（化学工程与技术专业论文）新型气固流态化反应器结构研究.pdf

关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 皇：i 堕笠日期：加。1 年6 月f 7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：塑堕堑 指导教师签名：骂辜 稚 6 月j 7 日 l 窍门l z l 摘要 气固循环流化床在化工工业中得到了广泛应用，采用提升管作为反应器的催化裂化 更是在炼油工业中具有举足轻重的地位，反应器作为其中重要的影响因素，也日益受到 重视。提升管反应器在实际生产中存在着固含率较低、停留时间难以控制等缺点，难以 满足催化裂解生产低碳烯烃所需要的工艺条件，从而限制了提升管反应器更广泛的应 用。因此，需要开发新型结构的提升管，来满足催化裂解生产低碳烯烃工艺所要求的大 剂油比和合适停留时间等反应条件的要求。 本文在中国石油大学( 华东) 重质油国家重点实验室建设了内径为2 0 m m 的小型提 升管冷模装置，详细对比分析了变径结构提升管内轴向和径向多个高度截面上的局部固 含率和速度分布，深入研究了提升管几何结构对变径结构提升管内气固两相流体流动的 影响规律，并进一步探讨了变径结构提升管内结构参数对固含率的影响。 变径结构可以改善气固两相流动状态，降低两相流体相互发生分离的趋势，缓和颗 粒相向边壁聚集的趋势，有利于形成均匀的气固混合物。变径结构提升管的各结构参数 对气固两相流的流动形态产生不同的影响，主要体现在以下几个方面：随扩径段底部锥 角的增加，截面平均固含率提高，颗粒返混加剧，中心处的固含率有所下降，径向不均 匀性增强；随扩径段顶部锥角的增加，中心处的固含率基本不变，但是近边壁处颗粒与 锥角发生碰撞向下发生滑落，径向不均匀性增强；随扩径段长度的增加，扩径段的截面 平均固含率上升，颗粒返混程度增加，径向不均匀性有所减弱；随扩径段直径的增加， 扩径段的截面平均固含率上升，提升管截面中心处的固含率提高，边壁处的固体颗粒滑 落逐渐增强。与单一管径提升管相比较，1 2 m m 和2 0 m m 内径的变径结构提升管都可以 提高扩径段下部固含率1 倍以上。2 0 m m 内径变径提升管与采用结构相同的1 2 m m 变径 提升管相比，随管径的增加管中心处固含率会相应提高。利用实验数据对小型变径提升 管内部固含率分布与轴向截面位置的关系进行了关联，该式定量反映了气速、颗粒循环 速率、颗粒物性等因素对扩径段密相床固含率分布的影响，在不同气速和颗粒循环速率 下的固含率计算结果与实验值吻合较好，为变径结构小型提升管循环流化床反应器的设 计和应用提供了新的经验关联式。 相对于已有研究，小型提升管流态化装置具有固含率高、颗粒团聚普遍、边壁效应 严重、流动受摩擦影响大等特点，直接利用已有的数值模拟模型进行计算的结果与实验 值有较大的差距，因此需要依据实验结果对现有模型进行修正和完善。本文基于欧拉双 流体模型及颗粒动理学理论，通过调整模型参数设置，采用计算流体力学软件f l u e n t ， 利用三维气固两相流模型对提升管进行模拟，模拟结果与实验结果吻合较好，说明通过 调整拟合参数所得到的三维气固两相流模型具有良好的预测性和可靠性。 尽管变径结构提升管具有固含率高、气固混合物在缩径段停留时间短等特点，但是 固含率具有在扩径段中降低较快的趋势，使得很难在扩径段上部为组合进料提供较高的 固含率。本文提出了一种新的提升管反应器结构形式，在扩径段中部设置一个催化剂进 口，两个催化剂进口通过阀门分别加以控制。实验证明，双催化剂进口提升管可以提高 扩径段中上部固含率3 0 以上，有效地抑制了固含率在扩径段随高度增加而迅速下降的 现象。 利用建立的三维气固两相流模型，通过f l u e n t 软件对双催化剂进口提升管进行 了模拟。模拟结果显示，相比普通扩径结构提升管，双催化剂进口提升管能够提高扩径 段中上部固含率。在上部催化剂入口处通过气固两相进行动量交换，延缓了固含率在扩 径段随高度增加而迅速降低的趋势。 关键词：循环流化床，提升管，气固两相流，结构，数值模拟 f f s t u d yo ht h es t r u c t u r eo f an o v e l g a s 。s o l i df i u i d i z e db e dr e a c t o r l i uq i n g h u a ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g & t e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o r y a n gc h a o h e ab s t r a c t c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ( c f b ) h a sb e e nw i d e l yu s e di nc h e m i c a li n d u s t r i e s f l u i d c a t a l y t i cc r a c k i n gu n i t sw h i c hh a v er i s e