固體流化床的工業(yè)應(yīng)用與發(fā)展前景

王玉芝

【摘要】本論文從流態(tài)化的基本概念出發(fā)，介紹了固體流態(tài)化的操作范圍、優(yōu)缺點(diǎn)、在工業(yè)上的應(yīng)用及其發(fā)展前景，以便讀者對(duì)流態(tài)化有一個(gè)初步了解。此后，又介紹了流態(tài)化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】流態(tài)化 臨界流化速度 性能曲線 流化床實(shí)驗(yàn)裝置

1.概述

1.1 流化床的基本性質(zhì)

1.1.1 理想流化床

在固體床階段，流體以較低的速度流過(guò)顆粒層時(shí)，顆粒靜止不動(dòng)，流體只從顆粒之間的空隙通過(guò)。因此，隨著流速的增加，流體通過(guò)床層的壓降也相應(yīng)增加，幾乎呈線性關(guān)系。

在流化床階段，整個(gè)床層壓降保持不變，其值等于單位面積上床層的凈重，固體顆粒不再有分布板支持，而是全部由流體的浮力所承托。圖中umf是臨界流化速度，超過(guò)臨界點(diǎn)，雖然床層壓降不再變化，但是隨著流速的增大，整個(gè)床層向上膨脹，空隙率增加。

當(dāng)流速繼續(xù)增加，床層的上界就會(huì)消失，進(jìn)入了輸送床階段。此時(shí)，壓降將呈現(xiàn)出降低和波動(dòng)，影響因素復(fù)雜。

1.1.2 實(shí)際流化床

實(shí)際流化床有兩種清況：一種是床層均勻的膨脹，顆粒似乎具有一定的平均自由行程并有一穩(wěn)定的上界面即“散式流化，，它與理想情況比較接近;一種是“聚式流化”，沒(méi)有穩(wěn)定的上界，而是以某種頻率上下波動(dòng)，相應(yīng)的壓降隨之波動(dòng)，它與理想情況有著明顯的區(qū)別。

第一，在固定床區(qū)域與流化床區(qū)域有個(gè)“駝峰”。這是因?yàn)楣潭ù仓g相互靠緊，需要較大的推力才能使床層松動(dòng)，直到顆粒松動(dòng)剛好能懸浮起來(lái)時(shí)，AP才會(huì)從“駝峰”降到水平位置。此后，壓降基本上不隨流量而變。如果最初的床層越緊密，則“駝峰”就越陡[3]。

第二，在流化床區(qū)域的曲線是略有向上傾斜的，這說(shuō)明床層壓降基本上等于單位面積的床層重量，向上傾斜是由于很少部分能量消耗于顆粒之間的碰撞和摩擦以及對(duì)器壁的摩擦。

1.1.3 流化床的其他性質(zhì)

具有類似與液體的特點(diǎn)：流動(dòng)性。

具有返混現(xiàn)象：返混現(xiàn)象使流態(tài)化技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種反應(yīng)器：一方面它使床層溫度分布均勻，避免了反應(yīng)器中的“熱點(diǎn)”現(xiàn)象，有利于恒定溫度進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng);另一方面，對(duì)于催化反應(yīng)，可提高與催化劑的接觸效果，但不利于提高轉(zhuǎn)化率。

具有不正常流化現(xiàn)象：

（1）溝流現(xiàn)象其特征是氣體通過(guò)床層是形成短路。在△p-u圖上表現(xiàn)為△p在降低。

（2朔鴦?dòng)楷F(xiàn)象其特征是床層被氣體分割成幾段，床層波動(dòng)非常嚴(yán)重。在△p-u圖上表現(xiàn)為△p在理論值附近大幅度波動(dòng)。

1.2 流態(tài)化技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

流態(tài)化技術(shù)的特性，即有其有利的一面，又有其不利的一面，與固定床相比，它的優(yōu)點(diǎn)為：（1）有利于溫度控制。（2）-h利于實(shí)現(xiàn)連續(xù)性操作。（3）熱傳遞。（4）宜于大規(guī)模的生產(chǎn)。

流化床也有下列缺點(diǎn)：流體返混使化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率降低，增加了副反應(yīng)發(fā)生的機(jī)會(huì)，同時(shí)也導(dǎo)致顆粒在反應(yīng)器中的停留時(shí)間不均勻。

