气固环流反应器的研究进展

第６４卷　第１期 化　工　学　报 Ｖｏｌ．６４　Ｎｏ．１　２０１３年１月 ＣＩＥＳＣ　Ｊｏｕｒｎａｌ Ｊａｎｕａｒｙ　２０１３檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐综述与专论气固环流反应器的研究进展刘梦溪，卢春喜，时铭显（中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室，北京１０２２４９）摘要：气固环流反应器是将气液环流理论与稠密气固流态化理论进行合理移植、耦合而形成的一种新型气固流化床反应器。

对近年来国内外学者在该领域的研究进行了回顾，参考了内循环流化床的一些研究结果，对操作条件、几何结构对气固环流反应器内两相流体力学行为的影响规律进行了总结和分析，并对进一步的研究进行了展望。

关键词：流态化；气固流化床；环流反应器；流体力学；热量传递ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０４３８－１１５７．２０１３．０１．０１４中图分类号：ＴＱ　０５２．５ 文献标志码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２０１３）０１－０１１６－０８Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　ｇａｓ－ｓｏｌｉｄｓ　ａｉｒｌｉｆｔ　ｌｏｏｐ　ｒｅａｃｔｏｒＬＩＵ　Ｍｅｎｇｘｉ，ＬＵ　Ｃｈｕｎｘｉ，ＳＨＩ　Ｍｉｎｇｘｉａｎ（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｈｅａｖｙ　Ｏｉｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２４９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇａｓ－ｓｏｌｉｄｓ　ａｉｒｌｉｆｔ　ｌｏｏｐ　ｒｅａｃｔｏｒ（ＧＳＡＬＲ）ｉｓ　ａ　ｎｏｖｅｌ　ｇａｓ－ｓｏｌｉｄｓ　ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ　ｂｅｄ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｂｙａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｌｙ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄ　ａｉｒｌｉｆｔ　ｌｏｏｐ　ｒｅａｃｔｏｒ　ａｎｄ　ｄｅｎｓｅ－ｐｈａｓｅ　ｇａｓ－ｓｏｌｉｄｓ　ｆｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅｒｅｃｅｎｔ　ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　ＧＳＡＬＲ　ａｒｅ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ，ｒｅｆｅｒｒｉｎｇ　ｔｏ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ｏｎ　ｉｎｔｅｒｎａｌｌｙ　ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ　ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ　ｂｅｄ，ａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｇａｓ－ｓｏｌｉｄｓ　ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｂｅｈａｖｉｏｒ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ，ｆｕｔｕｒｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｇｉｖｅｎ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ；ｇａｓ－ｓｏｌｉｄｓ　ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ　ｂｅｄ；ａｉｒｌｉｆｔ　ｌｏｏｐ　ｒｅａｃｔｏｒ；ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ；ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ ２０１２－０６－２８收到初稿，２０１２－０８－０６收到修改稿。

联系人：卢春喜。

第一作者：刘梦溪（１９７３—），男，博士，副研究员。

基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（２０１２ＣＢ２１５０００）。

　引　言环流反应器是一种高效的气液反应器，被广泛应用在石油化工、冶金、制药等领域中［１］。

自１９５５年被提出至今，对环流反应器的研究与应用绝大多数都集中在气液、气液固体系［１］，涉及气固体系的研究较少［２－４］。

气固环流反应器将气液环流的理论合理地移植、耦合到气固体系，实现了可控的平推流与有限全混流的有机结合，具有高效的气固接触效率，有序的颗粒流动，可控的颗粒停留时间，优秀的传热、传质性能，结构简单等诸多优点。

