流化床反应器
化学反应工程第八章流化床反应器
2. 聚式流态化与散式流态化 使用不同的流体介质，固体流态化可分为：
散式流态化（particulate fluidization） 聚式流态化（aggregative fluidization）
2. 聚式流态化与散式流态化
理想流态化是固体颗粒之间的距离随着流体流速增加而 均匀地增加，颗粒均匀地悬浮在流体中，所有的流体都 流经同样厚度的颗粒床层，保证了全床中的传质、传热 和固体的停留时间都均匀，对化学反应和物理操作都十 分有利。理想流态化的流化质量（fluidization quality） 是最高的。 在实际的流化床中，会出现颗粒及流体在床层中的非均 匀分布，越不均匀，流化质量越差。 液体作流化介质时，液体与颗粒间的密度差较小，在很 大的液速操作范围内，颗粒都会较均匀地分布在床层中， 比较接近理想流态化，称为散式流态化。
(2) 聚式流态化
由于气泡在床层径向截面上不均匀分布，诱发了床内密 相的局部以致整体的循环流动，气体的返混加剧。这种 流型称为 鼓泡流态化 （bubbling fluidization），气-固接 触效率和流化质量比散式流态化低得多。 气泡上升到床层表面时的破裂将部分颗粒弹出床面。在 密相床上面形成一个含有少量颗粒的自由空域 （freeboard）。 一部分在自由空域内的颗粒在重力作用下返回密相床， 而另一部分较细小的颗粒就被气流带走，只有通过旋风 分离器的作用才能被捕集下来，经过料腿而返回密相床 内。
快 床 颗 粒 的 径 向 分 布
颗粒含率 高 度 实际分布 模型分布
气流输送 快床 湍流床 鼓泡流化床 0.2 0.4 0.6 密度
图：各种状态 流化床沿床高密度变化
2. 高气速气-固流态化中的流型
流化床反应器
流化床反应器fluidized bed reactor(FBR) :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。
流态化过程：当流体向上流过颗粒床层时，其运动状态是变化的。
流速较低时，颗粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙中通过。
当流速增加到某一速度之后，颗粒不再由分布板所支持，而全部由流体的摩擦力所承托。
此时，对于单个颗粒来讲，它不再依靠与其他邻近颗粒的接触而维持它的空间位置，相反地，在失去了以前的机械支承后，每个颗粒可在床层中自由运动；就整个床层而言，具有了许多类似流体的性质。
这种状态就被称为流态化。
颗粒床层从静止状态转变为流态化时的最低速度，称为临界流化速度。
流化床的性质：（1）在任一高度的静压近似于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重量；（2）无论床层如何倾斜，床表面总是保持水平，床层的形状也保持容器的形状；（3）床内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔口中排出；（4）密度高于床层表观密度的物体在床内会下沉，密度小的物体会浮在床面上；（5）床内颗粒混合良好，因此，当加热床层时，整个床层的温度基本均匀。
一般的液固流态化，颗粒均匀地分散于床层中，称之为“散式”流态化；一般的气固流态化，气体并不均匀地流过颗粒床层，一部分气体形成气泡经床层短路逸出，颗粒则被分成群体作湍流运动，床层中的空隙率随位置和时间的不同而变化，因此这种流态化称为“聚式”流态化。
与固定床反应器相比，流化床反应器的优点是：①可以实现固体物料的连续输入和输出；②流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反应。
但另一方面，由于返混严重，可对反应器的效率和反应的选择性带来一定影响。
再加上气固流化床中气泡的存在使得气固接触变差，导致气体反应得不完全。
因此，通常不宜用于要求单程转化率很高的反应。
流化床反应器
沟流
操作速度大于临界 流化速度时，床层 内只形成一条或几 条狭窄的通道，大 部分床层仍处于固 定床阶段。
大气泡和腾涌
聚式流化床中生成的 气泡在上升中不断碰 撞合并而增大，至接 近容器直径，床内物 料呈活塞状向上运动， 床层被分成一段或几 段。
流态化的形成
1.流速较小，流体从颗粒 缝隙通过，床层静止。 u↑→P↑,固定床阶段。
观察并思考
1.固体颗粒在床层内怎样运动？ 2.流速由小到大产生什么现象？ 3.流态化现象可划分几个阶段？ 4.研究：流速－压力降的关系。 5.流体分别为气体和液体时，流化现象有何
