炼油工艺学-第十章第五节流态化基本原理(26P)
流态化基础知识和流型分类
流态化技术自20世纪初被发现以来， 经历了从实验室研究到工业应用的漫 长过程，现已广泛应用于化工、能源 、环保等领域。
颗粒床层特性与流动状态
颗粒床层特性
颗粒床层是由固体颗粒堆积而成，具 有多孔性、可压缩性和渗透性等特性 。
流动状态
颗粒床层在气体或液体作用下可表现 为固定床、流化床和输送床等不同的 流动状态。
影响因素
流体速度、固体颗粒性质（如粒径、密度、形状等）、床层高度、温度、压力等都会对床层流型产生影响。
03
颗粒性质对流型影响研究
颗粒形状、大小及分布规律探讨
颗粒形状对流型的影响
球形颗粒在流化床中易于形成均匀流化，而非球形颗粒（ 如片状、纤维状）可能导致流化不均匀或产生沟流现象。
颗粒大小对流型的影响
摩擦力对流型的影响
摩擦力使颗粒间相互摩擦产生热量和磨损， 影响床层的稳定性和流动行为。高摩擦力可 能导致床层内局部温度升高和颗粒磨损加剧 ，进而影响整体流型。
04
气体参数对流型影响研究
气体速度、压力变化规律探讨
气体速度对流型的影响
随着气体速度的增加，流型从固定床逐渐过渡到流化床，床层膨胀度增加，颗粒间的相 互作用力减弱，流型变得更加均匀。
物料循环和排放控制
根据生产需求控制物料的循环量和排放量；在操作过程中 密切关注物料循环和排放情况，及时调整相关参数以保持 稳定的物料平衡。
提高设备性能，降低能耗措施
设备结构优化
操作参数优化
通过改进设备结构，如采用高效分布板、 优化旋风分离器结构等，提高设备的流化 效率和分离效率，降低能耗。
通过调整操作参数，如气体速度、温度和 压力等，使设备在最佳状态下运行，提高 设备性能并降低能耗。
炼油工艺讲座
在原油装置里，各类机泵、管线和阀门 的用量很大。例如常减压蒸馏装置中， 泵的投资约占总投资的5%；催化裂化装 置中仅主风机和气体压缩机约占总投资 的6%；加氢裂化装置压缩机的动力消耗 相当于整个装置的 60% 。一个炼油工艺 装置所需的阀门数以千计，管线总长可 达万米以上。所以常把流体输送设备比 做炼油厂的“动脉”。
加工原油方案的类型四
燃料润滑油化工型 这种加工方案除了生产各种燃料和润滑 油外，同时还生产一些石油化工产品或 者为石油化工提供原料。它是燃料润滑 油加工方案向化工方向发展的结果。
3、炼油主要设备
炼油工艺所使用的装置叫做炼油（工艺） 装置。炼油装置是由一定的设备，按照 一定的工艺要求组织而成的。不同的工 艺过程所使用的设备也有区别。根据作 用的不同，可将炼油设备大致分为六种 类型，即：流体输送设备、加热设备、 换热设备、传质设备、反映设备和容器 等。
加工原油方案的类型二
燃料化工型 这种加工方案以及生产燃料和化工产品或者原 料为主，具有燃料型炼厂的各种工艺以及装置， 同时还包括一些化工装置。原油先经过一次加 工分出其中的轻质馏分，其余的重质馏分再进 一步通过二次加工转化为轻质油。轻质馏分一 部分用作燃料，一部分通过催化重整、裂解工 艺制取芳香烃和烯烃，作为有机合成的原料。 利用芳香烃和烯烃为基础原料，通过化工装置 还可以生产醇、酮、酸等基本有机原料和化工 产品（附典型流程图）。
原油的二次加工
原油的二次加工根据生产目的的不同有 许多种过程，如以重质馏分油和渣油为 原料的催化裂化和加氢裂化、以直馏汽 油为主要原料生产高辛烷值汽油或轻质 芳烃苯、甲苯、二甲苯等的催化重整、 以渣油为原料生产石油焦或燃料油的焦 化或减粘裂化等。
1、原油的分类
工业分类法 化学分类法
石油炼制工艺学
1、延迟焦化:延迟焦化是一种热裂化工艺。
其主要目的是将高残碳的残油转化为轻质油。
所用装置可进行循环操作，即将重油的焦化馏出油中较重的馏分作为循环油，且在装置中停留时间较长。
2、流态化：细小的固体颗粒被运动者的流体(气体或液体)所携带使之形成像流体一样能自由流动的状态，称为固体流态化，简称流态化3、催化重整：以汽油馏分为原料，在催化剂的作用和氢气存在下，生产高辛烷值汽油及轻芳烃(苯、甲苯、二甲苯，简称BTX)的重要石油加工过程，同时副产高纯度氢气4、加氢裂化：在较高的压力（10-15MP）和温度（400°C 左右），氢气经过催化剂的作用使重质油发生加氢、裂化和异构化反应转化为轻质油的加工过程。
5、氢转移反应：某烃分子上的氢脱下来后立即加到另一烯烃分子上使之饱和的反应称为氢转移反应。
