【正文】 中，反應(yīng)物料和換熱介質(zhì)的流向?qū)^程的換熱起重要的作用，上一節(jié)討論的是換熱介質(zhì)溫度恒定的情況，則與流向無關(guān)。 一、反應(yīng)物料的流向 圖 (a)為逆流情況， 圖 (b)為并流情況。這可用傳熱溫度差和床層不同部位放熱速率不同來解釋。 逆流：優(yōu)點(diǎn)是原料氣進(jìn)入床層后能較快地升溫而接近最佳溫度，缺點(diǎn)是反應(yīng)后期易于過冷。 有些并流式催化反應(yīng)器中設(shè)置一絕熱床，經(jīng)預(yù)熱后的原料氣先進(jìn)入絕熱床中反應(yīng)，使反應(yīng)氣體迅速升溫，然后再進(jìn)入與原料氣進(jìn)行換熱的催化劑管中反應(yīng)，這樣做既保留并流式后期降溫速度慢的優(yōu)點(diǎn)，又克服了原料氣進(jìn)入床層后升溫速度慢的缺點(diǎn)。 二、數(shù)學(xué)模擬 改寫成 ? ?000 ( )rP AACtCPACP C tHG xGCT T TCMT C? ??? ? ??? ?????() ? ?000 ( ) ( )rP t P C C CAACAH CTG x T C TGGM T? ??? ? ? ?() ? ?0 rPtAAHM C?? ???因 00 )( ACCT T T Tx?? ?? ? ?() 則 PtC PCGGCC? ?令 若 β ＝ 0，則 TC＝ TC0，相當(dāng)于冷卻介質(zhì)溫度恒定的情況。 此時(shí) 00 )( ACCT T T Tx?? ?? ? ?() 并流時(shí)取正號(hào)，逆流時(shí)取負(fù)號(hào) 如 β→∞ ，則 GC＝ 0，屬于絕熱反應(yīng)。 6 參數(shù)敏感性 絕熱式、換熱式或自熱式固定床反應(yīng)器進(jìn)行放熱反應(yīng)時(shí)，床層內(nèi)存在最高溫度點(diǎn)，即熱點(diǎn)。操作變量、反應(yīng)混合物的性質(zhì)以及反應(yīng)器的傳熱能力對(duì)熱點(diǎn)溫度的影響就是參數(shù)敏感性問題。其中最值得注意的是冷卻介質(zhì)溫度、進(jìn)料溫度及濃度。 7 流化床反應(yīng)器 一、流化床與流態(tài)化 流化床 顆粒處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而容器內(nèi)床層又具有明顯的界面，稱為流化床。 節(jié) 涌 床 Lf Lf L0 Lmf 流體 流體 流體 流體 流體 流體 固 定 床 起 始 流 化 膨 脹 床 散式 鼓 泡 床 聚式 氣 力 輸 送 二、流態(tài)化的各種狀態(tài) 當(dāng)流體向上流過顆粒床層時(shí)，如流速較低，則流體從粒間空隙通過時(shí)粒子不動(dòng)，這就是固定床； 如流速漸增，則粒子間空隙率將開始增加，床層體積逐漸增大，當(dāng)流速達(dá)到某一限值，床層剛剛能被流體托動(dòng)時(shí)，床內(nèi)粒子就開始流化起來了，這時(shí)的流體空床線速稱為起始流化速度 (umf )。氣速愈高，氣泡的聚并及造成的擾動(dòng)亦愈劇烈，使床層波動(dòng)頻繁，這種形態(tài)的流化床稱聚式流化床。密相床中形如水沸，故又稱沸騰床。 隨著氣速的加大，流化床中的湍動(dòng)程度也跟著加劇，壓力脈動(dòng)的幅值減小，此時(shí)的情況叫湍流床。也稱氣力輸送。在流速較低時(shí)為固定床狀態(tài)，在雙對(duì)數(shù)紙上△ P與 u0約成正比。流速進(jìn)一步增加，則壓降基本不變，故流化床的壓降可如下計(jì)算： ( 1 ) ( )m f m f S ftWP L gA ? ? ?? ? ? ? ?流化床的壓降計(jì)算公式 Lmf及 ε mf為床層顆粒開始流化時(shí)的床層高度和空隙率，ρ s及 ρ f則分別為固體和流體的密度。 (3)粒子的磨損和帶出造成催化劑的損失。 如將固定床壓降公式與流化床壓降公式等同起來，并做適當(dāng)?shù)暮喕?，可以?dǎo)出起始流化速率： 對(duì)于小粒子： 2 ()R e 2 01650PPm f Pdug ?? ????對(duì)于大粒子 2 () R e 1 0 0 02 4 . 5PPm f Pdug ?????? 計(jì)算時(shí)，應(yīng)將所得 umf值代入 ReP=dPumfρ/μ ，檢驗(yàn)是否符合規(guī)定的范圍。這一速度稱帶出速度。 操作氣速 u0與起始流化速度之比稱為流化數(shù)。