不同？
第二节 流化床内的生产原理
流态化 流化床反应器的传热过程 流化床反应器的计算 内部构件的选择及参数的
空隙率 气体返混
传统流化床 0.1~1.5 0.05~3 0.6~0.8 部分返混
高速流化床 1.5~16 0.05~0.5
0.85~0.98 返混大大减少
高速流态化的优缺点
1.气固为无气泡接触，改善了气固接触效果。 2.气固轴向返混减少。 3.操作速度提高，停留时间可缩短至毫秒级，特殊适合于以
（四）流化床换热器传热面积的计算
Q A
Kt m
式中 A——传热面积，m2； Q——传热速率，W； K——总传热系数，W/m2·K；
Δtm——平均传热温度差，K
（三）流化床内换热器的结构型式
列管式换热器：单管式和套管式 管束式换热器：直列和横列 鼠笼式换热器 蛇管式换热器
列管式换热器：单管式
2.流速增加，颗粒吹起， △P u↑→ε↑→P不变。
3.流速继续增加，颗粒被 带出床层，空隙率增加， u↑→P↓,输送床阶段。
U
临界流化速度U临
流化床反应器概述
流化床简介按照床层的外形分类可分为圆筒形和圆锥形流化床。
圆筒形流化床反应器结构简单，制造容易，设备容积利用率高。
圆锥形流化床反应器的结构比较复杂，制造比较困难，设备的利用率较低，但因其截面自下而上逐渐扩大，故也具有很多优点： 1、适用于催化剂粒度分布较宽的体系由于床层底部速度大，较大颗粒也能流化，防止了分布板上的阻塞现象，上部速度低，减少了气流对细粒的带出，提高了小颗粒催化剂的利用率，也减轻了气固分离设备的负荷。
这对于在低速下操作的工艺过程可获得较好的流化质量。
2、由于底部速度大，增强了分布板的作用床层底部的速度大，孔隙率也增加，使反应不致过分集中在底部，并且加强了底部的传热过程，故可减少底部过热和烧结现象。
3、适用于气体体积增大的反应过程气泡在床层的上升过程中，随着静压的减少，体积相应增大。
采用锥形床，选择一定的锥角，可适应这种气体体积增大的要求，使流化更趋平稳。
按照床层中是否设置有内部构件分类可分为自由床和限制床。
床层中设置内部构件的称为限制床，未设置内部构件的称为自由床。
设置内部构件的目的在于增进气固接触，减少气体返混，改善气体停留时间分布，提高床层的稳定性，从而使高床层和高流速操作成为可能。
许多流化床反应器都采用挡网、挡板等作为内部构件。
对于反应速度快、延长接触时间不至于产生严重副反应或对于产品要求不严的催化反应过程，则可采用自由床，如石油炼制工业的催化裂化反应器便是典型的一例。
按照反应器内层数的多少分类可分为单层和多层流化床。
对气固相催化反应主要采用单层流化床。
多层式流化床中，气流由下往上通过各段床层，流态化的固体颗粒则沿溢流管从上往下依次流过各层分布板，如用于石灰石焙烧的多层式流化床的结构。
按是否催化反应分类分为气固相流化床催化反应器和气固相流化床非催化反应器两种。
以一定的流动速度使固体催化剂颗粒呈悬浮湍动，并在催化剂作用下进行化学反应的设备是气固相流化床催化反应器，它是气固相催化反应常用的一种反应器。
流化床反应器ppt课件
均密度。
颗粒带出速度 u ：
t 流化床中流体速度的上限，流体对粒子的曳
力与粒子的重力相等，粒子将被气流带走。
对于球形颗粒等速沉降时，可得出下式：
4 d p ( p f ) g
ut
f D
3
1
2
式中
D
过程原理
过程原理
过程原理
典型装置
壳体
气体分布装置
换热器
内部构件
催化剂的加入与卸
出装置
气固分离装置
流化床反应器的相关参数
流化过程床层压降变化
临界流化速度 u mf（起始流化速度，也称最低流化速度）：颗
粒层由固定床转化为流化床时流体的表现速度。
小颗粒
大颗粒
经验公式
umf
d ( p f ) g ( R 20 )
▪ 有气-固相流化床催化反应器和气-固相流化床
非催化反应器两种
▪ 以一定的流动速度使固体催化剂颗粒呈悬浮湍
动，并在催化剂作用下进行化学反应的设备称
为气-固相流化床催化反应器（常简称为流化
床），它是气-固相催化反应常用的一种反应器
▪ 而在气-固相流化床非催化反应器中，是原料气
直接与悬浮湍动的固体原料发生化学反应。
e
1650 f
u
2
mf
2
p
d p ( p f ) g
( Re 1000 )
24.5 f
umf 0.00923
d
1.82
p
( p f )
0.88
f
0.06
化学反应工程-24-第八章-流化床反应器
2 ρumf ∆P = Lmf λ ' d S
