应用化工技术专业《流化床反应器结构尺寸及反应器压力降的计算》

流化床的床径与床高是工业流化床反响器的两个主要结构尺寸。对于工业中的化学反响，尤其是催化反响所用的流化装置，首先要用实验来确定主要反响的本征速率，然后才可选择反响器，结合传递效应建立数学模型。鉴于模型本身存在不确切性，因此还需要进行中间试验。这里就非催化气固流化床反响器的直径与床高确实定作简要介绍，有关催化流化床可查阅有关资料。

1. 流化床直径

当生产规模确定后，通过物料衡算得出通过床层的总气量Q[m〔标〕/h]。

用前面介绍的方法，根据反响要求的温度、压力和气固物性，确定操作气速u，那么有：

12273P QDRu3600T1.013103

41.013105TQ4.132TQDR2733600uP9.828uP 〔2-30〕

式中 Q——气体的体积流量，m/h；

DR——反响器直径，m；

T，P——反响时的绝对温度〔K〕和绝对压力〔Pa〕； u——以T、P计的表观气速，m/s，一般取1/2床高处的P进行计算。

为了尽量减少气体中带出的颗粒，一般流化床反响器上部设置扩大段，扩大段直径由不允许吹出粒子的最小颗粒直径来确定。首先根据物料的物性参数与操作条件计算出此颗粒的自由沉

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降速度，然后按下式计算出扩大段直径DL。

1273P2 QDLut36004T1.013DL41.013TQ9.828utP

〔2-31〕

2.流化床床高

一台完整的流化床反响器高度包括流化床高度、扩大段高度和别离高度。而流化床高又包括临界流化床高Lmf，流化床高Lf与别离段高度LD。

临界流化床高Lmf，也称静止床高LD。对于一定的流化床直径和操作气速，必须有一定的静止床高。对于生产过程，可根据产量要求算出固体颗粒的进料量WP〔kg/h〕，然后根据要求的接触时间〔h〕，求出固体物料在反响器内的装载量M〔kg〕，继而求出临界流化床时的床高Lmf。即：

MWs

1122DRLmfmfDRLmfP1mf44

WsWsLmf4Ws 〔2-32〕 2DRP1mf知道了Lmf后，可根据床层膨胀比R求出流化床的床高Lf。床层的膨胀比定义为：RLf/Lmf(1mf)/(1m)mf/m。其中mf和m分别为临界流化状态和实际操作条件下床层的平均密度。那么：

LfRLmf 〔2-33〕

由于气固系统的不稳定性，床面有一定的起伏，为使床层稳定操作，一般在反响器计算时要考虑在床高之上增加一段高度，使之能够适应床面的起伏，这一段高度称为稳定段高度，用它主要取决于床层的稳定性和操作中浓相床层的高度变LD表示。化范围。

具有扩大段的流化床反响器，通常将内旋风别离器或过滤管设置在扩大段中，因此这一段的高度须视粉尘回收装置的尺寸以及安装和检修的方便来决定。

别离高度TDH确实定。所谓别离高度是指在床层上面空间有这样一段高度，这段高度中，气流内夹带的颗粒浓度随高度而变，而在超过这一高度后，颗粒浓度才趋于一定值而不再减小。即从床层面算起至气流中颗粒夹带量接近正常值处的高度。它是流化床反响器计算中的一个重要参数，所以许多人对此进行了研究。

