必须移走 大量的热，常用的传热介质有： 1.沸腾水：温度范围100~300℃。使用时需注 意水质处理，脱除水中溶解的氧。 2.联苯醚、烷基萘为主的石油馏分：粘度低 ，无腐蚀，无相变，温度范围200~ 350℃
如图 (b) 所示。径向反应器的结构较轴向 反应器复杂，催化剂装载于两个同心圆构 成的环隙中，流体沿径向流过床层，可采 用离心流动或向心流动。
径向反应器的优点是流体流过的距离较短
，流道截面积较大，床层阻力降较小。
轴向反应器与径向反应器
(a)
(b)
2.多段绝热式固定床反应器
热效应大，常把催化剂床层分成几段(层)， 段间采用间接冷却或原料气（或惰性组分）
8
原料气
绝热式
催化剂
固定床 反应器
产物
9
绝热式固定床反应器可分为轴向反应器和
径向反应器。 (1)轴向绝热式固定床反应器
流化床
什么叫起始流化速度?
． 当流速增加到流体经过床层的压降和床 层单位面积的重量相等时，整个床层的固 体颗粒就变为被流体所支承，不再是静止 状态，床层开始流化。这时的流体速度， 叫做起始流化速度(u。f)。
什 么叫起始气泡速度?
流化床中，当流速增加到床层开始出现气 泡，进入鼓泡床流化状态时的流体速度， 叫做起始气泡速度(Umb)。
流化与流化床
所谓“流化（Flowing）”是指当气体以一定的速度通过装 有催化剂（Catalyst）的空间时，催化剂将剧烈扰动，气 固两相混合在一起，像流体一样流动或沸腾。 流化床反应器：一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而 使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或 液固相反应过程的反应器。在用于气固系统时，又称沸腾 床反应器。
什么叫颗粒带出速度?
当流体的速度增大到超过颗粒的自由沉降 速度时，如果没有固体颗粒补充进去，则 床层内的固体颗粒将逐渐被流体全部带走。 和固体颗粒自由沉降速度相等的流体速度， 就叫做颗粒带出速度，也称终端速度。
什么叫噎塞速度? 它和什么有关?
气一固悬浮物在管道中垂直向上流动时，管道 中密度太大，气流已不足以支持固体颗粒，因而 出现腾涌的最大气体速度叫做噎塞速度。 噎塞 速度的数值主要决定于催化剂的筛分组成、颗粒 密度等物性。此外，管内固体质量速度或管径越 大，噎塞速度也越高。
形成流化床的条件
流化床的形成需具备以下三个条件： ① 要有一个容器，如催化裂化装置中反应器、再 生器等，并设置有使流体分布良好的分布器，以 支撑床层并使流化良好。 ② 容器中要有足够数量的固体颗粒，颗粒大小、 相对密度、耐磨性能等应能满足要求。如催化裂 化装置中所使用的催化剂颗粒。 ③ 要有流化介质和一定的流动速度，就是使固体 颗粒流化起来的介质。
化工基础实验固定床和流化床实验
流化床阶段，每一个空塔速度对应一个相应的床层空隙 率，流体的流速增加，空隙率也增大，但流体的实际流 速总是保持颗粒的沉降速度μt不变，且原则上流化床有 一个明显的上界面。
C、颗粒输送阶段 当立体在床层中的实际流速超过颗粒的沉降速度μt时，
流化床的上界面消失，颗粒将虚浮在流体中并被带出器 外，如图（e）所示。
流化床压力与气速的关系
log
固定床
流化床
带出开始
C
B
A
D
A 起始流化速度
带出速度
logu
图 3-28 流化床压力降与气速关系
三、实验装置图
图2 气固系统流程图 1.鼓风机 2.孔板流量计 3.孔板压差计 4. 压差计 5.床身 6.接收管 7.旋风分离器 8.按钮开关
图2 液固系统流程图 1. 旋液分离器 2. 接收器 3.床身 4. 压差计 5. 孔板压差计 6.水槽 7.水泵 8. 孔板流量计 9. 按钮开关
此时，实现了固体颗粒的气力或液力输送，相应的床 层称为相输送床层。
2、两种不同流化形式 A、散式流化 散式流化状态的特点：固体颗粒均匀的分散在流化介
质中，故称均匀流化。当流速增大时，床层逐渐膨胀 而没有气泡产生，颗粒彼此分开，颗粒间的平均距离 或床层中各处的空隙率均匀增大，床层高度上升，并 有一稳定的上界面。通常两相密度差小的系统趋向散 式流化，故大多数液—固流化属于“散式流化”。
二、实验原理
1.流态化现象 当一种流体自上而下流过床层时，随着
流速的增大会出现三种不同的情况：
A、 固定床阶段 当流体通过床层的空塔速度较低时，若床
层空隙中流体的实际流速u小于颗粒的沉降速 度ut，则颗粒静止不动，颗粒层为固定床。
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①对强放热反应固定床温度难控，浆态床易控，这造成固定床催化效率要比浆态床低，因反应温度不能太高，而且固定床内催化剂有一部分没用。
固定床存在床层阻力，压降比浆态床大，在反应器内部，浆态床几乎没压降，但在催化剂过滤器两端的压降会比较大
②固定床工业放大比浆态床容易；浆态床内构件比固定床复杂；浆态床虽可实现催化剂在线更换，但细小催化剂分离比较困难；浆态床对催化剂强度的要求比固定床高；固定床停车更换催化剂要比浆态床麻烦的多。
③如果是气液固三相反应，浆态床的气体传质比固定床差，对气体分布的要求较高，如果加热盘管和气体分布设计不好，会在反应器内部出现死区或过热区。
现在大体积大直径的浆态床国内还没有加工技术，国际上也只有少数几家能加工，比如日本，固定床国内都能做。
浆态床催化剂过滤器国内的技术也不过关。
浆态床反应器合成甲醇的优点：
1）床层的等温性
由于有导热系数大，比热容大的惰性液相热载体和存在高度湍动的气液固三相，导致反应热迅速分散并传向冷却介质，使得床层接近等温操作。
因而，其温度分布和传热速率均优于固定床，不会出现床层温度不合理分布、局部过热及对催化剂和设备造成危害等情况。
2）反应的高效性
由于浆态床中一般采用200目甚至更细颗粒催化剂，催化剂表面积大，内表面利用率高，催化剂有效系数接近1，催化剂的利用效率远高于气固相反应。
较佳的温度又兼顾了化学平衡与反应速率的推动力，从而加快了反应速度，且可获得较大的原料气转化率和转化量。
3）原料的适应性
由于有优良的传热性能，使得浆态床合成甲醇的原料气适应性强，反应物主要成分CO可大范围内变化，而这对于固定床来说是不可能的。
4）操作的可塑性
由于气液固三相有优良的传热性能，加之床层压降低，操作气速或质量空速可在较大范围内变化，反应器操作弹性大。
5）节能的现实性；由于原料气转化率高、循环气量减少、热效率高，因而合成工序可节能25%～30%左右。
6）联产的可行性
原则上可用各种合成气制甲醇，特别是可使煤的燃烧、发电、供汽和化工产品联产，大大提高煤的有效利用率，改善经济效益，并可较容易地做到对现有生产装置的技术改造与产品更换。