流化床反應器技術進展

1、流化床反應器技術進展楊超杰 Y45140195摘要：近代流態(tài)化技術的工業(yè)應用則以煤的氣化和石油的催化裂化為代表。當前流化床反應器的理論研究主要集中于流化床內(nèi)由不同尺度的顆粒、液滴、氣泡、聚團的時空不均勻分布所形成的不均勻結構的預測與優(yōu)化調(diào)控理論與方法的研究，不均勻結構與傳遞和反應的關系理論的研究以及流態(tài)化床的計算機模擬與放大研究。當前流化床反應器技術的工業(yè)應用范圍已涵蓋化工、冶金、能源、材料、制藥、食品、環(huán)境等領域。關鍵詞：流化床反應器 流態(tài)化 技術 應用Technical progress of fluidized-bed reactorAbstract: Coal gasification

2、 and catalytic cracking of petroleum are representatives of recent industrial applications of fluidization Current theoretical studies of fluidized bed reactor technologies are focused on quantitative prediction and optimum control，involving multiscale heterogeneous structures consisting of gas bubb

3、les，particle agglomerates，and liquid drops distributed in size and in concentration；modeling for predicting relationships between heterogeneous structure and transport of momentum，heat，mass，as well as chemical reactions；and computer simulation for the prediction and optimization of process operation

4、 and scaleup for fluidized bed reactor technologies in the process industries，such as chemicals，metallurgy，energy，new materials, pharmacy, foodstuff, and environment.Key words: Fluidized-bed reactor; fluidization; technologies; application 引 言流化床反應器是一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運動狀態(tài)1，并進行氣固相反應過程或液固相反應過

5、程的反應器。在用于氣固系統(tǒng)時，又稱沸騰床反應器。流化床反應器在現(xiàn)代工業(yè)中的早期應用為20世紀20年代出現(xiàn)的粉煤氣化的溫克勒爐2-4；但現(xiàn)代流化反應技術的開拓，是以40年代石油催化裂化為代表的5。目前，流化床反應器已在化工、石油、冶金、核工業(yè)等部門得到廣泛應用。流態(tài)化自1942年隨同催化裂化在工業(yè)上獲得巨大成功開始，便進入其他許多領域，如固體燃料的燃燒、煤的氣化與焦化及化工生產(chǎn)中的氣固相催化反應、物料干燥、加熱與冷卻、吸附和浸取、固體物料的輸送等領域6-7。1 流化床反應器基礎81.1流化床反應器的分類按流化床反應器的應用可分為兩類：一類的加工對象主要是固體,如礦石的焙燒,稱為固相加工過程；另一

6、類的加工對象主要是流體，如石油催化裂化、酶反應過程等催化反應過程，稱為流體相加工過程。1.2流化床反應器的結構流化床反應器的結構有兩種形式：有固體物料連續(xù)進料和出料裝置，用于固相加工過程或催化劑迅速失活的流體相加工過程。例如催化裂化過程，催化劑在幾分鐘內(nèi)即顯著失活，須用上述裝置不斷予以分離后進行再生。無固體物料連續(xù)進料和出料裝置，用于固體顆粒性狀在相當長時間（如半年或一年）內(nèi)，不發(fā)生明顯變化的反應過程9-10。1.3流化床反應器的優(yōu)點與固定床反應器相比，流化床反應器的優(yōu)點是：可以實現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；流體和顆粒的運動使床層具有良好的傳熱性能，床層內(nèi)部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于強

7、放熱反應；便于進行催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)操作，適于催化劑失活速率高的過程的進行，石油餾分催化流化床裂化的迅速發(fā)展就是這一方面的典型例子。然而，由于流態(tài)化技術的固有特性以及流化過程影響因素的多樣性，對于反應器來說，流化床又存在粉明顯的局限性：由于固體顆粒和氣泡在連續(xù)流動過程中的劇烈循環(huán)和攪動，無論氣相或固相都存在著相當廣的停留時間分布，導致不適當?shù)漠a(chǎn)品分布，陣低了目的產(chǎn)物的收率；反應物以氣泡形式通過床層，減少了氣-固相之間的接觸機會，降低了反應轉(zhuǎn)化率；由于固體催化劑在流動過程中的劇烈撞擊和摩擦，使催化劑加速粉化，加上床層頂部氣泡的爆裂和高速運動、大量細粒催化劑的帶出，造成明顯的催化劑流失；床層內(nèi)