r sa sr e a c t o r sa r ea l s ov e r yi m p o r t a n ti np e t r o c h e m i c a l i n d u s t r i e s h o w e v e r ，t h er i s e rr e a c t o rh a ss o m ed i s a d v a n t a g e si nt h ec a t a l y t i cp y r o l y s i s p r o c e s ss u c ha sl o ws o l i d sh o l d u pa n di m p r o p e rr e s i d e n c et i m e i no r d e rt op r o v i d et h eh i g h e r r a t i oo fc a t a l y s tt oo i la n dp r o p e rr e s i s t a n c et i m e ，t h en e wr i s e rs t r u c t u r e ss h o u l db e d e v e l o p e d ac f bw i t h2 0m mi dw a sb u i l ti nt h es t a t ek e yl a b o r a t o r yo fh e a v yo i lp r o c e s s i n gi n c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m t h er a d i a la n dt h ea x i a ld i s t r i b u t i o n so fl o c a ls o l i d sh o l d u p a n dp a r t i c l ev e l o c i t i e si nt h es h i f t d i a m e t e rr i s e rw e r es t u d i e d e f f e c t so fr i s e rs t r u c t u r e so n h y d r o d y n a m i cf e a t u r e so fg a s s o l i df l o wi nt h er i s e rw e r ei n t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e d t h ee x p a n d i n ga n ds h r i n k i n gs t r u c t u r e sc a ni m p r o v et h ef l o wp a t t e r no ft h eg a s s o l i d ， d e c r e a s et h es e p a r a t i n gt r e n do ft w op h a s e s ，s e p e r a t es o l i d sf r o mt h ew a l la n dl e a dt oam o r e u n i f o r mg a s s o l i dd i s t r i b u t i o n t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sh a v ed i f f e r e n ti n f l u e n c e so nt h e g a s s o l i df l o w f i r s t l y , w i t ht h ei n c r e a s i n go fl o w e rc o n ea n g l eo fe x p a n d i n g - d i a m e t e rs e c t i o n ， t h em e a ns o l i d sh o l d u pi nt h ec r o s ss e c t i o ni n c r e a s e sa n dt h ep a r t i c l eb a c km i x i n gi s a g g r a v a t i n g t h es o l i d sh o l d u pi nt h ec e n t e ro ft h ec r o s ss e c t i o nf a l l sw i t hl e s sr a d i a lu n i f o r m s e c o n d l y , w i t ht h ei n c r e a s i n go fu p p e rc o n ea n g l eo fe x p a n d i n g d i a m e t e rs e c t i o n t h es o l i d s h o l d u pi n t h ec e n t e ro ft h ec r o s ss e c t i o ni si n v a r i a b l e b u tt h e p a r t i c l ed o w n w a r df l o w b e c o m e sm