循环流化床气体分布器研究进展

吕萌+徐丰+李杰+黄祺

摘 要 本文论述了循环流化床中不同气体分布器的结构特点，并就不同分布器的研究内容和研究方向进行了归纳。在此基础上，对循环流化床中气体分布器的未来发展方向进行了展望。

关键词 气体分布器；多孔板；流化床；研究进展

中图分类号 TQ05 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）07-0023-02

循环流化床反应器因其独特的优点广泛的应用于石油化工、生物、冶金、能源、环保等工业领域[ 1 ]。国内外学者对其内部流动特性以及传热性能进行研究时，普遍所认定的前提是进入床层内的气流分布是均匀的，然而实际上气体分布的均匀性是受到气体分布器阻力降的影响的。

1 多孔板型分布器

结构如图1所示。图1（a）为单层多孔板分布器，结构形式最简单，易于加工制作，成本低，但是其最大的问题在于，由于某种原因使得床层停止操作时，颗粒失去浮力和曳力作用，转而向着底部分布器运动，并经过小孔落入预分布器或者风箱中。图1（b）为组合型式多孔板分布器，上下多孔板的孔眼不重合，可采用不同开孔率的孔板。此形式的分布器，增大了气体阻力降，增强了气流湍动性，使气体分布更加均匀、稳定，同时也解决了漏料问题；缺点是板间会停留部分颗粒，不适合粘度大的颗粒流化。

多孔板气体分布器研究的主要内容包含板压降、死区形成、分布板上粒子运动轨迹等。何经旺[3]通过增大组合型分布板的前两层开孔率，在满足生产要求的条件下，减小了板的阻力降从而提高了生产的经济效益；王樟茂[4]等发现开孔率减小、板厚增加，床层流化均匀稳定性变好，更有利于相间传质；姚礼炳[5]、Horio[6]等发现死区高度随气速增加和锐孔间距减小而降低，多孔板上安装网状气流再分布器可消除死区；Chyang[7]提出了最小均匀流化气速Urmuf，床层流化速度大于此值时，不同位置测点的分布板压降和空床时压降协调一致。

2 多管式分布器

多管式分布器结构如图2，分布器由主管、支管和喷射管组成，工作时，气体通过开孔的支管流进床层中，对颗粒进行流化。多管式分布器的优点：1）和板式分布器相比，漏料少、压降低；2）支管开孔角度不同，流体可以从不同的方向进入床层中；3）高温床层中，没有热膨胀问题，机械强度高。

缺点有：1）分布器下部易出现死区；2）结构较复杂，制作难；3）高温床中冷却困难，导致机械强度大大降低；4）物料易通过孔口漏入管中，对孔壁造成磨损，一般在孔外加一直径Ds短管。

金涌[ 8 ]等将分布器控制区划分为间歇混合区、初始气泡聚并区、粒子滑动区和粒子沉积区，并发现管间距、管口至床底盖高度、管嘴直径和气流流量对死区高度有着明显的影响。Yan[ 9 ]等发现不同结构分布器对反应器底部结构的固含率和流动特性影响较大，多孔管式分布器较多孔板分布器能够获得更均匀的固相浓度和气固相速度分布。

3 风帽型分布器

风帽型分布器，由进气管和风帽组成，其结构形式如图3。在分布板上安装有垂直通气管，管的上方设有风帽，风帽主要有两种作用，防止颗粒落入通气管和风帽开孔控制喷出气体的方向。优点有漏料少、阻力降低、流体可以从不同方向喷入床层、机械强度好、可使用耐火材料。它的主要缺点是加工費用过高，管内颗粒难以清理，需要额外密封件等问题[ 2 ]，造成使用受到限制。

风帽型分布板的设计主要考虑阻力降、风帽立管直径、风帽个数和帽间距等[10]。风帽型分布板流化床中，随着床层高度增加，床层截面上气流速度曲线趋于平缓；分布板控制区，在径向位置上，呈现倒“W”型分布[11-12]。

4 其他类型的分布器

4.1 环形气体分布器

环形气体分布器分单切向环流和双切向环流气体分布器。气体进入分布器后，经导流筒向两边运动，同时气体不断随导流叶片折流而上。该分布器具有阻力降低、结构简单、耗材少等优点，最大的缺点是器壁区域气量少，分布器中心区域气量较多，造成气流分布不均。

4.2 密孔板气体分布器

密孔板气体分布器通常采用粉末冶金压制和微孔陶瓷烧纸而成，该分布器产生的气体分布均匀、流化质量高、气泡粒径小，一般用于实验研究和小型流化床装置中。缺点是只需少量固体颗粒就能堵塞分布器微孔，导致分布器阻力降大大增加，增加能耗。在工业中很少应用。

4.3 栅条形气体分布器

栅条形气体分布器由条板组成，流体从板间的缝隙流出，条板可以是直形也可以是环形[ 2 ]。改分布器的优点是结构简单，制造方面，采用厚栅条时机械强度高，可用于气固混合同时进入床层的情况。其缺点在于制作过程中很难保证栅条间缝隙均匀一种，从而影响气流的均匀性，特别是用在高温操作条件下时，热变形的栅条会影响气流的分布。

5 结论

循环流化床应用范围广，其内部气相初始分布状态受到气体分布器的极大影响作用，然而国内外对分布器的研究仍然较浅。不同操作条件、操作环境和流化材料不同时，需要选择合适的气体分布器，来满足腐蚀、强度、流化气流特性等要求。本文综述了不同类型气体分布器的特点和相关研究内容和方向，希望对科研工作者后续研究工作提供帮助。

参考文献

[1]刘尚，房德仁，任万忠，等.循环流化床研究进展[J].山东化工，2015，44（23）：38-45.

[2]郭慕孙.流态化手册[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3]何经旺.流化床反应器气体分布板的技术改造[J].维纶通讯，1991（3）：20-28.

[4]王樟茂，张年英，吕德伟，等.流化床组合型多孔气体分布板的研究[J].石油化工，1986（7）：9-15.

[5]姚礼炳.流化床中气体分布器上死区的实验研究[J].化工与医药工程，1983（1）：15-17.

[6]Horio M，Kiyota H，Muchi I.Particle movement on a perforated plate distributor of fluidized bed[J]. Journal of Chemical Engineering of Japan， 1980，13（2）：137-142.

[7]Chyang C S，Huang C C.Pressure drop across a perforated-plate distributor in a gas-fluidized bed[J].Journal of Chemical Engineering of Japan，1991，24（2）：249-252.

[8]金涌，夏光.流化床管式分布器的研究[J].過程工程学报，1982（3）：67-72.

[9]Yan A，Huang W，Zhu J.The influence of distributor structure on the solids distribution and flow development in circulating fluidized beds[J]. Canadian Journal of Chemical Engineering，2008，86（6）：1023-1031.

[10]李家林，陈雯，刘小银，等.基于CFD软件Fluent的沸腾炉分布板的设计[J].矿冶工程，2013，33（s1）.

[11]马恩祥，钱占民，蔡志鹏，等.流态化床分布板的湍流流场测量[J].过程工程学报，1980（4）：97-104.

[12]巫春连，魏耀东，蔡连波，等.气液鼓泡床泡罩式气体分布器流场的CFD模拟[J].化工机械，2013，40（3）：340-346.