第五节--流态化基本原理要点课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,石油加工工程,*,第五节 流态化基本原理,9/2/2024,1,石油加工工程,第五节 流态化基本原理9/8/20231石油加工工程,固体流态化：颗粒物料与流动的流体接触，使颗粒物料呈类似于流体的状态。,流态化技术的应用：流化催化裂化、吸附、干燥、冷凝等。,流态化技术的优点：连续化操作；温度均匀，易调节和维持；气、固间传质、传热速率高等。,9/2/2024,2,石油加工工程,固体流态化：颗粒物料与流动的流体接触，使颗粒物料呈类似于流体,一：流态化的形成和转化,1固定床、流化床及稀相输送,当,气速较小,时，,催化剂堆紧，,为,固定床阶段,；,当气速增达到一定程度以后，,床层开始膨胀，,为,膨胀床,；,当,u=u,mf,时,，,固体粒子被气流悬浮起来做不规则运动，,为,流化床阶段,；,继续增大气速至,u=u,t,，,催化剂开始被气流带走，,为,稀相输送阶段,9/2/2024,3,石油加工工程,一：流态化的形成和转化1固定床、流化床及稀相输送9/8/2,因此，固体颗粒的流化可根据气速划分成三个阶段：,固定床阶段，uu,mf,；,流化床阶段，u,mf,uu,t,9/2/2024,4,石油加工工程,因此，固体颗粒的流化可根据气速划分成三个阶段：9/8/202,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,9/2/2024,5,石油加工工程,在固定床阶段，气体通过固定床颗粒之间的空隙时，因有摩,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,:,固体颗粒的重量为一定值，即,V(1-)为一定值,，因此当气速增大时，V，但V(1-)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u,t,时，催化剂的浮力比重力大了，催化剂也就被气体带走了,9/2/2024,6,石油加工工程,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,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,固定床,散式流化床,鼓泡流化床,湍动床,快速床,输送床,9/2/2024,7,石油加工工程,2气-固流态化域9/8/20237石油加工工程,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L,B,/L,mf,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,9/2/2024,8,石油加工工程,二：流化床的一些基本现象1散式流化9/8/20238石油加,9/2/2024,9,石油加工工程,9/8/20239石油加工工程,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,鼓泡床的床层包括,气泡相和颗粒相,两部分,气泡的形状,气体返混和固体返混,气泡的形成,气节和沟流,图1,图2,图3,9/2/2024,10,石油加工工程,2鼓泡床的一些基本现象图1图2图39/8/202310石油,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,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,9/2/2024,11,石油加工工程,密相床和稀相9/8/202311石油加工工程,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,”,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,9/2/2024,12,石油加工工程,输送分离高度(分离空间高度)9/8/202312石油加工工,4快速流化床,随着气速的增大，当气速达到,u,fp,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：,流化固体是细颗粒；,气速超过固体颗粒的终端速度，u,fp,=34,ut,；,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：,床层很均匀；,采用气速高、处理量大；,气固接触良好,9/2/2024,13,石油加工工程,4快速流化床9/8/202313石油加工工程,5流化床反应器的特点,其,优点,有：,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；,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；,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；,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,9/2/2024,14,石油加工工程,5流化床反应器的特点9/8/202314石油加工工程,流化床的,不足之处,主要表现在：,气固接触不充分，因此一般鼓泡床,很难达到很高的转化率,；,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,；,催化剂在床层中剧烈搅动，造成,催化剂颗粒和设备磨损,；,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,9/2/2024,15,石油加工工程,流化床的不足之处主要表现在： 