6、加氢精制：是指在脱除油品中的硫、氮、氧等杂原子及金属杂质的同时还使烯烃、二烯烃、芳烃和稠环芳烃选择加氢饱和，从而改善油品性能的加工过程。
7、烷基化：烷基化是烷基由一个分子转移到另一个分子的过程。
是化合物分子中引入烷基（甲基、乙基等）的反应8、分子筛：具网状结构的天然或人工合成的化学物质。
如交联葡聚糖、沸石等，当作为层析介质时，可按分子大小对混合物进行分级分离。
9、粘温性:指温度变化时，粘度的变化幅度。
14、过气化率：当原油从汽液混合相进入塔内时，要求进料的汽化量除包括塔顶和各侧线的产品外，还应以有一部分过剩的汽化量，其量与进料量的比值为过气化率。
15、催化剂的选择性：表示催化剂增加目的产品和减少副产品的选择反应能力。
裂化催化剂的选择性以“汽油产率/转化率”来表示16、原油评价；不同性质的原油，应该采用不同加工方法，以生产适当产品，使原油得到合理利用。
对于新开采的原油，必须先在实验室进行一系列的分析、试验，习惯上称之为“原油评价”。
18、单程转化率：是指总进料（包括新鲜原料和回炼油）一次通过反应器的转换率。
4、催化裂化的主要化学反应有哪些？并说明对汽油质量有利的反应？答：主要化学反应：裂化反应、氢转移反应、芳构化反应、异构化反应、缩合反应。
流态化原理
1.4 散式流化与聚式流化
散式流化 以液体为流化介质的流化床，床层随流体 的增加平衡膨胀，床层中的固体颗粒彼此散开运 动，流化得很均匀。压力降与速度的关系接近理 想曲线，这种流化床叫做散式流化床或均匀流化 床。 聚式流化 以气体为流化介质的流化床，床层中的固 体颗粒不是单独存在的，而是许多颗粒以集团形 式团聚在一起。气体是以气泡形式通过床层，流 速较高时，固体颗粒运动猛烈，床层搅动得很厉 害，床的膨胀比小于散式流化，气体把颗粒带出， 形成一个稀相，这种流化床叫不均匀流化床，即 聚式流化。再生器及反应上部就是聚式流化。
1 气泡的形成与形状
气体通过分布器后，很快形成气泡，随着气泡的上升， 小气泡合并成大气泡，气泡直径扩大。初始生成的气泡 大小与分布器孔径和气速大小有关，孔径与气速大，则 生成的气泡就大。如图，气泡的形状是上半部呈半球形， 下半部凹入，这部分称作尾波区，约占球形体积的2030%，尾波区夹带有固体颗粒，气泡中基本不含固体颗 粒。 气泡向上运动的速度大于床层 平均速度，气泡越大上升速度越快 。实际上气泡形状是经常变化的， 以上所说的形状是理想状态。
• 它们是与流化状态有关的参数学者给出一个这样 计算公式：
2 umf 0.0078 dp p f
ut gdp 2 p f
/18uf
g / uf
dp 固体颗粒直径
p、 f 固体颗粒及气体密度，g / cm 2
g-重力加速度,981cm/s2 uf-气体的粘度,pa·s 鼓泡流化床 uf一般为0.6-1m/s 即60-100cm/s
u>ut
稀相输送（输送床）
第十章流态化与气力输送
第十章 流态化与气力输送§1 固体流态化10-1 流态化现象流态化是一种使固体颗粒通过与流体接触，转化成类似流体状态的操作。
近 40 年来， 这种技术发展很快，广泛应用于粉粒状物料的输送、混合、干燥、煅烧和气－固反应等过程 中。
当流体自下而上的通过一个固体颗粒床层时， 可能出现以下几种情况： 当流速较低， 颗 粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙穿过，称为固体床，如图10-1（ a ）所示。
当流速继续增大，颗粒开始松动，颗粒位置也在一定的区间进行调整，床层略由膨胀，但颗粒还不能 自由运动。
如果流速再继续升高， 这时颗粒全部悬浮在向上流动的气体或液体中， 随着流速 增大，床层的高度也随之升高，这种情况称为流化床，如图 10-1 （ b ）所示。
当流速再升高达到某一极值时，流化床上界面消失，颗粒分散悬浮在气流中，被气流所带走，这种状态称 为气力输送，如图 10-1（ c ）所示。
图 10-1 不同流速下床层状态的变化在流化床阶段， 床层有一明显的上界面， 气－固系统的密相流化床， 看起来很象沸腾着 的液体，并且在很多方面都是呈现类似液体的性质。
例如，当容器倾斜，床层上表面保持水 平,如图 10-2（ a ）所示。
两床层连通，它们的床面能自行调整至同一水平面，如图 10-2（ b ）所示。
床层中任意两点压力差大致等于此两点的床层静压头，如图 10-2（ c ）所示。
流化床层也像液体一样具有流动性， 如容器壁面开孔， 颗粒将从孔口喷出。