8、的復雜流體力學、傳遞現(xiàn)象，使過程處于非定常條件下，難以揭示其統(tǒng)一的規(guī)律，也難以脫離經(jīng)驗放大、經(jīng)臉操作。2 流化床反應器技術應用進展2.1流態(tài)化反應器技術在催化裂化中的應用11流態(tài)化在石油催化裂化中的應用主要出于美國石油公司的科技開發(fā)工作。原油蒸餾能回收的汽油不到原油的20。20世紀初，法國工程師Houdry從多種催化劑中篩選出酸性白土用于石油的催化裂化，并用空氣燒掉在催化反應時在催化劑上沉積的焦炭，使之再生，重復使用。并于1936年在Paulsboro建造了工廠。1938年，八家公司(Jersey、Kellogg、IGFarben、Standard of Indiana、AngloIrania

9、n、Texas、UOP和Dutch/Shell)聯(lián)合，組織了Catalytic Research Associates(CRA)公司，匯集了近一千專業(yè)人員的隊伍，進行粉料流態(tài)化催化裂化工藝的試驗研究。第一個流態(tài)化催化裂化裝置其氣速不高，因此該裝置為鼓泡床操作。該廠于1942年投產(chǎn)，產(chǎn)量為13000bpd。隨后又有改進的SOD型、SOD型和SOD型。這些改進，在很大程度上基于降低高度、簡化催化劑輸送的原則，均屬于鼓泡流態(tài)化。我國于20世紀60年代初在撫順建立了第一套流態(tài)化催化裂化工廠，以后進展突出。流態(tài)化催化裂化代表了巨型流態(tài)化工藝和工程，許多采用流態(tài)化技術的其他工藝在很大程度上參考石油催化裂化

10、。20世紀60年代末、70年代初，催化劑改用了活性高很多的沸石，Kellog公司首先將再生后催化劑的提升管用作催化裂化反應器，將石油引入其下端，實現(xiàn)了提升和反應的一體化。提升管中的氣固流動屬不具氣泡的快速流態(tài)化。這種提升管催化裂化設計一直沿用至今，而且催化劑的再生也逐步采用了快速流態(tài)化。我國的洛陽石化公司在這方面開發(fā)了多種設計。2.2流化床反應器技術在制藥工程中的應用12流化床反應器技術可以在藥物制造過程中發(fā)揮巨大作用。流化床技術可以應用于浸膏干燥、制粒、包衣等。流化床噴霧包衣設備，國內(nèi)外已有許多廠家生產(chǎn)，如德國、瑞士等。應用流化床噴霧包衣裝置可以制作緩釋微丸等。中藥的提取過程是一個典型的流化

11、床工藝過程。無論是傳統(tǒng)的多功能提取過程還是現(xiàn)代提取新技術過程，為了強化和完善這些過程的技術及裝置，需要從流態(tài)化和傳遞角度，運用相關的理論進行分析和研究。例如，對于液一固冷浸工藝，為了加快提取速度，縮短提取時間，可以通過適當減小中藥飲片的粒度，或者使顆粒與提取溶媒之間形成相對運動，強化液固提取傳質(zhì)過程，使在飲片中的有效成份快速溶出等。許多中藥制劑過程涉及流化床反應器技術科學問題。流化床噴霧制粒工藝流程圖在中藥和天然藥物的細胞、組織等培養(yǎng)過程中，應用的生物反應器，多是液一固兩相或氣一液一固三相流化床裝置。藥物制造過程產(chǎn)生的三廢治理和資源化過程，例如，制藥廢水處理過程，同樣會涉及到顆粒流態(tài)化技術及理