1 − ε mf ε 3 mf
1.75 d P u mf ρ 150(1 − ε mf + 3 2 3 ϕ S ε mf µ ϕ S ε mf
2
) d
u
2 mf
ϕS dP ρP − ρ 3 = ⋅ ⋅ gε mf ⋯⋯ (3) ρ 1.75
ε mf ：可从相关图形读出（见陈甘棠主编《化学反应工程》，第一版
P257页图7-2-2）； 若该值不知道，则可近似地取： 1 − ε mf 1 ， 2 3 ≅ 11 ≅ 14 3
ϕ S ε mf
ϕ S ε mf
u
2 mf
d P (ρ P − ρ ) = g ⋯⋯ (3') 24.5 ρ
Re P > 1000 时：
2、带出速度ut 、带出速度 ⑴两种曳力——表面和形体曳力 两种曳力 表面和形体曳力 当流体以速度u绕过一静止颗粒，流体作用于颗粒表面上任 何一点的力可分解为与表面相切及垂直的两个分力，即剪应 力τW和压强P。
在颗粒表面上任取一微元面积dA，作用于其上的剪力为τWdA、压力 为pdA，设所取微元面积与流动方向成夹角α，则剪力在流动方向上 的分力为τWdAsinα。 则表面曳力： 表面曳力：
∫τ
A
W
sin αdA
同样压力pdA在流动方向上的分力为pdAcosα，将此力 在整个颗粒表面积分可得：
∫ P cosαdA = ∫ Γ cosαdA − ∫
⑵沟流 若床层直径大，由于颗粒堆积不匀或气体初始分布不良，可 能在床层内局部地方形成沟流，此时大量气体经过沟流区域上 升，其余部分则未被流化仍处于固定床状态。
流化床反应器概念
流化床反应器概念
流化床反应器是一种用于化学反应或物理过程的设备，其特点是将固体催化剂或固体颗粒悬浮在气流中，形成类似于液体的流动状态，从而提高反应速率和转化率。
流化床反应器广泛应用于石油化工、环保、食品、制药等领域。
流化床反应器的工作原理是通过高速气体流动引起床层内颗粒
的悬浮，形成类似于流体的状态。
在这种状态下，固体颗粒与气体之间的传热和传质效果显著提高，反应速率和转化率也随之增加。
同时，床层内的颗粒也容易被混合和均匀分布，从而减少了温度和浓度的变化对反应的影响。
流化床反应器的优点包括反应速率快、转化率高、操作灵活、能耗低等。
此外，由于液体反应物或产物没有固定的界面，流化床反应器也适用于乳化催化剂、生物催化剂等特殊反应体系。
然而，流化床反应器也存在一些缺点，如固体颗粒的损失、床层内的气固流动不稳定等问题。
因此，在设计和运行流化床反应器时需注意这些问题。
总之，流化床反应器是一种重要的化工设备，可以提高反应效率和降低能耗。
随着技术的不断发展，流化床反应器在工业生产中的应用前景将会更加广阔。
- 1 -。
流化床反应器
流化床反应器1. 简介流化床反应器是一种广泛应用于化工领域的反应设备，其特点是颗粒固体在气体流动的作用下呈现流化状态。
流化床反应器具有高传热、高传质、均匀的温度和浓度分布等优点，因此在催化反应、气固反应、气液反应等方面具有重要应用价值。
2. 工作原理流化床反应器由反应器本体、气体分布器、颗粒固体循环器等组成。
在反应器中，气体经过气体分布器均匀地从底部进入反应器，使颗粒固体床呈现流化状态。
底部进入的气体将颗粒固体床推动向上运动，使其呈现明显的液化状态。
在流化床反应器中，颗粒固体的运动状态可以分为床层状态、混合带和床板状态三个区域。
•床层状态：床层状态是指颗粒固体床的顶层，颗粒固体处于相对松散的状态，在底部进气的作用下，床层呈现液化状态，颗粒固体浮在气体流中。
•混合带：混合带是床层状态和床板状态之间的过渡带，颗粒固体在这个区域内的运动状态介于床层状态和床板状态之间。
•床板状态：床板状态是指颗粒固体床的底部，床板上的颗粒固体比较密集，呈现固体状态，床板的作用是支撑颗粒固体床的运动并反应底部进入的气体。
3. 应用领域3.1 催化反应流化床反应器在催化反应方面有着广泛的应用。
其优点是具有较大的接触面积和较高的传质速率，可以提高催化反应的反应速率和转化率。
此外，流化床反应器还具有温度均匀和活性物质的均匀分布等特点，从而有助于提高催化反应的选择性和稳定性。
常见的催化反应包括催化裂化、催化重整、催化加氢等。
3.2 气固反应流化床反应器在气固反应方面也有着重要的应用。
气固反应是指气体与固体之间发生的化学反应。
流化床反应器由于其颗粒固体床的特点，使气体与固体之间的接触充分，从而实现高效的气固反应。
常见的气固反应包括氧化反应、还原反应、氯化反应等。
3.3 气液反应流化床反应器在气液反应方面也有广泛的应用。
气液反应是指气体与液体之间发生的化学反应。