o r es e r i o u sb e c a u s eo ft h ec o l l i s i o nw i t ht h eu p p e rc o n ea n g l e t h er a d i a l d i s t r i b u t i o nb e c o m e sl e s su n i f o r m t h i r d l y , w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ee x p a n d i n gs e c t i o n s l e n g t h ，t h em e a ns o l i d sh o l d u pi nt h e c r o s ss e c t i o nr i s e s t h ep a r t i c l eb a c km i x i n gi s a g g r a v a t i n ga n dt h er a d i a ld i s t r i b u t i o nb e c o m e sm o r eu n i f o r m f i n a l l y , w i t ht h ei n c r e a s i n go f e x p a n d i n gs e c t i o n sd i a m e t e r , t h em e a ns o l i d sh o l d u pi nt h ec r o s ss e c t i o na l s or i s e s t h e s o l i d sh o l d u pi nt h ec r o s ss e c t i o nc e n t e ri n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ep a r t i c l eb a c k m i x i n gn e a rt h ew a l l c o m p a r e dw i t hs o l ed i a m e t e rr i s e r s ，t h ec h a n g i n g - d i a m e t e rr i s e r sw i t h 12a n d2 0m mi dc a l ld o u b l es o l i d sh o l d u pi nt h eb o t t o mo fe x p a n d i n gd i a m e t e rs e c t i o n s o l i d sh o l d u pi nt h ec r o s ss e c t i o nc e n t e ro f2 0m md i a m e t e rr i s e ri sm u c hh i g h e rt h a nt h a ti n t h es a l t l eh e i g h tc r o s ss e c t i o nc e n t e ro ft h en s e rw i t h12m mi d e x p e r i e n t i a l c o r r e l a t i o ne q u a t i o n so ft h es o l i d sh o l d u pi ns m a l le x p a n d i n g - d i a m e t e r r i s e r sh a v eb e e nd e r i v e df o r mt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ec o r r e l a t i o ne q u a t i o n sd e l i n e a t et h e v a r i a t i o n so fs o l i d sh o l d u pi nt h er i s e rw i t hg a sv e l o c i t y , s o l i d sc i r c u l a t i o nr a t ea n dp a r t i c l e p r o p e r t i e sm o r ec l e a r l y t h o s en e w c o r r e l a t i o ne q u a t i o n sc o i n c i d ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a l d a t a c o m p a r e dw i t hm o s tr e p o r t e ds t u d i e s ，t h es m a l lr i s e rh a si t su n i q u ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h a sh i g hs o l i d sh o l d u p ，u n i v e r s a lp a r t i c l ec l u s t e r , s e r i o u ss i d ew a l le f f e c ta n