12、論。藥物的超微粉碎過程以及其它各種和顆粒有關的制劑過程，都有可能涉及到顆粒流態(tài)化問題。2.3流化床反應器技在術固相加工過程中的應用13德國的Reh先后開發(fā)了將氫氧化鋁煅燒成氧化鋁的循環(huán)流態(tài)化工藝；煅燒水泥上游的循環(huán)床預分解工藝；用于加熱融鹽的循環(huán)流態(tài)化燃燒；電解鋁工藝中的循環(huán)流態(tài)化除氟等。我國的郭慕孫成功地將流態(tài)化技術應用于貧鐵礦的磁化焙燒，在流態(tài)化焙燒爐中將三氧化二鐵焙燒成磁性的四氧化三鐵，進一步經(jīng)磁選技術將貧鐵礦富集。我國的王尊孝心叼也成功地將流態(tài)化技術應用于萘氧化制苯酐。他提出“三高(高氣速、高床層、高萘氧比)一檔(多層橫向擋板)兩循環(huán)(顆粒的內(nèi)循環(huán)和外循環(huán))”的流化床設計與操作理念，大

13、大強化了流化床反應器的操作，生產(chǎn)能力大幅度提高。2.4流化床技術在廢氣處理中的應用14流化床作為一種良好的反應器類型，可實現(xiàn)光對催化劑顆粒的連續(xù)照射，通過調(diào)節(jié)床層的膨脹率即可提高光的透射率。流化床具有傳熱、傳質(zhì)效率高和易實現(xiàn)連續(xù)化大規(guī)模操作等優(yōu)點，已引起人們的注意。Alexander等使用固定床和振動流化床對丙酮進行光催化降解研究，發(fā)現(xiàn)流化床可提高光催化劑的活性，而且降解效率高于固定床。流態(tài)化光催化技術也可用于處理含NOX的廢氣，處理效果也較為理想。TakHyoungLim等進行納米TiO2流態(tài)化光催化NOX的研究，結果表明，NOX的去除率與催化劑的比表面積成比例，催化劑的粒徑越小，NOX的去

14、除率越高。流化床吸附可實施連續(xù)操作，氣流速度比固定床快，床層溫度均勻，用活性碳作吸附劑時避免了活性碳著火現(xiàn)象，吸附劑出入解吸區(qū)很方便。同時，流化床操作可用較高的解吸溫度，能分離高沸點氣體。1959年，英國CourtauIds公司的粘膠纖維廠進行了流化床吸附器脫除廢氣中CS2的工業(yè)實踐。目前商業(yè)化流化床吸附系統(tǒng)有American Purification公司的Polyad等工藝。流化床吸附也是處理VOCs的重要手段，可將氣流中的污染物含量降至很低的濃度。流態(tài)化濕法脫硫是目前較為成熟的煙氣脫硫工藝，具有脫硫效率高、鈣利用率高等優(yōu)勢，使用最常見的石灰或石灰石作吸收劑。環(huán)流化床脫硫技術，煙氣循環(huán)流化床

15、脫硫工蘆已達到工業(yè)化應用的有循環(huán)流化床脫硫工藝(CFB)、回流式循環(huán)流化床脫硫工藝(RCFB)和氣體懸浮吸收煙氣脫硫工藝(GSA)。氣固流化床光催化降解甲苯工藝流程2.5流化床在石化工業(yè)中的應用15流化床首次大規(guī)模的在工業(yè)上的重要應用是由溫克勒用于粉煤氣化，此方法在1922年獲得專利。當時建成的第一臺煤氣發(fā)生爐，高13米，截面積12平方米，在1926年開始順利投入使用。此后在德國和日本建立成了一些類似的裝置。主要用以提供合成化學工業(yè)用的原料氣。一個典型的溫克勒煤氣發(fā)生爐的應用，表明其需要很大的空間，以便在床層上面注入二次氧氣由此造成溫度的升高，使產(chǎn)生的甲烷分解。石腦油汽相重整用的流化臨氫重整過