并可象液体一样由一个容器流入到另一个容器中，如图 10-2（ d ）所示。
图 10-2气体流化床类似于液体的性质由于流化床具有液体的某些性质，因此在一定状态下，流化床层有一定的密度、导热系数、比热和粘度等。
在有些书刊中也称流化床为沸腾床和假液化床。
10-2 压降与流速的关系气体空塔气速u，即气体体积流量除以塔截面积。
如果气体自下而上通过颗粒床层，气速u与床层压降（p ）的关系如图10-3 所示。
2024版年度流态化工程原理PDF版PPT大纲
流态化工程原理PDF版PPT大纲•引言•流态化工程基本原理•流化床反应器原理与设计•气固两相流动与传热传质过程目录•流态化工程中的问题与解决方案•流态化工程应用与发展趋势01引言流态化工程概述流态化工程定义研究颗粒物料在流体作用下呈现类似流体状态的科学和技术。
流态化现象颗粒物料在流体中受到浮力、曳力等作用，呈现类似流体的流动、混合、传热和传质等特性。
流态化工程应用领域广泛应用于化工、冶金、能源、环保等领域，如流化床反应器、流化床燃烧器、流化床干燥器等。
流态化技术可实现连续生产，提高生产效率和设备利用率。
提高生产效率节能环保改善产品质量流态化技术可实现低温燃烧、高效传热和传质，降低能耗和减少环境污染。
流态化技术可实现均匀混合和反应，提高产品质量和稳定性。
030201流态化工程的重要性03PDF 版流态化工程原理适用人群适用于从事流态化工程研究、设计、生产和管理的相关人员，以及高校相关专业师生。
01PDF 版优势方便携带、易于传播、可随时随地查阅。
02流态化工程原理内容包括流态化现象、流化床基本原理、流化床反应器原理、流化床传热和传质原理等。
PDF 版流态化工程原理简介02流态化工程基本原理流态化现象及分类固体颗粒在流体作用下表现出类似流体的性质。
根据操作速度、颗粒性质等因素，流态化可分为散式流态化和聚式流态化。
颗粒均匀分散，床层膨胀均匀，颗粒间相对运动小。
颗粒聚集成团簇，床层膨胀不均匀，颗粒间相对运动大。
流态化现象定义流态化分类散式流态化特征聚式流态化特征流态化基本方程重要参数颗粒受力分析运动状态判断流态化基本方程与参数01020304描述流态化过程中颗粒受力与运动关系的方程。
包括颗粒密度、流体密度、操作速度、床层空隙率等。
分析颗粒在流态化过程中的受力情况，如重力、浮力、曳力等。
根据颗粒受力情况判断其运动状态，如固定床、流化床等。
不同形状和大小的颗粒对流态化过程有不同影响。
颗粒形状与大小颗粒密度和硬度会影响其在流体中的运动状态和受力情况。
炼油工艺学PPT课件 第十章 催化裂化 第二节 石油烃类的催化裂化反应
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炼油工艺学
12
2．烃类的催化裂化反应机理
以上分析了催化裂化过程中几种主要的化学 反应，但只描述了反应的最终结果，并未涉及反 应进行的历程。因此，仍无法解释裂化气体中为 什么C3、C4烃比较多？这就需要从反应机理中去 寻求答案
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炼油工艺学
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一组试验数据： C16烷烃热裂化与催化裂化产物中C数分布
CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 C H 2 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 C H 2 CH 3 CH 3 C (CH 3 ) CH 2 CH 2 CH 3
⑤ 正碳离子将H+还给催化剂，本身变成烯烃，反应终止
反应温度：500℃ 产 物 热裂化 C1 53 C2 130 12 C3 60 97 单位： mol/ 100mol 十六烷 C4 23 102 C5 9 64 C6 24 50 C7 16 8 C8 13 8 C9 10 3
催化裂化 5
两种裂化产物分布的差别反映了反应机理的截然不同
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炼油工艺学
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气-固非均相催化反应过程
外扩散 内扩散 吸附 反应 脱附 内扩散 外扩散