dm u c hf r i c t i o n a l i n f l u e n c e s ot h ee r r o rb e t w e e nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fe x i s t i n gm o d e la n de x p e r i m e n t a l r e s u l ti sv e r yc l e a r i nt h i sp a p e r , s i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u tb a s e do ne u l e rt w o - p h a s e m o d e la n dk i n e t i ct h e o r yf o rg r a n u l a rf l o w ( k t g f ) c o m m e r c i a ls o f t w a r ef l u e n tw a s u s e di nt h er e s e a r c ha n das u i t a b l e3 dg a s - s o l i dt w op h a s e sf l o wm o d e li sd e v e l o p e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sc o i n c i d ew e l l 、 ，i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h em o d e lh a sw e l lp r e d i c t a b i l i t y a n dr e l i a b i l i t y a l t h o u g ht h ec h a n g i n g - d i a m e t e rr i s e r i sc h a r a c t e r i z e df o rh i g hs o l i d sh o l d u p ，l e s s r e s i d e n c et i m ei nt h es h r i n k i n g d i a m e t e rs e c t i o n ，i ti sd i f f i c u l tt op r o v i d eh i g hs o l i d sh o l d u pi n t h eu p p e rp a r to ft h ee x p a n d i n g d i a m e t e rs e c t i o nb e c a u s et h ea x i a ls o l i d sh o l d u pr e d u c e s r a p i d l ya l o n gt h eh e i g h to ft h ee x p a n d i n gs e c t i o n i nt h i sp a p e r , an o v e lr i s e rh a sb e e n d e v e l o p e d i th a sa n o t h e rc a t a l y s ti n l e ti nt h em i d d l eo ft h ee x p a n d i n g d i a m e t e rs e c t i o na n d t w oc a t a l y s ti n l e t sc a nb ec o n t r o l l e dr e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed o u b l e c a t a l y s ti n l e t sr i s e rc a ne f f e c t i v e l ye n h a n c es o l i d sh o l d u pb y3 0 i nt h eu p p e rp a r to f e x p a n d i n gd i a m e t e rs e c t i o na n dd e l a yt h er a p i dd r o p p i n gt e n d e n c yo f s o l i d sh o l d u p s i m u l a t i o no ft h ee x i s t i n gm o d e lo ft h ed o u b l ec a t a l y s ti n l e t sr i s e r sh a sb e e nc a r r i e do u t w i t l lt h ef l u e n ts o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ed o u b l ec a t a l y s ti n l e t sr i s e r c a ne n h a n c es o l i d sh o l d u pi nt h eu p p e rp a r to ft h ee x p a n