16、程。處理重油的流化焦化過程，以及熱解石油原料的砂子爐裂解過程。1944年DorrOliver Company得到了將埃索的流態(tài)化技術用于石油工業(yè)以外的領域的權力。他們集中進行非催化的氣同反應的研究，不久實現(xiàn)了用同體流化系統(tǒng)實現(xiàn)硫化物礦的焙燒。第一套這樣的裝置在1947年建于加拿大的安大略，進行砷黃鐵礦的焙燒，并同時得到適合用氰化法煉金的熔渣。1952年在柏林、新漢普希爾。多爾一奧列弗公司把這種型式的焙燒爐引用于由硫鐵礦制備二氧化硫的工業(yè)生產(chǎn)中。在1945年德國的巴登苯胺純堿工廠(BASF)根據(jù)由溫克勒煤氣發(fā)生所得到的經(jīng)驗，開始獨立的發(fā)展流化床焙燒爐。與此同時，13本住友化學工業(yè)公司獨立的發(fā)展了

17、一個與固體流化系統(tǒng)相類似的焙燒爐，早在1952年就發(fā)表了生產(chǎn)高濃度二氧化硫的數(shù)據(jù)，并在新居濱廠建成他們的第一套這種型式的裝置。從使用這種特殊的焙燒爐時起，硫酸工業(yè)和制備冶金工業(yè)所需的各種各樣固體物料中，逐漸代替了當時所用固定床焙燒爐和旋轉(zhuǎn)窯的工藝。多爾一奧列弗公司還另外開拓了流化床反應器應用在粉末物料干燥和石灰石煅燒這兩個重要應用領域。1948年在新英格蘭石灰公司的加拿安工廠，第一個用于對小于4目的白云石顆粒進行干燥和分選的固體流化裝置(內(nèi)徑1.7米)，處理量50噸/日，投入運轉(zhuǎn)。次年他們建成一個煅燒粉末石灰石的大型多段裝置從而降低了此過程中過高的燃料消耗。這些初始的成功引起對流態(tài)化的很大興趣

18、，并在文獻和專利中報道了許多新過程因為流態(tài)化對某些主要工業(yè)可能有潛在的影響，如生產(chǎn)水泥熟料的比塞爾法。從上世紀40年代中期開始，美國和加拿大等地出現(xiàn)了流態(tài)化焙燒裝置，用于黃鐵礦、石灰石等物料的焙燒或煅燒。這可以視為流化床燃燒技術的開始。2.6流化床技術在煤氣化工藝中的應用16粉煤流化床加壓氣化又稱之為沸騰床氣化，這是一種成熟的氣化工藝，在國外應用較多，該工藝可直接使用06mm碎煤作為原料，備煤工藝簡單，氣化劑同時作為流化介質(zhì)，爐內(nèi)氣化溫度均勻，典型的代表有德國溫克勒氣化技術，山西煤化所灰融聚氣化技術和恩德粉煤氣化技術?；胰劬哿骰补に囀遣捎孟鄬^散的碎煤，使用氧化劑或氣化劑，輔以與之相適應的氣

19、化速度，使碎煤達到沸騰狀態(tài)，從而使爐內(nèi)的氣體與固體相混合，在燃燒不充分的情況下加以高溫，進而使煤氣化的一種工藝。循環(huán)流化床工藝是一種比較年輕的工藝，進20年來才開始真正發(fā)展并應用到煤氣化工程中來，是一種相對比較清潔的工藝。2.7流化床技術在食品工業(yè)中的應用17流態(tài)化技術在食品工業(yè)的主要應用有流化速凍、流化干燥、流化造粒、流化吸附等。食品流態(tài)化速凍是指食品顆粒在一定流速的冷氣體自下而上的作用下保持流化狀態(tài)，繼而實現(xiàn)快速凍結的一種凍結方法，是目前在食品速凍領域中被廣泛采用的一種凍結方法。具有凍結速度快、凍結產(chǎn)品質(zhì)量好、能耗低、干耗少等優(yōu)點，是實現(xiàn)食品單體快速凍結的一種理想設備。流化床干燥器又稱沸騰