9/8/202315石油加工工,三：提升管中的气-固流动(垂直管中的稀相输送),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/m,3,为划分界限,在催化裂化装置中，催化剂大型加料线、大型卸料线、小型加料和卸料线、稀相提升管和提升管反应器均属于稀相输送。,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,9/2/2024,16,石油加工工程,三：提升管中的气-固流动(垂直管中的稀相输送)9/8/202,9/2/2024,17,石油加工工程,9/8/202317石油加工工程,9/2/2024,18,石油加工工程,9/8/202318石油加工工程,工业装置中，提升管,入口线速,一般采用,4.57.5m/s,在提升管,出口处,的气体线速增大到,818m/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u,f,与催化剂线速度u,s,之比则称为滑落系数,1、稀相输送的气体速度,9/2/2024,19,石油加工工程,工业装置中，提升管入口线速一般采用4.57.5m/s,在提,微球催化剂的u,t,约为0.6m/s。根据上式u,f,，滑落系数，u,f,，滑落系数1，即u,s,=u,f,。此时返混很少,当气体的线速大于25m/s时，滑落系数几乎不再变化，其数值接近1.0，这时提升管内是平推流，,返混,很小，这样大大减少了二次反应。对分子筛催化剂是有利的。,9/2/2024,20,石油加工工程,微球催化剂的ut约为0.6m/s。根据上式uf，滑落系数,2、稀相输送压力降,稀相输送压力降包括如下三部分：,9/2/2024,21,石油加工工程,2、稀相输送压力降稀相输送压力降包括如下三部分：9/8/20,9/2/2024,22,石油加工工程,9/8/202322石油加工工程,（1）当固体质量G,S,=0 AB段,只有气体通提升管反应器，单位长度上的压降p/L随气速u,f,的增大而增大，这是p/L主要是流动压降,。,提升管中的气固流动形态,（2）当固体的质量流速为某一定值G,S,时。,所测压降是混合物的密度产生的,静压降,与混合物的,流动压降之和,。,9/2/2024,23,石油加工工程,（1）当固体质量GS=0 AB段提升管中的气固流动形,（3）当提高气速时，提升管的密度较小，流动压降占主导地位。,（4）当气速下降时，静压虽然由于密度增大而增大，但摩擦压降却因气速下降而减小，故总的p/L下降。,（5）气速从D点在继续下降，管内的固体密度急剧增大于是静压增大占主导地位，总p/L急剧增大。,（6）接近E点时，管内的密度太大，气流不足以支持固粒，因而出现腾涌。E点的气体线速即称为噎塞速度。,对于较大的固体质量流速，此转折点出现在较高的气速处。如图G,S2,。为了保证提升管内的流动状态，管内气速必须大于,噎塞速度,。噎塞速度与催化剂的筛分组成颗粒密度等物性有关。微球的噎塞速度为1.5m/S。,9/2/2024,24,石油加工工程,（3）当提高气速时，提升管的密度较小，流动压降占主导地位。对,9/2/2024,25,石油加工工程,9/8/202325石油加工工程,9/2/2024,26,石油加工工程,9/8/202326石油加工工程,9/2/2024,27,石油加工工程,9/8/202327石油加工工程,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,9/2/2024,28,石油加工工程,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,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，可以向任意方向流动,在提升管催化裂化装置中，常用斜管进行催化剂输送,9/2/2024,29,石油加工工程,固体颗粒的密相输送有两种形态：在提升管催化裂化装置中，常用斜,1 密相输送基本原理,9/2/2024,30,石油加工工程,1 密相输送基本原理9/8/202330石油加工工程,盛有水的U型管，右侧有加热器，使该处的水受热而汽化。U型管的两端顶部均为大气压P,0,，取阀门两侧的同一高度1，2两点:,阀门关闭时，两点的压强:,1点: P,1,= h,水,+ P,0,；,2点: P,2,= h,1,汽,+ h,2,水,+ P,0,比较两式 ,汽,水,故 P,1,P,2,当阀门打开时，水就会场从管的左边流向管的右边。