第八章流化床反应工程

2019/12/10第八章流化床反应工程固体流态化的基本特征流化床的特征速度气-固密相流化床循环流化床化学工业出版社固体散料悬浮于运动的流体，颗粒之间脱离接触而具有类似于流体性能的过程，称为“固体流态化”。我国于1956年开始将流态化技术应用于工业装置，南京化学工业公司自立更生建立了硫铁矿流化床焙烧装置，取代了生产能力低、矿渣残硫高、劳动强度大及环境污染严重的多层硫铁矿机械焙烧炉，并迅速广泛推广，促进了硫酸工业发展。1957年葫芦岛又开发了流化焙烧锌精矿。化学工业出版社国际上重质油催化裂化使用流态化技术的工业装置投产于1942年，我国自主开发的第一套流化床催化裂化工业装置于1965年建成投产，缩短了我国与发达国家在炼油领域内的差距，并对裂化催化剂及流化床装置系统进行了多次重大改进，发表了多部有关的专著，我国流化床催化工业反应器已广泛应用于丙烯腈等有机合成中强放热反应而要求温度范围较窄的过程。在能源工业方面，我国正在发展超高压循环流化床电站锅炉。化学工业出版社第一节固体流态化的基本特征及工业应用一、聚式流态化与散式流态化使用不同的流体介质，固体流态化可分为散式流态化（particulatefluidization），聚式流态化（aggregativefluidization）和气-液-固三相流态化（three-phasefluidization）。8-1流态化现象化学工业出版社理想流态化是固体颗粒之间的距离随着流体流速增加而均匀地增加，颗粒均匀地悬浮在流体中，所有的流体都流经同样厚度的颗粒床层，保证了全床中的传质、传热和固体的停留时间都均匀，对化学反应和物理操作都十分有利。理想流态化的流化质量（fluidizationquality）是最高的。在实际的流化床中，会出现颗粒及流体在床层中的非均匀分布，越不均匀，流化质量越差。液体作流化介质时，液体与颗粒间的密度差较小，在很大的液速操作范围内，颗粒都会较均匀地分布在床层中，比较接近理想流态化，称为散式流态化。化学工业出版社气体作流化介质时，会出现两种情况：对于较大和较重的颗粒如B类和D类颗粒，当表观气速ug超过临界流化或起始流化速度umf，多余的气体并不进入颗粒群去增加颗粒间的距离，而形成气泡通过床层称为鼓泡流化床，此时为聚式流态化。对于较小和较轻的A类颗粒，当表观气速ug刚超过临界流化速度的一段操作范围内，多余的气体仍进入颗粒群使之均匀膨胀而形成散式流态化，但进一步提高表观气速将生成气泡而形成聚式流态化，这种情况下产生气泡的相应表观气速称为起始鼓泡速度或最小鼓泡速度umb。化学工业出版社决定散式或聚式流态化的主要因素是固体与流体之间的密度差，其次是颗粒尺寸。当用水流化密度很大的铅颗粒，液-固流化床中也有大液泡形成聚式流化行为。当用1.5～2.0MPa压力下密度增大的空气流化260的砂子，出现了散式流态化现象。处于散式流态化的液-固流化床为均匀的理想流态化状态。m化学工业出版社聚式流化床中存在明显的两相：气体中夹带少量颗粒的气泡相（bubblephase）或稀相（leanphase）；颗粒与颗粒间气体所组成的颗粒相（particulatephase）或密相（densephase），又称乳相（emulsionphase）。在低气速流化床中，乳相为连续相而气泡相为非连续相。化学工业出版社二、颗粒的分类颗粒的密度及粒度对流化特性有显著影响。Geldart提出：对于气-固流态化，根据不同的颗粒密度和粒度，颗粒可以分为A、B、C、D4类。A类颗粒称为细颗粒，一般粒度较小（30~100）并且颗粒密度较小（）。A类颗粒形成鼓泡床后，密相中空隙率明显大于临界流化空隙率，密相中气、固返混较严重，气泡相与密相之间气体交换速度较高。随着颗粒粒度分布变宽或平均粒度降低，气泡尺寸随之减小。催化裂化催化剂是典型的A类颗粒。31400/pkgmmmf化学工业出版社B类颗粒称为粗颗粒，一般粒度较大（100～600）并且颗粒密度较大（）。其起始鼓泡速度umb与umf临界流化速度相等，密相的空隙率基本等于临界流化空隙率，且密相中气、固返混较小，气泡相与密相之间气体交换速度较低，气泡尺寸几乎与颗粒粒度分布宽窄和平均粒度大小无关。砂粒是典型的B类颗粒。31400~4000/pkgmm化学工业出版社C类颗粒属黏性颗粒或超细颗粒，一般平均粒度在20以下，由于颗粒小，颗粒间易团聚，极易产生沟流。D类颗粒属于过粗颗粒，流化时易产生大气泡和节涌，操作难以稳定，适用于喷动床操作，玉米、小麦颗粒属这类颗粒。m化学工业出版社流化床反应器的流型、流型转变及基本特征随着表观气速从零开始逐步提高，固体颗粒床层由固定床开始发生一系列的流型转变，如下图所示。图8-1气-固流态化中各种流体力学流型的特征示意化学工业出版社一、低气速气-固流态化中的流型当表观气速ug低于临界流化速度umf，床层压降非常稳定，压降随ug的增加而增加。当ug提高至umf时气体对颗粒的曳力刚好平衡床层颗粒的重力，床层开始流化；当ug高于umf时，床层压降不再变化。前已述及，对于颗粒及密度均较小的A类颗粒，超过umf再提高ug即导致床层发生均匀膨胀，气体通过比固定床空隙率增大的颗粒间隙，但并无气泡产生，床层均匀膨胀，压降波动较小，即散式流态化。