20、床干燥器，它可以使食品顆粒在氣流自下而上的作用下保持流化狀態(tài)，物料與氣體充分接觸，進行快速傳質(zhì)（水分傳遞）與傳熱，最終由氣體將水分帶出，進而實現(xiàn)干燥目的。流化床干燥裝置自20世紀40年代末開始應用，至今已發(fā)展了單層和多層圓筒型流化床、臥式多室流化床、振動攪拌流化床、離心式流化床、脈沖流化床、惰性粒子流化床等多種型式。流化床造粒是指使粉體物料在溶液的霧狀氣氛中保持流化狀態(tài)的同時，使溶液在顆粒表面凝集的過程，集成粒、混合、干燥等過程于一身，在食品領域（尤其速溶食品）已經(jīng)得到了廣泛應用。對于尺寸較小的顆粒狀物料，在蒸汽的驅(qū)動下保持流動狀態(tài)，并實施殺菌，將大幅度提高加熱的均勻度，避免過度加熱的缺點，實

21、現(xiàn)高效、快速的殺菌效果。流化床接觸吸附傳質(zhì)。床層中吸附劑在液流或者氣體的作用下保持流化狀態(tài)，提供了更好的相間接觸，強化了液體與固體顆粒之間的傳質(zhì)，減少了顆粒外表面的液膜厚度，從而降低了液膜傳質(zhì)阻力，進一步促進了傳質(zhì)。流化床接觸吸附干燥技術。在床層中添加一定量的易流化顆粒作為流化介質(zhì)，使整個床層能達到均勻流化，從而使被干燥物料在床層中熱質(zhì)傳遞更加均勻。此外，干燥狀態(tài)下的吸附劑與濕物料間存在水分濃度差，二者間發(fā)生質(zhì)量傳遞，吸附劑在吸附水分的同時，也會產(chǎn)生熱量，從而使物料在低溫、低濕度的條件下實現(xiàn)干燥。流化床吸附干燥原理3 結論流化床技術作為化學工程的一個分支學科已有60年的發(fā)展歷史。它已在煤的氣化

22、與燃燒、石油的催化裂化、礦物的加工、化學品的生產(chǎn)、材料的制備、生物質(zhì)的利用等許多過程工業(yè)中得到廣泛的應用。以氣泡、液滴、聚團尺寸的不均勻分布及其在空間的不均勻分布和隨時間的多變性為特征的流態(tài)化床結構的理論預測、優(yōu)化調(diào)控方法、流態(tài)化床結構與 “三傳一反”的關系理論研究、流化床中流動和 “三傳一反” 行為的計算機模擬與放大是當前的研究重點。目前中國工業(yè)正處于調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構，淘汰落后產(chǎn)能，實現(xiàn)節(jié)能減排與清潔生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型期。在許多工業(yè)流程中，用高效節(jié)能的流態(tài)化床反應器替代低效高能耗的回轉(zhuǎn)窯、固定床、移動床反應器正逢其時。References1 Wilhelm R H，Kwauk MFluidization

23、 of solid particlesJ ChemEngProg，1948，44(3)：2012182 Brown GUnit Operations，Chapter 20。Fluidization of Solids MHoboken：Wiley，1950：2692743金涌; 祝京旭; 汪展文; 俞芷青 流態(tài)化工程原理 2001 4 Richardson J F，Zaki W NSedimentation and fluidizationJTransInstnChemEngrs，1954，32；355 Kwauk MGeneralized fluidization(I)：Steady state motionJScientia Sinica，1963，12(4)：5876126Davidson J F，Harrison DFluidizationMWaltha