,流动时的推动力为两端的静压力差 p,1,- p,2,在实际流动中，同时存在流动阻力，只有,推动力阻力,时，流动才可以实现。在流化床反应器中催化剂就是根据这样的原理进行输送的。,9/2/2024,31,石油加工工程,盛有水的U型管，右侧有加热器，使该处的水受热而汽化。U型管的,斜管输送,催化剂在斜管的输送也是这样的原理，不论是哪种催化裂化仍要满足:推动力阻力。,设计时为了给单动滑阀一定的调节余量，使调节阀有0.3kPa的压降。通过调节阀的开度可以改变压力，改变催化剂的流量。,9/2/2024,32,石油加工工程,斜管输送催化剂在斜管的输送也是这样的原理，不论是哪种催化裂化,催化剂的休止角,由小孔流出的固体颗粒在下面形成一个锥体，锥体斜面与水平面的夹角叫,休止角,。,当固体颗粒在倾斜角小于休止角时，固体颗粒留在上面不会落下。,休止角越小越易流化,因此，催化剂斜管输送时必须大于休止角。工业装置斜管与水平线夹角一般为5563,，远大于休止角。,9/2/2024,33,石油加工工程,催化剂的休止角 由小孔流出的固体颗粒在下面形成一个锥体，锥体,内摩擦角,催化剂颗粒从储罐孔口向下流出时，在孔口周围有一个静止不动的死区，流动部分和静止有一个明显的圆锥分界区，圆锥周边和水平面形成的夹角成为,内摩擦角,f,。,颗粒的内摩擦角越小越易流动,微球裂化催化剂的,f,约为79,9/2/2024,34,石油加工工程,内摩擦角 催化剂颗粒从储罐孔口向下流出时，在孔口周围有一,密相输送与稀相输送的基本区别：,密相输送，催化剂颗粒不被气体加速，而是在少量气体松动的流化状态下靠静压差产生的推动力，来克服流动时的阻力。,9/2/2024,35,石油加工工程,密相输送与稀相输送的基本区别：9/8/202335石油加工工,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：,P,1,P,2,P,h, P,a, P,f,t, P,f,v,9/2/2024,36,石油加工工程,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,（1）P,h,计算,料柱产生的,静压差P,h,=.h(简称静压),，一般有两种计算方法：,由气体和固体的流量计算,上式可简化为：,=W,s,/V,g,考虑滑落系数时：,=Ws/Vg,9/2/2024,37,石油加工工程,（1）Ph计算上式可简化为：=Ws/Vg 考虑滑落系数,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：,P,1,-P,2,=P,在一般情况下：,上式可简化为：,称作“视密度”,；由计算得到的P(即)称作“,蓄压,”,9/2/2024,38,石油加工工程,由实测压差计算在一般情况下：上式可简化为：称作“视密度,（2）,Pa,是由于速度变化（包括改变运动方向）引起的压降,9/2/2024,39,石油加工工程,（2） Pa 是由于速度变化（包括改变运动方向）引起的压降,（3）,P,f,t,气固混合物在管路中流动时产生的压降,9/2/2024,40,石油加工工程,（3） Pf,t 气固混合物在管路中流动时产生的压降9/,（4）,P,f,v,催化剂流经滑阀时产生的压降,9/2/2024,41,石油加工工程,（4） Pf,v 催化剂流经滑阀时产生的压降9/8/202,催化剂输送管路,催化剂在各段循环管路中都属于充气流动状态进行密相输送，但随气固运动方向的不同，输送特点又有显著区别：,（1）,气固同时向下流动,：如斜管、立管等处。这时的固体线速要高些，一般为1.22.4 m/s，最小不低于0.6 m/s，否则气体会向上倒窜。,（2）,固体向下而气体向上的流动,：如溢流罐、脱气罐、料腿、汽提段等处。这些地方希望脱气好，因而要求催化剂下流速度很低，如汽提段0.1m/s，溢流罐0.24 m/s，料腿0.76 m/s，以利于气体向上流动和高密度的催化剂顺利向下流动。,（3）,固体和气体同时向上流动,：如预提升管。这种情况下的气固流速都要高些，气体量也要求较大，气固密度较小，否则催化剂会下沉，堵塞管路而中断输送，如气体流速超过2m/s，则与高固气比的稀相输送很相似。,9/2/2024,42,石油加工工程,催化剂输送管路 催化剂在各段循环管路中都属于充气流动状态,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,3催化剂循环的压力平衡,9/2/2024,43,石油加工工程,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,线 路,再生剂线路,待生剂线路,推动力,再生器顶压力,沉降器顶压力,稀相静压,沉降器静压,密相静压,汽提段静压,再生斜管静压,待生斜管静压,阻力,沉降器顶压力,再生器顶压,稀相静压,稀相静压,提升管总压降,过渡段静压,伞帽压降,再生器密相静压,再生滑阀压降,待生滑阀压降,9/2/2024,44,石油加工工程,线 路再生剂线路待生剂线路推动力再生器顶压力沉降器顶压力稀,