如Horio提出的关联式

TDH/DR0.360.23(2.7DR0.7)exp(0.74uDR) 〔2-34〕

谢裕生等提出的关联式

TDH(63.5/)de/g 〔2-35〕

式中 4.5%；

de——气泡当量直径，m。

尽管对TDH的研究很多，但由于实验设备的结构、规模及

实验条件的差异，使有些研究结果相差甚远，有些与生产实际也相差甚远，至今尚无公认的较好的关联式。

3.流化床反响器压力降的计算

流化床反响器的压力降主要包括气体分布板压力降、流化床压力降和别离设备压力降。其中流化床压力降的计算已在前面讨论过，此处只简单介绍分布板的压力降计算。

〔1〕分布板的压力降

设计分布板时，主要是确定分布板的压降和开孔率。流体通过分布板的压降可用床内表观速度的速度头倍数来表示：

PD9.807CDu2f2g2

〔2-36〕

式中 PD——分布板压降，Pa； ——开孔率；

CD——阻力系数，其值在

1.5～2.5之间，对于锥帽侧缝

式分布板，取2.0。

〔2〕分布板的临界压力降

分布板通过对流体流过设置一定的阻力或压降，并且这种阻力大于气体流股沿整个床截面重排的阻力，起到破坏流股而均匀分布气体的作用。或者说只有当分布板的阻力大到足以克服聚式流态化原生不稳定性的恶性引发时，分布板才有可能将已经建立的良好起始流态化条件稳定下来。因此在其它条件相同的情况下，增大分布板的压降能起到改善分布气体和增加稳定性的作

用。但是压降过大将无谓地消耗动力，这样就引出了分布板临界压降的概念。

临界压降是指分布板能起到均匀布气并具有良好稳定性的最小压降，它与分布板下面的气体引入及分布板上的床层状况有关。应当指出，均匀分布气体和良好稳定性这两点，对分布板临界压降的要求是不一样的。前者是由分布板下面的气体引入状况所决定，后者由流态化床层所决定。分布板均匀分布气体是流化床具有良好稳定性的前提，否那么就根本谈不上流化床会有良好的稳定性。但是分布板即使具备了均匀分布气体的条件，流化床也不一定稳定下来。这两者既有联系，又有区别。因此将分布板的临界压降区分为分布气体临界压降和稳定性临界压降两种。在设计计算中，分布板的压降应该大于或等于这两个临界压降。 a．布气临界压降 上面提到布气临界压降与分布板下的气体流型有关，因此会因预分布器的不同而变化。一般来说，有预分布器时，布气临界压降会适当降低。

王尊孝等测定了直径为0.5～1.0m不同开孔率的多孔板〔空床层〕的径向速度分布，发现多孔板径向速率分布仅与分布板开孔率有关，与气流速度无关。当开孔率小于1％时，径向速率分布趋于均匀，其布气临界压降(PD)dc的关联式为：

(PD)dc18000fu22g 〔2-37〕

b．稳定性临界压降 稳定性临界压降由流化床的状态所决定，随床层的变化而变化。为此，稳定性临界压降通常用床层压

降的分率来表示。

郭慕孙将流化床的不稳定性分为原生不稳定性与次生不稳定性。前者与流化床内流体与固体特性有关，后者与设备结构有关，特别与分布板的设计关系很大，并提出了分布板操作稳定与否的一个判别准那么，就是分布板压降的大小。郭将分布板分为低压降与高压降分布板，相应这两种分布板的流化床总压降∑△P随流速变化的趋势如图2-27所示。图中ABC曲线为低压降分布板的特性，ABC曲线为高压降分布板的特性。图2-29为低压降分布板的流速分解示意图。图中∑△P=△PD+△PB，其中△PD和△PB分别为气体通过分布板和床层的压降。

图2-27 低压降和高压降分布板特性 图2-28 低压降分布板的流速分解示意图

低压降分布板在操作上是不稳定的。从图2-27可以看出，当气体以平均速度uumf流过系统时，假设分布均匀，那么应产生一个总压降∑△P，它沿着图中的曲线ABC变化，但因为分布板的压降低，所以当uu1以后，流体可能分解为二局部流动。一

局部以u1uu的速度流过固定床局部，其余以u2uu的流速流

过流化床，二者产生相同的压降Pmin。换言之，当uu1以后，一条表示等压降的水平线可与曲线有两个对应的流速交点，且分解流动所产生的总压降低于均匀流动的总压降∑△P，所以这样的系统是不稳定的。平均流速超过u2以后，流速仍可能分解，直至uu3以后，床层才进入稳定流态化。

高压降分布板不会出现不稳定现象，其特性曲线u与∑△P单值对应，系统总压降始终上升，但过分增大分布板的压降是不经济的。