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反应先决 条件
原料分子由主气流扩散到催化剂外表面 原料分子由催化剂外表面扩散到内表面 原料分子在催化剂内表面吸附 原料分子反应生成产物 产物分子从催化剂内表面脱附 构成表面化学反应 产物分子从催化剂内表面扩散到外表面 FCC反应的控制步骤 产物分子由催化剂外表面扩散到主气流
第二节
流态化技术课件最新课件说课材料
性能参数指标评价体系
01
02
03
04
流化质量
床层膨胀均匀，无沟流、腾涌 等异常现象。
传热性能
床层温度分布均匀，传热效率 高。
传质性能
气固接触面积大，传质效率高 。
压降特性
床层压降稳定，波动范围小。
设备选型依据和建议
物料性质
根据物料的粒度、密度 、形状等特性选择合适
的设备类型。
处理量要求
根据处理量的大小选择 合适的设备规格。
特点
固体颗粒在流态化状态下，颗粒之间及颗粒与流体之间存在相互作用，使得整 个系统表现出类似流体的宏观性质，如具有流动性、可变形性等。
流态化技术发展历程
早期探索
20世纪初，科学家们开始对流态化现 象进行初步探索，提出了一些基础理 论和实验方法。
应用拓展
目前，流态化技术已广泛应用于化工 、冶金、能源、环保等领域，为工业 生产和科学研究提供了有力支持。
实验准备工作和操作流程
调整实验参数，如气 流速度、物料投放量 等
结束实验，关闭电源 ，清理实验现场
观察实验现象，记录 实验数据
数据记录和处理方法
数据记录 使用专用记录本或电子文档记录实验数据
记录实验日期、操作人员、实验参数等信息
数据记录和处理方法
• 及时、准确、完整地记录实验现象和数据变化
数据记录和处理方法
操作条件
根据操作温度、压力等 条件选择合适的材质和
密封方式。
经济性考虑
在满足工艺要求的前提 下，尽量选择结构简单
、造价低廉的设备。
04
流态化实验操作与注意事项
实验准备工作和操作流程
实验准备工作 熟悉实验装置和操作流程
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⑦输送分离高度(分离空间高度)
随着气体离开床面向上运动，沿整个容器截面的速度分
布趋于均匀，当气体上升至某个高度时，气体分布达到均
一，等于表观气速，此时的高度(以床面为基准)即称为 “空间分离高度”或“输送分离高度”
TDH / DT (2.7 DT 0.36 0.7) exp( 0.7u f DT 0.23 )
流动 在提升管催化裂化装置中，常 用斜管进行催化剂输送
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石油加工工程
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要使催化剂能在管线中稳定流动，则催化剂受的阻力=推
动力 由柏努力方程可得：
p1 p2 h pa p f ,t p f ,v
在设计斜管时，必须让输送斜管与水平面的夹角大于催
鼓泡床的床层包括气泡相和颗粒相两部分
①气泡的形状
②气体返混和固体返混 ③气泡的形成 ④气节和沟流
图2
2013-8-3 石油加工工程
图1
图3
8
⑤密相床和稀相
在流化床床层的顶部有一个波动的界面，界面以下成为
密相床，界面以上的空间称为稀相
气速较低时，稀相和密相之间有明显的界面；随着气速
的增大，密相床的密度变小而稀相的密度增大，两相之间 的界面逐渐变得不明显 ⑥催化剂的夹带 被固体带到稀相的固体颗粒可以分为两部分： ★细颗粒：终端速度低于表观速度 ★较粗颗粒：终端速度比表观速度大
中的关键性问题
流化催化裂化装置的催化剂循环采用密相输送的方法，在
提升管催化裂化装置中是采用斜管或立管输送的
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石油加工工程
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固体颗粒的密相输送有两种形态：
粘滑流动:固体之间互相压紧、阵发性的缓慢向下流动
充气流动:固体颗粒和气体的相对速度较大，足以使固体
流化起来，气-固混合物具有流体的性质，可以向任意方向
②气-固运动很激烈，且固体颗粒的直径很小，因此气
固之间的传质效率高，提高了传质步骤的速率，对于扩散控 制的化学反应特别有利；