但也有高到幾十甚至幾百的 3. ut／ umf 的范圍 常用的操作氣速在 ～ 。 圖 六、氣泡及其行為 據(jù)研究，不受干擾的單個(gè)上升氣泡的頂是呈球形的，尾部略為內(nèi)凹，在尾部區(qū)域，由于壓力比近傍稍低，顆粒被卷了進(jìn)來，形成局部渦流，這一區(qū)域稱為尾渦。在氣泡小，氣泡上升速度低于乳相中氣速時(shí)，乳相中的氣流可穿過氣泡上流，但當(dāng)氣泡大到其上升速度超過乳相氣速時(shí)，就有部分氣體穿過氣泡形成環(huán)流，在泡外形成一層所謂的氣泡云。 1 / 20 . 7 1 1 ( )b r bu g d?1 / 20 0 . 7 1 1 ( )b m f bu u u g d? ? ? 在實(shí)際床層中，氣泡成群上升，氣泡群的上升速度 ub一般用下式計(jì)算： 單個(gè)氣泡的平均上升速度 ubr 氣泡上升時(shí)不斷增大，但氣泡的長大并不是無限的，如床徑足夠地大，不致形成節(jié)涌，則當(dāng)氣泡長大到一定程度后就將失去其穩(wěn)定性而破裂。 2br fCb br fuuRR u u??? ??????3 2b r fCb b r fuuRR u u??? ?????? 在 ubr＞ uf 時(shí)，氣泡內(nèi)外由于氣體環(huán)流而形成的氣泡云變得明顯起來，其相對(duì)厚度可按下式作近似估算： 二維床 RC及 Rb分別為氣泡云及氣泡的半徑。工業(yè)使用的型式大致如圖 。凹形篩板可抵消氣體易從床中心處偏流的傾向、強(qiáng)度也較高，能承受熱膨脹，故在大直徑床中常采用，篩板雖有可能漏料和在板上出現(xiàn)死區(qū)，但如顆粒流動(dòng)性能好，篩孔氣速足夠高，而且壓降適當(dāng)，是最簡單適用的。 ( a) 單層篩板 (b) 凹形篩板 (c) 多層篩板 (d) 夾層填料 (e ) 管式分布器 圖 分布器的若干形式 (d)是有夾層填料的分布板，填料還能起到使原料氣充分混合的作用。依靠管上嚴(yán)格制作的限流小孔來控制壓降，以保證整個(gè)大床截面上的進(jìn)氣均勻。 近分布板的區(qū)域，氣流從孔內(nèi)射出速度很高，氣 — 固接觸劇烈，傳熱、傳質(zhì)速率高，因此轉(zhuǎn)化快。 為了保證流化均勻而穩(wěn)定，分布板需有足夠的壓降，一般選取分布板壓降 ΔP d為床層壓降 ΔP b的 10～ 20％，最小也不應(yīng)小于 35cm水柱。 為了傳熱或控制氣 — 固間的接觸，常在床內(nèi)設(shè)置內(nèi)部構(gòu)件。其中以垂直管最為常用。水平構(gòu)件對(duì)顆粒和氣體的上下流動(dòng)起一定的阻滯作用，從而導(dǎo)致床內(nèi)產(chǎn)生明顯的溫度梯度和濃度梯度。 壁 壁 中心 圖 床內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)示意 八、乳化相的動(dòng)態(tài) 一般認(rèn)為除部分氣體以起始流化速度流經(jīng)粒子之間的空隙外，多余的氣體都以氣泡狀態(tài)通過床層，因此人們常把氣泡稱作氣泡相、把氣泡以外的密相床部分稱作乳化相。這種循環(huán)相當(dāng)劇烈，所以即使在直徑幾米的大床中，也不過幾分鐘就混勻了。 乳相中氣流的狀況則比較復(fù)雜。 1Std w wKA d t W??0nSKu? 揚(yáng)析速度： 式中 : ω 為粒徑為 dp的粒子的重量， W為床層粒子的總重量， Ks稱為揚(yáng)析常數(shù)，它與氣體流速的關(guān)系大致為： n值約在 4～ 7之間。 當(dāng)氣泡在密相床層表面爆破時(shí)，將大量固體顆粒拋擲進(jìn)稀相空間。當(dāng)達(dá)到某一高度后，能夠被重力分離下來的顆粒都已沉析下來，只有帶出速度小于操作氣速的那些顆粒才會(huì)被帶上去。 H Lf Lmf 顆粒密度 分離高度示意圖 十、 流化床反應(yīng)器的模擬和放大 兩相模型： ① 氣相 —— 乳相 ② 上流相 (氣 +固 )—— 下流相 (氣 +固 ) ③ 氣泡相 —— 乳相 三相模型： ① 氣泡相 —— 上流相 (氣 +固 )—— 下流相 (氣 +固 ) ② 氣泡相 —— 氣泡云 —— 乳相 四區(qū)模型： 氣泡區(qū) —— 泡暈區(qū) —— 乳相上流區(qū) —— 乳相下流區(qū) 對(duì)于氣、乳兩相的流動(dòng)模式則一般認(rèn)為氣相為活塞流，而對(duì)乳相則有種種不同的處理 (活塞流、全混流、部分返混流、環(huán)流或?qū)ζ淞鲃?dòng)模式不加考慮等