流化床反应器可以通过调节气体和液体的进料速度和浓度，实现气液相的均匀分布和快速混合。
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流化床反应器
流化床反应器
流化床反应器是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。
流化床反应器在现代工业中的早期应用为20世纪20年代出现的粉煤气化的温克
勒炉（见煤气化炉）；但现代流化反应技术的开拓，是以40年代石油催化裂化为代表的。
目前，流化床反应器已在化工、石油、冶金、核工业等部门得到广泛应用。
1产品分类
按流化床反应器的应用可分为两类：一类的加工对象主要是固体,如矿石的焙烧,称为
固相加工过程；另一类的加工对象主要是流体，如石油催化裂化、酶反应过程等催化反应
过程，称为流体相加工过程。
2结构形式
流化床反应器的结构有两种形式：①有固体物料连续进料和出料装置，用于固相加工
过程或催化剂迅速失活的流体相加工过程。
例如催化裂化过程，催化剂在几分钟内即显著
失活，须用上述装置不断予以分离后进行再生。
②无固体物料连续进料和出料装置，用于
固体颗粒性状在相当长时间（如半年或一年）内，不发生明显变化的反应过程。
3产品优缺点
与固定床反应器相比，流化床反应器的优点是：①可以实现固体物料的连续输入和输出；②流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反应；③便于进行催化剂的连续再生和循环操作，适于催化剂失活速率
高的过程的进行，石油馏分催化流化床裂化的迅速发展就是这一方面的典型例子。
然而，
由于流态化技术的固有特性以及流化过程影响因素的多样性，对于反应器来说，流化床又
存在很明显的局限性：①由于固体颗粒和气泡在连续流动过程中的剧烈循环和搅动，无论
气相或固相都存在着相当广的停留时间分布，导致不适当的产品分布，阵低了目的产物的
收率；②反应物以气泡形式通过床层，减少了气-固相之间的接触机会，降低了反应转化率；③由于固体催化剂在流动过程中的剧烈撞击和摩擦，使催化剂加速粉化，加上床层顶
部气泡的爆裂和高速运动、大量细粒催化剂的带出，造成明显的催化剂流失；④床层内的
复杂流体力学、传递现象，使过程处于非定常条件下，难以揭示其统一的规律，也难以脱
离经验放大、经验操作。
近年来，细颗粒和高气速的湍流流化床及高速流化床均已有工
业应用。
在气速高于颗粒夹带速度的条件下，通过固体的循环以维持床层，由于强化了气
固两相间的接触，特别有利于相际传质阻力居重要地位的情况。
但另一方面由于大量的固
体颗粒被气体夹带而出，需要进行分离并再循环返回床层，因此，对气固分离的要求也就
很高了。
（见流态化、流态化设备）
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曝气生物流化床反应器COD降解动力学分析-铁路节能环保与安全卫生-2019年第4期 (1)移动床反应器
moving bed reactor
一种用以实现气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。
在反应器顶部连续加入颗
粒状或块状固体反应物或催化剂，随着反应的进行，固体物料逐渐下移，最后自底部连续
卸出。
流体则自下而上（或自上而下）通过固体床层，以进行反应。
由于固体颗粒之间基
本上没有相对运动，但却有固体颗粒层的下移运动，因此，也可将其看成是一种移动的固
定床反应器。
钢铁工业和城市煤气工业发展之初，移动床反应器就曾被用于煤的气化。
1934年研制成功的移动床加压气化器（鲁奇炉），至今仍是规模最大的煤气化装置，其单台日生产能
力已达到1Mm以上。
石油催化裂化发展初期，曾采用移动床反应器，但现已被流化床反应
器和提升管反应器所取代。
目前，应用移动床反应器的重要化工生产过程有连续重整、二
甲苯异构化等催化反应过程和连续法离子交换水处理过程。
与固定床反应器及流化床反应
器相比，移动床反应器的主要优点是固体和流体的停留时间可以在较大范围内改变，返混
较小（与固定床反应器相近），对固体物料性状以中等速度（以小时计）变化的反应过程
也能适用。
与此相比，固定床反应器和流化床反应器分别仅适用于固体物料性状变化很慢（以月计）和很快（以分、秒计）的反应过程。
移动床反应器的缺点是控制固体颗粒的均
匀下移比较困难。
工业生产中有时采用模拟移动床以避免上述缺点（见固定床传质设备）。