③固体处于流化态，具有流体一样的流动性，装卸、输
送都很方便； ④催化剂在反应器和再生器之间大量循环，简化了设备， 又传送了大量的热量，可以进行自动控制
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2．气-固流态化域
根据流化床中气体的表观气速不同，床层可以分为几
种不同的流化状态:固定床、散式流化床、鼓泡流化床、 湍动床、快速床和输送床 ①固定床 ②散式流化床
③鼓泡流化床
④湍动床 ⑤快速床 ⑥输送床
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二：流化床的一些基本现象
1．散式流化
没有聚集现象，床层界面平稳，随着气速的增大，床
为了使催化剂在循环线路中
能按照预定的方向作稳定流动，
不出现倒流、窜气现象，保持 循环管路的压力平衡是十分必 要的。实际上这个问题与反应 器-再生器的压力平衡问题是
紧密相关的。两器之间的压力
平衡对于确定两器的相对位置 及其顶部采用的压力也是十分 重要的
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线 路
再生剂线路 再生器顶压力
相输送阶段
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因此，固体颗粒的流化可根据气速划分成三个阶段： ①固定床阶段，u<umf；
②流化床阶段，umf<u<ut；
③稀相输送阶段，u>ut
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石油加工工程
3
在固定床阶段，气体通过固定床颗粒之间的 空隙时，因有摩擦阻力而产生压降，摩擦阻力与 气体流速的平方成正比，故u↗，床层压降↗
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石油加工工程
4
当床层所受压力达到平衡时，床层被悬浮起来而颗粒自
由运动。床层受三个力作用：重力、摩擦力和浮力。对催
化剂来说，其摩擦力与床层压降有关:
P F V (1 ) 固 V (1 ) 气 V (1 ) ( 固 气 )
化剂的休止角θ
r
在工业催化裂化装置中，输送斜管与垂直线的夹角一般 采用27°～35° 为了使催化剂不在容器的底部沉积，应使容器底部锥体 斜面与水平线的夹角大于催化剂的内摩擦角
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1.催化剂的循环线路2013-8-3石油加工工程20
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石油加工工程
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流化床的不足之处主要表现在： ①气固接触不充分，因此一般鼓泡床很难达到很高的
转化率；
②气固流化床由于返混造成催化剂在床层内停留时间
不均一；
③催化剂在床层中剧烈搅动，造成催化剂颗粒和设备
磨损；
④在生产负荷太低的情况下，流化床操作难以平稳， 操作波动大
2013-8-3 石油加工工程 13
三：提升管中的气-固流动(垂直管中的稀相输送)
层的空隙率增大，床层膨胀 可以用床高与起始流化时的床高之比LB/Lmf来表示床层 的膨胀程度，亦称膨胀比 影响膨胀比的因素有固体颗粒的性质和粒径、气体的
流速和性质、床径和床高等
在催化裂化装置中，催化剂的密相输送就是处于散式 流化状态
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2．鼓泡床的一些基本现象
鼓泡床的固体颗粒不是以单个而是以集团进行运动的
气-固输送可以根据密度不同而分为稀相输送和密相输送，
通常以100kg/m3为划分界限
在提升管中，气-固混合物的密度大约十几到几十千克每立 方米，因此属于稀相输送的范围
12 10
lg(△P/L)
E Gs2 Gs1 Gs=0
8 6 4 2 0 0 2 D 噎塞速度
4 loguf
6
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能够继续随气体上升至输送分离高度以上的颗粒只是那 些终端速度低于表观气速的细粉，也就是说，在稀相段的 颗粒浓度随高度增加而减小，到达输送分离高度以后，颗
