化学反应工程(第三版)陈甘棠主编PPT

注意：气泡云的实际厚度为RC－Rb。
（ii） 气泡中气体的穿流量
q 4umf Rb 4u f mf Rb
q 3umf Rb2 3u f mf Rb2
( 二维床）
( 三维床）
（7-41） （7-42）
p Lmf
1.75
1
mf
3 mf
um2 f S d p
150
(1
mf 3
mf
)2
umf (S d p )2
因为
Δp p
整理得
1.75
S
3 mf
d
pumf
2
150(1
S2
3 mf
mf
)
d
pumf
d
3 p
(
p
)g
2
（7-2）
式中，S 是颗粒的形状系数，部分颗粒的S 值可由手册查取mf。
{
气泡 气泡晕 （气泡云+尾涡）
气泡晕中粒子浓度与乳化相相同，
包在气泡周围，伴随着气泡一起上升。
（2）气泡的速度 气泡上升速度是影响气泡相与乳
化相之间传质和传热的重要因素。根据
不同的模型和实验数据，整理出一些经
验公式。
7-10
气泡云
13
a. 单个气泡上升速度
式中，
ubr 0.711(gdb )1/ 2
流化床反应器
1
7.1 概述
流态化：固体粒子像流体一样进行流动的现象。 一、流态化的形式
气泡
图 7-1 流态化的各种形式
2
二、流化床反应器的特点
➢结构简单 ➢传热效能高，床层温度均匀 ➢气固相间传质速率较高 ➢催化剂粒子小，效能高 ➢有助于催化剂循环再生 ➢催化剂和设备磨损大 ➢气流不均时气固相接触效率降低 ➢返混大，影响产品质量均一性
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（3）流化床的膨胀比
流化床的体积与起始流化时床层体积之比。
R Lf 1 mf mf Lmf 1 f f
（7-20）
膨胀比是流化床反应器设计 的重要参数，影响因素比较多，如颗 粒的尺寸、物性，流体的流速和物性， 床层尺寸和内部构件的形式等。右图 反映了气速和床径对膨胀比的影响。 由图可见，气速越大，床径越小则膨 胀比越大。R值一般在1.15~2之间。
dPi——颗粒各筛分的平均直径；
dPi d1 d2 或 dPi (d1 d2 ) / 2
d1，d2 ——上、下筛目的尺寸。
b. 雷诺数中特性尺寸是颗粒的直径，密度和粘度是气体的物性。
Re P
d Pumf μ
ρ
c.计算所得到的 umf 要代入到雷诺数中，检验选用的公式是否符
合规定的范围。
（2）带出速度
（7-14） （7-15）
1
ut
3.1d p ( p
)g
2
500 Rep 200000
（7-16）
注意：以上各式求得的ut也都需代入到Rep中检验。
存在大量颗粒的流化床中， 粒子沉降会互相干扰，按单个粒子 计算的带出速度需校正。
ut校正 F0 ut 式中，校正系数F0可由右图查取。
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讨论：流化床的操作气速
umf
dP2 ( p )g 1650
（7-7）
大颗粒，ReP>1000时，欧根公式中第二项可忽略，式（7-2）简化为：
um2 f
dp(p )g 24.5
（7-8）
应用以上各式计算时要注意：
a. 对具有一定筛分的颗粒要用调和平均直径 。
1
d p
xi / d pi
6
式中, xi——颗粒各筛分的重量百分数；
（i）流化床中，气体操作流速的下限是umf，上限是ut。
小颗粒
ut umf
式式（（77174）） 91.6
大颗粒
ut umf
式式（（77186）） 8.72
（ii）细颗粒床层中，气体操作流速的范围更宽。
（iii）实用操作气速的确定
a. 流化数 b.
u0 1.5 ~ 10 umf u0 0.1 ~ 0.4 ut
W p
At
Lmf (1 mf )( p
)g
（7-1）
4
b. 经验关联式计算 临界流态化时，对床层受力平衡分析得
p2
Vmf (1 )g
p
W At
Lmf (1 mf )( p
)g
（7-1）
即
p Lmf
(1 mf )( p
)g
固定床中流动压降也可由欧根公式计算
p1
Vmf (1 ) p g
q 3umf Rb2
cm3 / s
式中，Rb——气泡半径，cm。
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（3）气泡云与尾涡 （iHale Waihona Puke Baidu气泡云相对厚度
RC Rb
2
ubr ubr
uf uf
(二维床）
（7-39）
RC Rb
3
ubr 2u f ubr u f
(三维床）
（7-40）
式中， u f umf / mf
为乳相中真实气速。
cm / s
db——气泡直径，cm ； g ——重力加速度，980 cm/s2。
（7-28）
b. 气泡群上升速度
ub u0 umf 0.711(gdb )1/ 2
cm/ s （7-29）
事实上床层内气泡大小是不均匀的，且是不断长大的，有 人提出一些不同的经验式。由于气泡行为的复杂性，现有的经验公 式都存在一定的局限性。 c. 气泡中气体的穿流量
当气速增大到一定值时，流体对粒子的曳力与粒子的重力相
等，则粒子将会被气流带走，此时气体的空床速度即带出速度，或
称终端速度。
颗粒的带出速度等于其自由沉降速度，对球形固体颗粒，可
用以下公式计算：
7
ut
d
2 p
(
p
18
)g
1
ut
4
225
(p
)2
g2
3 dp
Rep 0.4 0.4 Rep 500
是临界空隙率，其值与颗粒直径和形状等有关，也可由手册查取。若 查不到，可由以下二式估算。
5
1
S
3 mf
14 ,
1 mf
S2
3 mf
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（7-5）
式（7-5）代入式（7-2）可导出
d pumf
33.72
0.0408
d
3 p
(p 2
)g
1/ 2
33.7
（7-6）
小颗粒，ReP<20时，欧根公式中第一项可忽略，式（7-2）简化为：
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例题
p
解：
（7-7）
（小颗粒）
（7-7）
算术平均值
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，由式（7-14）
由带出速度的校正系数图，查得F0=1，故不需校正。
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7.2.2 气泡及其行为
流化床层由固体颗粒密集区域（乳化相）和固体颗粒很 少的区域（气泡相）组成，气泡的结构和行为是分析流化床特 性和建立数学模型的基础。
（1）气泡的结构
三、流化床反应器的重要应用
➢石油催化裂化 ➢丙烯-氨氧化制丙烯腈 ➢萘氧化制邻苯二甲酸酐 ➢煤燃烧与转化 ➢金属提取和加工
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7.2 流化床中的气、固运动
7.2.1 流化床的流体力学
二个特征速度：临界流化速度、带出速度
（1）临界流化速度 （umf） 刚刚能使粒子流化起来的气体空床流速。
确定umf的方法 a. 实验测定