d i n g d i a m e t e rs e c t i o nc o m p a r e dw i t h s o l ec a t a l y s ti n l e te x p a n d i n g d i a m e t e rr i s e r g a sa n ds o l i dh a sm o m e n t u mt r a n s f e rn e a rt h e u p p e rc a t a l y s ti n l e ta n dd e l a yt h er a p i dd e c r e a s i n gt r e n d e n c yo f s o l i d sh o l d u p k e y w o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ，r i s e r ，g a s s o l i dt w op h a s ef l o w ，s t r u c t u r e ， s i m u l a t i o n 、 一 l0飘 ，爹卜 创新点摘要 1 研究了变径结构提升管内部结构参数对固含率的影响，分析了扩径结构的底部 锥角、顶部锥角、扩径段长度和扩径段直径等对固含率分布的影响。对比了相同管径时 变径提升管与传统单一管径提升管固含率的差异，以及管径不同的变径提升管内固含率 的分布情况。 2 根据实验数据对小型变径提升管内部固含率轴向分布进行了关联，得到了能够 定量反映气速、颗粒循环速率、颗粒物性等因素对扩径段密相床固含率分布影响的经验 关联式。 3 基于欧拉双流体模型及颗粒动理学理论，通过对现有曳力系数及其它参数设置进 行调整，得到了适合小型提升管稠密气固两相流的数值模拟模型。采用计算流体力学软 件f l u e n t ，对提升管三维稠密气固两相流进行了模拟，模拟结果与实验结果吻合良好。 4 提出了具有双催化剂入口的提升管新结构。该结构可以缓解变径提升管扩径段内 部固含率随高度上升而迅速下降的趋势，可以提高扩径段中上部固含率约3 0 ，为组合 进料的提升管反应器上部反应区提供较高的催化剂密度，同时变径结构还可以保证气固 混合物在不同区域合适的停留时间。 目录 第一章绪论1 1 1 流态化技术2 1 1 1 概述2 l 。1 2 气固两相流动规律3 1 2 提升管反应器催化裂化催化裂解技术1o 1 2 1 催化裂化催化裂解技术1o 1 2 2 提升管反应器结构的发展1 2 1 2 3 小型提升管冷模技术1 6 1 3 计算流体力学1 7 1 3 1 概j 苤17 1 3 2 两相流分类18 1 3 3 双流体模型l9 1 3 4 颗粒轨道模型。3 2 1 4 课题的提出和意义3 3 1 5 本文的主要工作内容3 4 第二章实验部分3 5 2 1 实验装置3 5 2 1 1 装置建设的基本原则3 5 2 1 2 实验装置构成3 5 2 1 3 实验流程一3 7 2 1 4 操作条件及物料性质一3 7 2 2 参数测量一3 7 2 2 1 压差3 7 2 2 2 表观气速3 8 2 2 3 同体颗粒循环速率3 9 2 2 4 局部固含率3 9 2 2 5 截面平均固含率4 0 2 2 6 局部颗粒速度4 0 2 2 7 截面平均颗粒速度4 1 2 3 实验和测量中的若干说明4 1 第三章变径结构提升管内部气固流动特征一4 3 3 1 变径提升管内部固含率的轴向分布4 3 3 1 1 固体颗粒循环速率的影响4 3 3 1 2 表观气速的影响4 6 3 2 变径提升管内部同含率的径向分布4 8 3 2 1 固体颗粒循环速率的影响4 8 3 2 2 表观气速的影响5 2， 3 3 交径提升管内部固体颗粒速度的轴向分布5 5 3 3 1 固体颗粒循环速率的影响5 5 3 3 2 表观气速的影响。5 7 3 4 变径提升管内部固体颗粒速度的径向分布5 8 3 4 1 固体颗粒循环速率的影响一5 8 3 4 2 表观气速的影响。6 0 3 5 变径结构提升管固含率轴向分布关联式6 4 3 6 本章小结6 7 第四章提升管结构参数对固含率的影响7 0 4 1 底部锥角7 0 4 1 1 对固含率轴向分布的影响7 0 4 1 2 对同含率径向分布的影响7 1 4 2 顶部锥角7 4 4 2 1 对固含率轴向分布的影响一7 4 4 2 2 对固含率径向分布的影响一7 4 4 3 扩径段长度7 8 4 3 1 对固含率轴向分布的影响7 8 4 3 2 对阎含率径向分布的影响一7 9 4 4 扩径段直径8 2 r 4 4 1 对同含率轴向分布的影响8 2 4 4 2 对固含率径向分布的影响一8 3 4 5 管径对固含率轴向分布的影响8 4 4 6 单一直径提升管与变径提升管同含率对比8 5 4 7 本章小结一8 7 第五章小型提升管的数值模拟9 0 5 1 气固两相流的模型设置9 0 5 1 1 两相流动基本方程。