粒浓度不再降低
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4．快速流化床
随着气速的增大，当气速达到ufp时，即进入快速床阶段， 此时，必须依靠提高固体颗粒的循环量才能维持床层密度 形成快速流化床的基本前提条件是： ①流化固体是细颗粒；
3
Wg Ws Vg Vs
上式可简化为：γ=Ws/Vg 考虑滑落系数φ 时：γ =φ Ws/Vg
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②由实测压差计算
生产中通常是直接测定两点的压差得到压降，即： P1-P2=△P
ph h p (pa p f )
[p (pa p f )] / h
床层颗粒之间的空隙所占的体积 床层体积
固体颗粒的重量为一定值，即V(1-ε )为一定值，因此当 气速增大时，V↗，ε ↗，但V(1-ε )不变，因此，△P.F
也不变
随着气速上升，所受摩擦阻力增大，当u达到ut时，催化
剂的浮力比重力大了，催化剂也就被气体带走了
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14
工业装置中，提升管入口线速一般采用4.5～7.5m/s,在 提升管出口处的气体线速增大到8～18m/s
催化剂的滑落
催化剂颗粒在提升管中是被油气携带上去的，它 的上升速度总是要比气体速度低些，这种现象称为催 化剂的滑落
气体线速度uf与催化剂线速度us之比则称为滑落系数
滑落系数
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②气速超过固体颗粒的终端速度，ufp=3～4ut；
③有一定的循环量，以保证床层有一定的密度。 快速流化床的特点是： ①床层很均匀； ②采用气速高、处理量大； ③气固接触良好
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5．流化床反应器的特点
其优点有： ①由于返混和传热效率高，床层各部分温度较均匀，避 免了局部高温现象，对强放热反应(再生)，可采用较高的反 应温度以提高反应速度；
2.充气流动的压降 气-固混合物在流化状态下由1点流至2 点时的压降为：
p1 p2 h pa p f ,t p f ,v
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料柱产生的静压差△Ph=γ ﹒△h(简称静压)，一般有两种计
算方法：
①由气体和固体的流量计算
(k g / m )
待生剂线路 沉降器顶压力
稀相静压
推动力
沉降器静压 汽提段静压
待生斜管静压 再生器顶压 稀相静压 过渡段静压 再生器密相静压 待生滑阀压降
26
密相静压
再生斜管静压 沉降器顶压力 稀相静压
阻力
提升管总压降 伞帽压降 再生滑阀压降
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第五节 流态化基本原理
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1
一：流态化的形成和转化
1．固定床、流化床及稀相输送 ①当气速较小时，催化剂堆紧，为固定床阶段； ②当气速增达到一定程度以后，床层开始膨胀，为膨胀 床； ③当u=umf时，固体粒子被气流悬浮起来做不规则运动， 为流化床阶段；
④继续增大气速至u=ut，催化剂开始被气流带走，为稀
uf us
uf u f ut
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石油加工工程
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四：催化剂的循环
流化催化裂化的反应器和再生器之间必须有大量的催化剂 循环，因为催化剂不仅要周期性的反应和再生以维持一定 的活性水平，而且还要起到取热和供热的热载体的作用
能否实现稳定的催化剂循环，是催化裂化装置设计和生产
在一般情况下：(p a
p
f
) p
上式可简化为： p / h γ ´称作“视密度”；由γ ´计算得到的△P(即)称作“蓄压”
蓄压p h h (pa p f )
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