1.散式流态化化学工业出版社聚式流态化当ug进一步提高到起始鼓泡速度umb时，床层从底部出现鼓泡，压降波动明显增加。对于粒径及密度均较大的B类颗粒，床层并不经历散式流态化阶段，umf即umb，产生的气泡数量不断增加，并且气泡在上升过程中相互聚并，尺寸不断长大，直至达到床层表面并开始破裂，颗粒的混合及床层压降波动非常剧烈。化学工业出版社气泡中所含颗粒约占颗粒总量的百分之二到百分之四，气泡周围的密相或乳相中颗粒浓度很高。气泡的运动速度随气泡的大小而变，在上升途中，小气泡频繁地聚并而长大，过大而失稳时气泡则破裂。化学工业出版社气泡上升的同时又有颗粒在密相中向下流动以补充向上流动的气泡中带走颗粒所造成的空缺。另一方面，由于气泡在床层径向截面上不均匀分布，诱发了床内密相的局部以致整体的循环流动，气体的返混加剧。这种流型称为鼓泡流态化（bubblingfluidization），气-固接触效率和流化质量比散式流态化低得多。化学工业出版社气泡上升到床层表面时的破裂将部分颗粒弹出床面。在密相床上面形成一个含有少量颗粒的自由空域（freeboard）。一部分在自由空域内的颗粒在重力作用下返回密相床，而另一部分较细小的颗粒就被气流带走，只有通过旋风分离器的作用才能被捕集下来，经过料腿而返回密相床内。化学工业出版社节涌流化床对于高径比较大的实验室及中间试验的流化床，由于床层直径较小，当表观气速大到一定程度时，会由于气泡直径长大到接近床层直径而产生气栓（slug）。气栓像活塞一样向上升，而气栓上面颗粒层中的颗粒纷纷下落，气栓达到床层表面时即破裂。后续的气栓又不断地形成、上升直至破裂。床层压降出现剧烈但有规则的脉动。这种现象称为节涌流态化（sluggingfluidization）。节涌使颗粒夹带加剧，气、固接触效率和操作稳定性降低。在工业规模的大床中，节涌现象一般不致于产生。化学工业出版社湍动流态化随着表观气速进一步提高，鼓泡床中气泡的破裂逐渐超过起泡的聚并，导致床内的气泡尺寸变小，进入湍动流态化。这种小气泡通常称为气穴(void)，气穴与密相或乳相间的边界变得较为模糊，此时称为湍动流态化（turbulentfluidization）。在鼓泡流化床中，增加表观气速，床层压力波动幅度增大，到某一表观气速时，压力波动的幅度达极大值，此时的表观气速称为起始湍动流化速度Uc。化学工业出版社湍动流态化与鼓泡流态化有许多显著的不同：气穴不像鼓泡床中的气泡有明显的上升轨迹可循，在不断的破裂和聚并过程中以无规律的形式上升，气穴的尺寸小使其上升速度减慢，增加了床层的膨胀。气穴的运动膨胀，使湍动流化床中气、固接触加强，气体短路减少。因此湍动床（简称TFB）内，气、固相间交换系数和传热、传质效率比鼓泡床高。总体来讲，压力波动幅度小于鼓泡流化床，操作较平稳。气速的提高导致床层上部的稀相自由空域中有大量颗粒存在，其中的反应不可忽视，并使床界面比鼓泡床模糊得多。湍动流化床内固体返混程度大于鼓泡流化床，而气体返混则小于鼓泡流化床。化学工业出版社工业流化催化反应器已从二十世纪五、六十年代的鼓泡床为主过渡到以湍动流化床为主，利用湍流流化床气、固接触良好，传热、传质效率高和气体短路极少的优点。鼓泡床和湍动床都属于低气速的密相流化床，压力升高会使鼓泡床和湍动床中气泡尺寸变小。化学工业出版社二、高气速气-固流态化中的流型在湍动流态化下继续提高气速，床层表面变得更加模糊，颗粒夹带速率随之增加，颗粒不断地被气流夹带离开密相床层。当气速增大到向快速流态化转变的速度时，颗粒夹带明显提高，在没有颗粒补充的情况下，床层颗粒将很快被吹空。如果有新的颗粒不断补充进入床层底部，或通过气-固分离设备及下行管回收带出的颗粒，操作可以不断维持下去，此时的流化状态称为快速流态化（fastfluidization），相应的流化床称为循环流化床（circulatingfluidizationbed，简称CFB），或称为快床。化学工业出版社图8-2常见的几种气-固并流上行循环流化床系统化学工业出版社流化气体从提升管底部引入，携带由伴床（慢床）来的颗粒向上流动。提升管顶部装有气-固分离装置，如旋风分离器，颗粒分离后，返回伴床并向下流动，通过颗粒循环控制装置后，再进入提升管。在气-固并流上行快速流化床中，提升管主要用作反应器，而伴床可用作调节颗粒流率的贮存设备、热交换器或催化剂再生器，或单纯作为颗粒循环系统的立管（standpipe）。还需从伴床底部充入少量气体，作为松动气，以保持颗粒在伴床中的流动性。化学工业出版社目前工业用循环流化床主要可分为气-固催化反应器及气-固反应器两类。典型例子有流化催化裂化（fluidcatalyticcracking，简称FCC）反应器和循环流化床燃烧反应器（circulatingfluidizedcombustion，简称CFBC），特征见下表。化学工业出版社典型的循环流化床特征操作条件FCCCFBC颗粒特征ρp=1100~1700kg/m3dp=40~80μmρp=1800~2600kg/m3dp=100~300μm提升管表观气速，m/s6~285~9提升管颗粒循环速，kg/(m2s)400~120010~100提升管表观颗粒浓度，kg/