9 0 5 1 2 颗粒动理学相关模型及曳力模型9 l 5 1 3 网格划分一9 3 5 1 4 模型参数及边界条件一9 5 5 2 气同两相双流体模型参数的确定9 6 5 2 1 气固曳力系数一9 6 5 2 2 颗粒碰撞恢复系数e 10 0 5 2 3 颗粒温度织10 2 5 3 模拟结果与讨论10 2 5 3 1 压降10 2 5 3 1 固含率一l0 3 5 3 2 颗粒速度10 6 5 4 本章小结1 0 9 第六章双催化剂入口提升管的研究1 1 0 6 1 双催化剂入口提升管内部【司含率分布ll0 6 1 1 实验装置及测量方法1 l o 6 1 2 实验结果与讨论一1 l1 6 2 双催化剂入口提升管的数值模拟ll6 6 2 1 物理模型及边界条件设定一1 1 6 6 2 2 模型预测与实验结果对照一1 1 8 6 3 本章小结1 2 4 结论12 5 参考文献12 7 攻读博士学位期间取得的学术成果一1 3 7 致谢13 8 作者介绍一13 9 彳一提升管内截面积，m 2 c 旷单颗粒表观曳力系数 d 一提升管扩径段直径，m p 一颗粒问碰撞恢复系数 g s _ 固相循环速率，k g ( m e s ) 勘径向分布系数 1 r 截面高度，m 9 一流化风量，m 3 h 醍一表观气速，m s 脚元体表观曳力系数，k g ( m 3 s ) 矿气相或固相体积分率( k = g ，s ) 侠一颗粒温度，m 2 s 2 l 广一气相或固相粘度( k = g ，s ) ，p a s , t s , c o 厂颗粒碰撞粘度，p a s p 一相或固相密度( k = g ，s ) ，k g m 3 & 卜曳力系数修正因子 g - 气相 符号说明 口一颗粒加速度，州s 2 c d 旷单颗粒标准曳力系数 瘩一颗粒平均直径，g r n p 广颗粒与壁面间的碰撞恢复系数 r 重力加速度，m s 2 仔一提升管扩径段长度，m p 产固相压力，p a r e _ 雷诺数 甜r 气相或固相速度矢量( k _ g ，s ) ，m s r 气相湍能耗散率，m 2 s 2 s 。一固体颗粒最大体积分率 砖一颗粒湍能，m 2 s 2 f l s , k i n 一颗粒动理学粘度，p a s 卜颗粒容积粘度，p a s 研一气相或固相应力张量( k = g ，s ) ，n m 2 下标 s 一固相，颗粒相 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 第一章绪论 近年来，随着丙烯等低碳烯烃的需求不断上升，催化裂解制取低碳烯烃的技术由于 具有反应温度低、操作条件温和、丙烯收率高等特点，越来越受到重视。研究表明，高 催化剂密度和合适的停留时间是影响反应收率和选择性的重要因素，但是现有的工业装 置难以满足要求。作为新工艺开发的一个方面，对反应器的开发提出了新的要求，需要 从实验和理论研究以及数值模拟两个方面进行研究。 新型反应器要求能够实现较高的催化剂流化密度和合适的停留时间。首先要求在提 升管的主要反应区域具有较高的催化剂密度。但是提升管反应器内气固两相流最主要的 流动特征是轴向和径向的不均匀性，沿床层轴向固含率一般呈上稀下浓的分布，并可以 将整个提升管分为底部密相区和顶部稀相区。在实验室小型提升管装置内，底部有一个 明显的催化剂密度较高的浓相区域。随着提升管管径的增加，催化剂颗粒更趋向于向边 壁区域聚集，形成中心稀、边壁浓的环一核结构。所以在采用相同的反应条件时，工业 装置与实验室小型热模反应装置在液化气和柴油收率上具有较大的差别。另一方面，组 合进料要求不同的组分具有不同的停留时间，在现有结构的提升管上也难以实现。传统 单一直径的提升管在应用中暴露的这些缺点，主要表现为提升管内部催化剂密度比较 低、催化剂向边壁聚集等，制约了有效反应历程的实现。因此，越来越多的研究者把工 作的重点放在了开发提升管反应器的新结构上来。 自2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机技术的不断发展，计算流体力学方法也得到了 飞速发展。通过对流动进行模拟，可以得到流场内部各个位置上的速度、温度、浓度等 的分布情况，与理论分析方法、实验方法一同构成了研究流体流动问题的完整体系。在 开发提升管新结构的工作中，通过计算机模拟可以弥补实验手段的不足，促进新型提升 管反应器的丌发。数值模拟的计算方法主要可以分为e u l e r 方法和l a g r a n g e 方法。e u l e r 方法把颗粒作为拟流体，认为颗粒与流体是共同存在且相互渗透的连续介质，两相同在 e u l e r 坐标下处理，也就是连续介质模型。对稠密的流体一颗粒两相流，通过固体粘度 和固体压力来反映颗粒间的相互作用，双流体模型就是这一方法的典型代表。l a g r a n g e 方法把流体当作连续介质，将颗粒视为离散体系，在e u l e r 坐标下研究流体相的运动， 在l a g r a n g e 坐标下研究颗粒群的运动，称为颗粒轨道模型。 但是在模拟小型提升管的 稠密气固两相流时，现有的模型和参数难以满足要求。 第一章绪论 1 1 流态化技术 1 1 1 概述 流态化技术首次大规模地在现代工业上的重要应用，始自w i n k l e r 用于粉煤气化的 气一固流化床。该方法于1 9 2 2 年获得专利，其第一台煤气发生炉已经具有较大的规模， 炉高达到1 3 m ! 。此外，流态化技术还在煤炭工业、有机合成工业、生化工程、环境工 程等方面得到越来越广泛的应用。