固体流化床的工业应用与发展前景

王玉芝

【摘要】本论文从流态化的基本概念出发，介绍了固体流态化的操作范围、优缺点、在工业上的应用及其发展前景，以便读者对流态化有一个初步了解。此后，又介绍了流态化实验设备的设计过程。

【关键词】流态化 临界流化速度 性能曲线 流化床实验装置

1.概述

1.1 流化床的基本性质

1.1.1 理想流化床

在固体床阶段，流体以较低的速度流过颗粒层时，颗粒静止不动，流体只从颗粒之间的空隙通过。因此，随着流速的增加，流体通过床层的压降也相应增加，几乎呈线性关系。

在流化床阶段，整个床层压降保持不变，其值等于单位面积上床层的净重，固体颗粒不再有分布板支持，而是全部由流体的浮力所承托。图中umf是临界流化速度，超过临界点，虽然床层压降不再变化，但是随着流速的增大，整个床层向上膨胀，空隙率增加。

当流速继续增加，床层的上界就会消失，进入了输送床阶段。此时，压降将呈现出降低和波动，影响因素复杂。

1.1.2 实际流化床

实际流化床有两种清况：一种是床层均匀的膨胀，颗粒似乎具有一定的平均自由行程并有一稳定的上界面即“散式流化，，它与理想情况比较接近;一种是“聚式流化”，没有稳定的上界，而是以某种频率上下波动，相应的压降随之波动，它与理想情况有着明显的区别。

第一，在固定床区域与流化床区域有个“驼峰”。这是因为固定床之间相互靠紧，需要较大的推力才能使床层松动，直到颗粒松动刚好能悬浮起来时，AP才会从“驼峰”降到水平位置。此后，压降基本上不随流量而变。如果最初的床层越紧密，则“驼峰”就越陡[3]。

第二，在流化床区域的曲线是略有向上倾斜的，这说明床层压降基本上等于单位面积的床层重量，向上倾斜是由于很少部分能量消耗于颗粒之间的碰撞和摩擦以及对器壁的摩擦。

1.1.3 流化床的其他性质

具有类似与液体的特点：流动性。

具有返混现象：返混现象使流态化技术广泛应用于各种反应器：一方面它使床层温度分布均匀，避免了反应器中的“热点”现象，有利于恒定温度进行的化学反应;另一方面，对于催化反应，可提高与催化剂的接触效果，但不利于提高转化率。

具有不正常流化现象：

（1）沟流现象其特征是气体通过床层是形成短路。在△p-u图上表现为△p在降低。

（2朔鸯涌现象其特征是床层被气体分割成几段，床层波动非常严重。在△p-u图上表现为△p在理论值附近大幅度波动。

1.2 流态化技术的优缺点

流态化技术的特性，即有其有利的一面，又有其不利的一面，与固定床相比，它的优点为：（1）有利于温度控制。（2）-h利于实现连续性操作。（3）热传递。（4）宜于大规模的生产。

流化床也有下列缺点：流体返混使化学反应的转化率降低，增加了副反应发生的机会，同时也导致颗粒在反应器中的停留时间不均匀。

（2）固体颗粒磨损较大，损耗多;管路和容器的磨损严重。

2.固休流态化的工业应用及发展前景

2.1 流态化的工业应用

现在流态化技术已在化工、炼油、动力、冶金、能源、轻工、环保、核工业中得到广泛应用。在能源领域中，煤的燃烧和转化工艺与流态化技术密切相关，流态化燃煤技术不仅为低热值燃料和劣质煤的燃烧技术提供了最理想的操作方式，而且循环流化燃煤技术也是低污染、高效率燃煤最有效的途徑之一。在石油化工领域，橡胶、塑料、纤维的合成成了石油化工发展的标志，而这些高聚物单体的合成与流化技术紧密相联。在有色金属的冶炼工业中，流态化技术也起了重要的作用，我国金属矿产资源多是共生矿或是贫矿，进行复杂的矿石富集和筛选，需要应用流态化技术。在原子能工程上，由于流化床传热性能良好，所以特别适宜处理一些高温放热反应，从废核燃料回收铀、铌等操作过程，就是利用了流化床的这一特点。美国在1966年就进行了中间工厂规模的试验，当时是把铀转化为挥发性的氯化物，然后分离回收，在此过程就是采用了流态化技术。在环保工程中。流态化技术主要应用于三废处理。如利用液一固流化床流态化电解用于回收废水中的微量金属元素;气一固流化床利用颗粒的叼到时作用处理各种废气。

2.2 流态化技术的进展。流态化技术作为一门基础技术，在化工、石油、冶金、能源、原子能、材料、轻工、机械和环保等领域有着广泛的应用，因此它的发展有着十分诱人的前景。流态化技术在工业上的应用，首推1926年在德国工业化的煤气化温克勒炉。1942年在美国建成第一套石油馏分流化床催化裂化反应装置，这是流态化技术应用的巨大成功。

2.2.1 防爆安全方面的前景。国内开发防爆安全型流化床设备仅有极少厂商制造过，随着国内GMP的深入实施和新的剂型工艺出现，将会涉及更多有机溶煤，易燃易爆物料在流化床设备的应用，它不仅涉及到自身物料的防爆性，而且涉及到静电和粉尘爆炸问题，故防爆安全型流化床设备的开发具有很大的市场潜力。

2.2.2 合作开发的前景。任何设备的形成依赖于工艺小试的技术，而新设备的发展将带动新剂型和新工艺的变革。目前，新剂型开发是发展中国家制药工业所普遍采用的途径，其中缓控释微丸的开发及工业化应用，必须是制药厂与药机企业有机结合，做到两者的结合、工艺设备互补以及技术共享，这样具有良好前景。

2.2.3 传统流态化工程的新课题。随着流态化技术的工业应用拓宽，可供流化床使用的颗粒尺寸小至微米，大到几十毫米，如何使宽颗粒分布的流化床正常操作，有待进一步的开发。如何减小颗粒之间分子作用力的影响，使一个超细颗粒层处于良好的流化状态，是很使人感兴趣的课题。同样对于超粗颗粒，由于是在乳相气速超过气泡上升速度下操作，气泡仅作为一个床层空穴存在，气流穿过空穴，是气泡失去经典鼓泡床的含义。

2.2.4 快速流态化。对于快速流态化理论的研究是国内外气固非均相化学反应的热点，与传统流态化操作相比，快速流态化具有以下优点：

（1）床层密度虽比传统密相流化床小，但比输送床大，气体返混小，易建立温度及浓度梯度，无气泡存在，提高了两相接触效率。

（2）具有几乎瞬间可将冷物料加热到床层温度的能力，有利于化学反应的控制，适用于在反应过程中因催化剂失活而需要经常再生或用颗粒将大量热补人或取出的操作。

（3）床内气固停留时间短，停留时间分布窄，适用于快速加工工艺。