流化床反应器78315
流化床反应器
1
固定床
流化床
斜率=1
夹带开始 ΔP=W/At
2
umf
10
50
100
空床流速 u0 ㎝/s
固 定 床
起 始 流 化
（ 散 式 ）
膨 胀 床
（ 聚 式 ）
鼓 泡 床
节 涌
气 流 输
送
L Lf
L Lf
L0
L Lmf
流体 流体 流体 流体 流体 流体
2021/10/10
14
二、流化床反应器中颗粒的分类
此时：Umf ＝ Umb （2）对A类颗粒（较小和较轻颗粒），当气体空床线速度
（即表观气速）超过临界流化速度Umf时，还会经历一个 散式流态化阶段，然后进入鼓泡流化床。此时流化床的 Umb可按Geldart提出的计算式计算，即下式：
umb 4.125104g0.9g0.1
umf
(s g)gdp
式中：d p 为颗粒的调和平均直径；
2021/10/10
5
流化床反应器的缺点
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，流化床又存在粉明显的局限性： 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，物料的 流动更接近于理想混合流，返混较严重。导致不适当的产 品分布，降低了目的产物的收率；为了限制返混，常采用 多层流化床或在床内设置内部构件。反应器体积比固定床 反应器大，并且结构复杂。对设备精度要求较高； 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。
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
流化床反应器
概述
流化床反应器 （fluidized bed reactor） 是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 流化床反应器通常为一直立的圆筒型容器，容器下部 一般设有分布板，细颗粒状的固体物料装填在容器内，流 体向上通过颗粒层，当流速足够大时，颗粒浮起，呈现流 化状态。由于气固流化床内通常出现气泡相和乳化相，状 似液体沸腾，因而流化床反应器亦称为沸腾床反应器。
△P-u关系图的应用：
• 观察流化床的压力降变化可以判断流化质量。 • 如：正常操作时，压力降的波动幅度一般较小， 波动幅度随流速的增加而有所增加。在一定的流 速下，如果发现压降突然增加，而后又突然下降， 表明床层产生了节涌（腾涌）现象。形成气栓时 压降直线上升，气栓达到表面时料面崩裂，压降 突然下降，如此循环下去。这种大幅度的压降波 动破坏了床层的均匀性，使气固接触显著恶化， 严重影响系统的产量和质量。有时压降比正常操 作时低，说明气体形成短路，床层产生了沟流现 象。
5
1/ 2 ep
当： 500 Rep 2 10 时 CD 0.43
这样，可得到ut计算式：
当Rep 0.4时 ut
2 gd p ( s f )
18
0.5 ep
2d p ( s f ) gR 当0.4 Rep 500时 ut 15 f
对球形粒子作力平衡：
6
d s g
3 p
6
d f g CDS
3 p
4
2 dp (
f ut2
2
)
CDS 为单颗粒的曳力系数 式中：
流化床反应器
CD 10 1 ,
Re
2 p
CD 0.43,
Re p 0.4 0.4 Re p 500 500 Re p 200000
带出速度
–对球形粒子
ut
d
2 p
(
p
18
)g
,
Re p 0.4
ut
[4 225
( p
)2
g2
1
]3
dp,
0.4 Re p 500
d pumf
[33.72
0.0408
d
3 p
(
p
2
)g 1 ]2
• 对小粒子
umf
d
2 p
(
p
)
g,
1650
Re p 20
• 对大粒子
um2 f
dp(p ) g, 24.5
Re p 1000
• 上述各式中，计算结果需用
Re
p
d pumf
第七章 流化床反应器
流化床中的两相运动 流化床中的传热和传质 流化床反应器的模拟和放大
7.1 流化床中的两相运动
概述 颗粒的流化特性 特征流速 气泡及其行为 分布板与内部构件 乳相动态 颗粒的带出和扬析
一、概述
床层颗粒运动形态
–流体自下而上流过床层，改变流体流速， 床层颗粒的运动形态的变化会有如下几种情 形
• 固定床 • 起始流化 • 散式流化（膨胀床） • 聚式流化（鼓泡床） • 节涌床 • 湍流床 • 气流输送
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。
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广泛应用于化学工业中的反应器，它是一种高效
的反应器，能够实现高效的传质和反应。
流化床反应器的主要特点是
反应物在反应器中呈现出流化状态，即反应物在反应器中呈现出类似
于流体的状态，这种状态下反应物能够充分混合，反应速率也会得到
提高。
流化床反应器的主要构成部分包括反应器本体、气体分配器、床层材料、反应物进料口、产物出料口等。
反应器本体是流化床反应器的主
要部分，它通常由一个圆柱形的容器构成，容器内部填充有一定的床
层材料。
气体分配器是用来分配气体的装置，它通常位于反应器底部，能够将气体均匀地分配到床层中。
床层材料是反应器中填充的材料，
它通常是一些具有良好流动性的颗粒状物质，如砂子、石英砂等。
反
应物进料口和产物出料口则是用来进出反应物和产物的装置。
流化床反应器的工作原理是，反应物进入反应器后，通过气体分配器
将气体均匀地分配到床层中，使床层中的颗粒物质呈现出流化状态。
在这种状态下，反应物能够充分混合，反应速率也会得到提高。
反应
物在床层中反应后，产生的产物会随着气体一起流动，最终通过产物
出料口排出反应器。
流化床反应器具有许多优点，如反应速率快、传质效率高、反应物质
料利用率高等。