例如，煤的流化燃烧技术已经被证明具有高效率和低 污染的特点，目前正处在由鼓泡流化床锅炉向新型、高效、清洁的循环流化床锅炉的过 渡阶段；有机合成工业中的丙烯腈、丁二烯等的合成以及近年来发展起来的流化床气相 聚合技术生产聚乙烯、聚丙烯和乙丙共聚物，都取得了巨大的成功；流态化反应装置在 生物化学领域的应用包括单细胞蛋白的生产、发酵技术、生化法有机废水的处理等，也 都是很有发展前途的工业过程。 目前已经实现工业化的循环流态化过程主要分为以下三类： ( 1 ) 低、中温的气固非均相催化反应，如石油的流化催化裂化( f l u i dc a t a l y t i c c r a c k i n g ) 、费一托合成、丁烯氧化脱氢制丁二烯等。 ( 2 ) 高温气固非均相反应过程，如氧化铝的焙烧、煤的燃烧和气化、矿石的锻烧 等。 ( 3 ) 某些物理过程，如用a 1 2 0 3 作为吸收剂来净化废气中的h f 、采用以c a ( o h ) 2 为吸收剂净化燃煤锅炉废气中的s 0 2 、粉末涂料的喷涂等。 与固定床和移动床相比，流化床具有其自身独特之处，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 可以对细颗粒进行流化，并且细颗粒在流化床中以悬浮状态与流体进行接触， 流体与固体的相界面积很大( 可高达3 2 8 0 - - 一1 6 4 0 0 m 2 m 3 ) ，对反应的进行非常有利。 ( 2 ) 颗粒由于受到流体作用而剧烈混合，在床层内可以实现温度和浓度的一致。 整个床层的热容量大，热稳定性高，有利于强放热反应的进行。 ( 3 ) 流化床中颗粒的性质类似于流体，易于从反应器中移出或引入，使反应一再 生系统能够较为容易地实现，降低了对催化剂的要求。 ( 4 ) 气固之间存在着高达2 0 - - 3 0 倍于终端颗粒速度的滑落速度，因此气固之间接 触效率很高，有利于气固之间传质、传热的进行。 ( 5 ) 由于气固体系中空隙率的变化会引起颗粒曳力系数的很大变化，因此流化床 的操作条件可以在很大范围内进行调整，能够满足工业生产的需要。 流化床技术由于是一门新兴的技术，对其规律和机理虽然进行了大量的研究，但是 2 中国石油大学( 华东) 博上学位论文 仍然存在一些缺点和空白： ， ( 1 ) 尽管目前对多相流的研究很多，但是由于多相流的系统规律过于复杂，还不 能很好地对其加以描述，过程的工业放大多数情况下仍需依赖经验进行。 ( 2 ) 传统的流态化反应器中不可避免地存在着大气泡，会造成气体短路现象。气 泡尾涡也会加剧局部颗粒的运动，使固体颗粒在流化床中的停留时问不均匀，降低出口 平均转化率。 ( 3 ) 床内返混较为严重，使装置内气体偏离活塞流，严重影响气体转化率。 ( 4 ) 由于气固运动速度很高，再加上大量固体颗粒的高速循环，导致流化床中颗 粒的磨损较大，加大了设备的磨损。较细的颗粒从循环体系中分离难度较大，因此需要 有较强气固分离能力的分离系统。 ( 5 ) 快速流化床可以弥补传统流化床的不足，但是由于在快速流化床中气固之间 接触时间很短，只适用于反应速率很快的反应。 1 1 2 气固两相流动规律 ( 1 ) 整体规律 两相流主要包括气液两相流、气固两相流、液固两相流、液体一气泡等多种不同的 体系【2 1 。各体系由于受到两相的物性( 如流体密度、粘度、颗粒密度、粒径分布、形状 及相界面张力等) 、操作条件( 如流体速度、固含率、操作温度及压力等) 和过程环境 等的影响，其流型呈现出不同的类型。另一方面，不同的流型具有完全不同的流动规律、 相问阻力和壁面阻力规律。 气固两相流态化最主要的流动特征可以表述为轴向和径向的不均匀性。总体而言， 沿床层轴向固含率一般呈上稀下浓的分布，并可以将整个提升管分为底部密相区和顶部 稀相区，而颗粒的速度则是沿轴向由下至上逐渐增大；沿床层径向固含率在床层中心区 较小，而在边壁区最大。在某些条件下，可以出现颗粒中心向上，边壁向下的内循环环 一核流动结构。 目前对提升管的轴向和径向流动规律的研究已经取得了不少成果。s r i v a s t a v a | 3 1 对循 环流化床系统的不稳定性进行了分析，提出当斜管气速低时才有可能建立稳定的循环流 动。而当斜管气速高时，将会带来低频振动，并且很难实现操作的稳定性。 v e g o l 4 】提出，通过改变固体流向来测定颗粒循环速率会导致提升管内部流动形态发 生变化，同时床层藏量也会减少。另外，仅仅通过测量压降的简单办法来计算颗粒循环 3 第一章绪论 速率并不可靠。 c h a n g 【5 】对循环流化床放大的水力学进行了研究，并通过5 个无因次参数进行了水 力学模拟。通过对提升管内部的静态压降的分析，得出了提升管的流体力学特性与固体 藏量之间的关系。 i s s a n g y a l 6 1 应用光纤探头对6 m 高双循环的流化床固含率进行了研究。提升管内径为 7 6 2 m m ，固含率的范围为1 5 - - 一2 5 ，颗粒循环速率达到了4 0 0 k g ( m 2 - s ) 。其研究表明， 在固定的颗粒循环速率和气速下，单纯增加固体藏量无助于提高固含率。 d e n g1 7 1 对内径1 1 4 3 m m 、高2 7 m 的提升管进行了研究，并指出最大的固体通量出 现在径向中心