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顆粒層時(shí)，顆粒靜止不動，流體只從顆粒之間的空隙通過。因此，隨著流速的增加，流體通過床層的壓降也相應(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，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”，沒有穩(wěn)定的上界，而是以某種頻率上下波動，相應(yīng)的壓降隨之波動，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，直到顆粒松動剛好能懸浮起來時(shí)，AP才會從“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床層是形成短路。在△p-u圖上表現(xiàn)為△p在降低。

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

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，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、鈮等操作過程，就是利用了流化床的這一特點(diǎn)。美國在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年在德國工業(yè)化的煤氣化溫克勒爐。1942年在美國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。國內(nèi)開發(fā)防爆安全型流化床設(shè)備僅有極少廠商制造過，隨著國內(nèi)GMP的深入實(shí)施和新的劑型工藝出現(xiàn)，將會涉及更多有機(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題，故防爆安全型流化床設(shè)備的開發(fā)具有很大的市場潛力。

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)展將帶動新劑型和新工藝的變革。目前，新劑型開發(fā)是發(fā)展中國家制藥工業(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。同樣對于超粗顆粒，由于是在乳相氣速超過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。對于快速流態(tài)化理論的研究是國內(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。