冶金反应工程学课件（下）

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1、冶金反应工程学第五章填充床反应器1、流一固相反应器可以分为：固定床；移动床；流化床。2、填充床：是指有固体粒子作填充物与流体作相对运动，分为固定床和移动床。（1）固定床：固体粒子在床层内是静止的，流体从下至上掠过床层。（2）移动床：固体粒子缓慢移动，与流体作顺流或逆流流动。共同特点：气流流动可以看作活塞流。本章内容:第一节填充床反应器的类型及应用第二节填充床反应器的传输特性第三节移动床反应器操作特性解析第一节填充床反应器的类型及应用1、类型（1）催化反应器：多用于石化领域。（2）非催化填充反应器，又可分为：竖式与卧式；绝热与

2、换热式；或单层与多层反应器。用途：焙烧炉、反射炉、多膛炉、鼓风炉。2、用途（1）鼓风炉：高炉和炼铜、炼铅、炼锌的鼓风炉；（2）反射炉：炼钢平炉，炼铜反射炉等；（3）多膛炉：炼钼领域有应用；（4）渗滤浸出：氧化铜的废矿和低品位矿的堆浸。第二节填充床反应器的传输特性1、床层的传输特性（1）粒径：dp①体积当量直径：②面积当量直径：③比表面积当量直径：④实测：平均粒径：其中：为级别为i的粒子所占比例。为级别为i的粒子直径，筛分数据，两层筛孔的算术平均值。（2）形状系数：非球形粒子外表面积与相同体积球形粒子表面积之比。（3）空隙率：

3、床层中自由空间体积与整个床层体积之比。影响的因素：①越大，越大。②形状系数：越大，越小。③大小均一的粒子：在0.2595~0.476之间；粒子大小不一时，大大减小。④在床层靠近壁面1-2个粒径处，较大。（4）床层当量直径：dede=4RH水力学半径的定义式为：床层比表面积：即单位体积床层中粒子外表面积。2、填充床的流体力学（1）流速及流速分布：填充床中流体的流速在径向是均匀分布的。所以流过填充床的流体可看作活塞流，或考虑适当的“返混”系数。粒子间的流体的流动速度为：其中：u0以空床面积为基准计算的空床流速。（2）流体流过床层

4、的压力损失：一般可用厄根方程描述：其中，。第三节移动床反应器操作特性解析移动床反应器在冶金中有广泛应用，如矿石的焙烧、球团的烧结和直接还原等用的竖炉，炼铁高炉，铜和铅熔炼用的鼓风炉炉身部分等。与固定床比较，移动床内固体物料缓慢移动，可以实现连续加料排料的稳定态操作，获得高的反应效率。与流化床比较，固体物料移动缓慢，磨损和粉化率小。此外，固体物料停留时间相当均匀，操作弹性大，即使气流速度变比较大，床层的密度也可看作常数。一、移动床反应器操作解析概述近年来对移动床反应器研究非常活跃，主要包括以下几万面，1、移动床反应器内的传输现

5、象移动床反应器内的传输现象的研究内容包括气体通过固体填充床层流动时的流速分布及其阻力计算、气体和颗粒间的传热、传质系数的估价、流体相和颗粒相的有效导热系数以及它们在床层内的各自的混合现象等。2、床层内传热过程解析床层内传热过程模型有拟均相和二相模型两类。前者是认为流体和固体间传热速度很大，从而假定任意位置上两相温度相等来建立模型的";后者是认为流体和固体间传热速度有限，分别就两相建立热量平衡方程"。忽略颗粒内部导热阻力及温度对物性值影响的一维模型可得到解析解，但是，考虑颗粒内部发热和导热阻力以及温度对物性值影响时，即使是一维

6、模型，也由于基本微分方程的非线性，必须作为两端边界问题数值求解。3、床层内颗粒移动规律大量可视化实验表明，在移动床上部，颗粒大体上均匀向下移动，而在其下部，由于出口的缩流作用，越靠近出口，壁面附近的颗粒下移速度越滞后于中心部颗粒。Gardne及高桥等分别根据塑性理论，由滑移线的力学解析得到了可以预测颗粒流动区和死区分界线的数学模型。4、移动床反应器操作过程数学模型在上述三方面研究基础上，已发表许多针对具体移动床反应器操作过程的数学模型，其中有认为断面均匀的一维模型和考虑断面分布的二维模型等。由于多数解析是针对气固两相逆流式移

7、动床进行的，故都是把物质流和热流两个两端边界值问题联立，借助于试差法数值求解的。二、逆流式移动床反应器等温操作解析1、模型假定(1)床层内气固两相温度相同且均匀一致;(2)颗粒和气流两相在半径方向上均没有组成分布;(3)颗粒移动为活塞流。气流有混合扩散影响;(4)操作在稳定态下进行。2、基本方程的导出设想在逆流式移动床反应器中进行反应。就床层内z~z十dz微小区间，分别对两相中的反应物列物料衡算式。对于气相中的A成分有按基本物料衡算方法，列出等式并整理得式中u0为气流的空塔流速;Dz为A成分的轴向混合扩散系数。对于颗粒相中的

8、B成分有类似的方法可得到式中MB和GB0分别为B物质的摩尔质量和物料入口处B成分的质量通量。式(1)和式(2)即为本模型的基本方程，其边界条件为式中CA0，CA0-分别为气流入口的外侧和内侧A的浓度。由于基本方程是非线性的，只能数值求解。但忽略气流中的混合扩散影响时，可以解析求解。这时，式