同时，流化床反应器也存在一些缺点，如床层材料易
于磨损、反应器内部易于积垢等。
因此，在使用流化床反应器时，需
要注意反应器的维护和清洗。
总之，流化床反应器是一种高效的反应器，能够实现高效的传质和反应。
它在化学工业中有着广泛的应用，是一种非常重要的反应器类型。
流化床反应器
结构
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。
分类
与固定床相比优点
固体流态化的形成
• 将固体颗粒堆存容器内的多孔板上，形成 一个床层，若液体系自上而下通过，颗粒 并不运动，此种床层称为固态床。 若令液 体自上而下通过床层，流速低时，颗粒不 动，情况与流体自上而下通过时并无区别； 流速加大到一定程度后颗粒便活动，而床 层膨胀；流速进一步加大则颗粒彼此离开 而在流体中浮动，流速愈大，浮动愈剧烈 床层愈高，通常称为固体液态化
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单个直孔泡帽
挡板
作用：改善流化操作质量 （1）使气泡破碎，增强气固相间接触； （2）减少气体返混 （3）提高流化床反应器的转化率（或生产 能力）
内旋挡板
外旋挡板
多旋挡板
第三节 高速流态化技术
提高速度后的流态化现象
气固并流上行快速流化床
高速流态化与传统流态化的比较
比较 气速［m/s］ 颗粒直径［mm］
（一）流化床传热过程分析
（1）床层内固体颗粒之间的传热 （2）颗粒与流体间的传热 （3）床层与器壁或换热器表面的传热
（二）床层与器壁间的传热
床层对器壁给热系数分析
①操作速度的影响 ②颗粒直径的影响 ③挡板挡网的影响 ④换热器位置对给热系数的影响 ⑤气、固物性对给热系数的影响
A Q Kt m
（四）流化床换热器传热面积的计算
A Q 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
确定方法 注意 原则上：临界流化速度<操作速度<带出速度 实际上：往往偏离这个范围。有些工业反应
器操作速度大于带出速度时，颗粒夹带并 不严重。
操作速度的确定
选择原则
实际生产中流化床操作数据
流化数
u k 操
u 临
流化床的压力降
颗粒悬浮静止时受力 向下：重力 向上：浮力、流体阻力
平衡时 重力=浮力+流体阻力
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
特征： 因为
所以
U操<U临 固定床阶段 U操>U临 流化床阶段 U临 时， P固 = P流
确定方法 ：半经验公式
带出速度U带
操作速度大于带出速度时，催化剂颗粒将 被带出流化床反应器
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
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。
流化床基本结构
结构分为： 浓相段、稀相段、扩大
段、锥底。
内部构件： 气体分布板、换热装置、
气固分离装置、挡板档 网、气体预分布器等。
流化床反应器的特点
1.床层温度均匀，避免局部过热。 2.颗粒处于运动状态，表面更新，强化传质。 3.颗粒小，催化剂有效系数高。 4.流化状态，便于操作。 5.传热系数大，换热面积小。 6.生产强度大。 7.返混严重，一次转化率低。 8.颗粒磨损，要求催化剂强度大。 9.对设备磨损严重。
确定
一、流态化
（一）流态化的形成 （二）散式流态化和聚式流态化 （三）流化床中常见的异常现象 （四）流化速度 （五）膨胀比和空隙率 （六）流化床的压力降
流态化
固体颗粒象流体一样进行流动的现象。 散式流态化：
液～固系统，两者密度相差不大，流速 增大时波动小，粒子分布均匀。 聚式流态化：
气～固系统，两者密度相差较大，流速 增大时，出现很大不稳定。 流态化中的异常现象：沟流、大气泡和腾涌
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
1．流化床层高度(浓相段高度)H0 2．分离段高度H1 3．扩大段高度H2 4．锥底部分高度H3 过滤管出口或旋风分离器入口至床
顶高度H4 流化床总高度
H=H0+H1+H2+H3+H4
四、内部构件的选择及参数的确定
（一）气体分布板的计算和预分布器的选择 （二） 挡板和挡网结构参数的确定 （三）气固分离装置结构参数的确定
第三章 流化床反应器
知识目标 能力目标
教学内容
流化床反应器的特点及结构 流化床反应器的生产原理
(1)流态化的形成 (2)流化床反应器的传热过程 (3)流化床反应器的计算
高速流态化技术 流化床反应器的操作指导
第一节 流化床反应器的特点及结构
定义：原料气以一定的流动速度 使催化剂呈悬浮湍动，并在催 化剂作用下进行化学反应的设 备。
列管式换热器：套管式
立式管束式
横排管束式换热器
鼠笼式换热器
蛇管式换热器
三、流化床反应器的计算
（一）流化床直径的计算 （二）流化床高度的确定
流化床直径的计算
D 4q v
u 0
式中 D——反应器直径，m；
qv——操作条件下的气体体积流量，m3/s；
u0——操作空床气速，m/s。
流化床高度的确定
公式推导：式（3-6） 说明：床层压力降与流速无关
超过带出速度时，空隙率增大、压力降减 小。
膨胀比和空隙率
膨胀比
VL
R f f
VL
0
mf
空隙率
Vo Vs 1 Vs
f Vo
Vo
关系
1
R
mf
1
f
二析 （二）床层与器壁间的传热 （三）流化床内换热器的结构型式 （四）流化床换热器传热面积的计算
流化床反应器的内部结构
气体预分布器 气体分布板 挡板和挡网 旋风分离器
弯管式预分布器
同心圆壳式分布器
帽式分布器
充填式分布器
开口式分布器
气体分布板的作用
支撑：床层上的催化剂或载体 分流：使气体分布均匀，造成良好的起
始 流化条件
导向：抑制气固恶性聚式流态化
凹型筛孔板
直孔筛板
直孔泡帽分布板