（2）固體顆粒磨損較大，損耗多;管路和容器的磨損嚴(yán)重。

2.固休流態(tài)化的工業(yè)應(yīng)用及發(fā)展前景

2.1 流態(tài)化的工業(yè)應(yīng)用

現(xiàn)在流態(tài)化技術(shù)已在化工、煉油、動(dòng)力、冶金、能源、輕工、環(huán)保、核工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在能源領(lǐng)域中，煤的燃燒和轉(zhuǎn)化工藝與流態(tài)化技術(shù)密切相關(guān)，流態(tài)化燃煤技術(shù)不僅為低熱值燃料和劣質(zhì)煤的燃燒技術(shù)提供了最理想的操作方式，而且循環(huán)流化燃煤技術(shù)也是低污染、高效率燃煤最有效的途徑之一。在石油化工領(lǐng)域，橡膠、塑料、纖維的合成成了石油化工發(fā)展的標(biāo)志，而這些高聚物單體的合成與流化技術(shù)緊密相聯(lián)。在有色金屬的冶煉工業(yè)中，流態(tài)化技術(shù)也起了重要的作用，我國(guó)金屬礦產(chǎn)資源多是共生礦或是貧礦，進(jìn)行復(fù)雜的礦石富集和篩選，需要應(yīng)用流態(tài)化技術(shù)。在原子能工程上，由于流化床傳熱性能良好，所以特別適宜處理一些高溫放熱反應(yīng)，從廢核燃料回收鈾、鈮等操作過(guò)程，就是利用了流化床的這一特點(diǎn)。美國(guó)在1966年就進(jìn)行了中間工廠規(guī)模的試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)是把鈾轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性的氯化物，然后分離回收，在此過(guò)程就是采用了流態(tài)化技術(shù)。在環(huán)保工程中。流態(tài)化技術(shù)主要應(yīng)用于三廢處理。如利用液一固流化床流態(tài)化電解用于回收廢水中的微量金屬元素;氣一固流化床利用顆粒的叼到時(shí)作用處理各種廢氣。

2.2 流態(tài)化技術(shù)的進(jìn)展。流態(tài)化技術(shù)作為一門基礎(chǔ)技術(shù)，在化工、石油、冶金、能源、原子能、材料、輕工、機(jī)械和環(huán)保等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，因此它的發(fā)展有著十分誘人的前景。流態(tài)化技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用，首推1926年在德國(guó)工業(yè)化的煤氣化溫克勒爐。1942年在美國(guó)建成第一套石油餾分流化床催化裂化反應(yīng)裝置，這是流態(tài)化技術(shù)應(yīng)用的巨大成功。

2.2.1 防爆安全方面的前景。國(guó)內(nèi)開發(fā)防爆安全型流化床設(shè)備僅有極少?gòu)S商制造過(guò)，隨著國(guó)內(nèi)GMP的深入實(shí)施和新的劑型工藝出現(xiàn)，將會(huì)涉及更多有機(jī)溶煤，易燃易爆物料在流化床設(shè)備的應(yīng)用，它不僅涉及到自身物料的防爆性，而且涉及到靜電和粉塵爆炸問(wèn)題，故防爆安全型流化床設(shè)備的開發(fā)具有很大的市場(chǎng)潛力。

2.2.2 合作開發(fā)的前景。任何設(shè)備的形成依賴于工藝小試的技術(shù)，而新設(shè)備的發(fā)展將帶動(dòng)新劑型和新工藝的變革。目前，新劑型開發(fā)是發(fā)展中國(guó)家制藥工業(yè)所普遍采用的途徑，其中緩控釋微丸的開發(fā)及工業(yè)化應(yīng)用，必須是制藥廠與藥機(jī)企業(yè)有機(jī)結(jié)合，做到兩者的結(jié)合、工藝設(shè)備互補(bǔ)以及技術(shù)共享，這樣具有良好前景。

2.2.3 傳統(tǒng)流態(tài)化工程的新課題。隨著流態(tài)化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用拓寬，可供流化床使用的顆粒尺寸小至微米，大到幾十毫米，如何使寬顆粒分布的流化床正常操作，有待進(jìn)一步的開發(fā)。如何減小顆粒之間分子作用力的影響，使一個(gè)超細(xì)顆粒層處于良好的流化狀態(tài)，是很使人感興趣的課題。同樣對(duì)于超粗顆粒，由于是在乳相氣速超過(guò)氣泡上升速度下操作，氣泡僅作為一個(gè)床層空穴存在，氣流穿過(guò)空穴，是氣泡失去經(jīng)典鼓泡床的含義。

2.2.4 快速流態(tài)化。對(duì)于快速流態(tài)化理論的研究是國(guó)內(nèi)外氣固非均相化學(xué)反應(yīng)的熱點(diǎn)，與傳統(tǒng)流態(tài)化操作相比，快速流態(tài)化具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）床層密度雖比傳統(tǒng)密相流化床小，但比輸送床大，氣體返混小，易建立溫度及濃度梯度，無(wú)氣泡存在，提高了兩相接觸效率。

（2）具有幾乎瞬間可將冷物料加熱到床層溫度的能力，有利于化學(xué)反應(yīng)的控制，適用于在反應(yīng)過(guò)程中因催化劑失活而需要經(jīng)常再生或用顆粒將大量熱補(bǔ)人或取出的操作。

（3）床內(nèi)氣固停留時(shí)間短，停留時(shí)間分布窄，適用于快速加工工藝。