近年来，国内外学者通过大量的实验研究，使其在石油炼制领域实现了工业化应用。

本文主要综述了国内外在气固环流这一新领域内的研究结果、进展和工业应用情况，借鉴相近领域的研究成果进行分析，并指出了今后的研究方向。

Ｒｅｃｅｉｖｅｄ　ｄａｔｅ：２０１２－０６－２８．Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ａｕｔｈｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＬＵ　Ｃｈｕｎｘｉ，ｌｃｘ７２５＠ｓｉｎａ．ｃｏｍＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｉｔｅｍ：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｂａｓｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏ－ｇｒａｍ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ（２０１２ＣＢ２１５０００）．　１　气固环流反应器基本结构及操作区域 气固环流反应器的结构如图１所示，在常规流图１　气固环流反应器和内循环床Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｇａｓ－ｓｏｌｉｄ　ａｉｒ　ｌｏｏｐ　ｒｅａｃｔｏｒ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｎａｌｌｙ　ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ　ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ　ｂｅｄ　化床中部插入一个同心布置的圆筒即导流筒（ｄｒａｆｔ　ｔｕｂｅ），导流筒将流化床分为导流筒区（ｄｒａｆｔ　ｔｕｂｅ　ｒｅｇｉｏｎ）和环隙区（ａｎｎｕｌｕｓ　ｒｅｇｉｏｎ），导流筒以上的密相床层称为气固分离区（ｇａｓ－ｓｏｌｉｄｓｅｐａｒａｔｏｒ），导流筒下沿到导流筒分布器［中心气升式，图１（ａ）］或环隙分布器［环隙气升式，图１（ｂ）］之间的区域为底部区域（ｂｏｔｔｏｍ　ｒｅｇｉｏｎ）。

在导流筒区和环隙区的底部各设置有一个气体分布器，分别控制通入的气体量，在导流筒区和环隙区形成两个床层密度不同的流化床，并在底部区域产生一个压力差，推动颗粒在导流筒区和环隙区间循环流动。

如图１所示，若通入导流筒区的气体量大于通入环隙区的气体量，颗粒在导流筒（上升区）内向上流动，在环隙区向下流动，则称为中心气升式环流反应器（ｄｒａｆｔ　ｔｕｂｅ－ｌｉｆｔｅｄ　ｇａｓ－ｓｏｌｉｄ　ａｉｒ　ｌｏｏｐｒｅａｃｔｏｒ）［２］，若通入环隙的气体量大于通入导流筒内的气体量，颗粒在环隙区（上升区）内向上流动，在导流筒内向下流动，则被称为环隙气升式环流反应器（ａｎｎｕｌｕｓ－ｌｉｆｔｅｄ　ｇａｓ－ｓｏｌｉｄ　ａｉｒ　ｌｏｏｐ　ｒｅａｃ－ｔｏｒ）［３］。

内循环流化床（ｉｎｔｅｒｎａｌｌｙ　ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ　ｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄ）［５－７］是一种结构与环流反应器相似的气固流化床，主要处理Ｇｅｌｄａｒｔ　Ｂ类颗粒，是一种改良的喷动床，其结构如图１（ｃ）所示。

内循环流化床的导流筒直径一般很小，横截面积远远小于环隙面积。

导流筒内气固流动为稀相输送，环隙区则为移动床。

内循环流化床与气固环流反应器在操作床型、流体力学行为等方面有很大的差异［３］，但二者在结构上有相似之处，因此内循环流化床的研究成果对气固环流反应器的研究有一定的借鉴作用。

２　气固环流反应器的流体力学行为２．１　环流反应器的启动问题（ｓｔａｒｔ－ｕｐ　ｐｒｏｂｌｅｍ）环流反应器内颗粒环流流动的推动力来自导流筒区和环隙区底部的压力差，当这一压力差大于颗粒环流流动产生的阻力时，就可以实现颗粒的环流。

谢建平［８］、Ｌｉｕ等［３］在环隙气升式环流反应器中发现只有当环隙区表观气速为导流筒区表观气速的２～２．５倍时才可以实现环流，这是因为底部空间内存在由环隙区到导流筒区的窜气行为（ｇａｓｂｙｐａｓｓｉｎｇ），窜气的方向与颗粒环流的方向相反，降低了颗粒环流的推动力。

Ｋｉｍ等［５－７］、Ｙａｎｇ等［９］在内循环床中也发现了类似的现象，Ｌｅｅ等［５］的实验显示只有当内环流床导流筒区表观气速大于环隙区表观气速７倍以上才可以实现稳定的环流，这一气速比远大于环流反应器启动时的比例，主要是由于二者的流体力学行为和实验采用的颗粒物性不同所引起的。

２．２　气固环流反应器内的气体交换环流反应器内不同区域间的气体交换（窜气行为）对反应器的启动、颗粒环流具有显著的影响，当窜气方向与底部区域内颗粒环流方向一致时，窜气有助于颗粒的环流，反之则阻碍颗粒的环流。

图２给出了环隙气升式气固环流反应器底部区域床层密度沿径向的分布［８］，其中环隙气体分布器开孔位置为ｒ／Ｒ＝０．８２。

可以看出，随着环隙表观气速的增加，床层密度的最低点逐渐向反应器中心移动并最终进入导流筒投影区，说明由环隙气体分布板出·７１１·　第１期 刘梦溪等：气固环流反应器的研究进展图２　底部区域内床层密度沿径向的分布Ｆｉｇ．２　Ｒａｄｉａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｅｄ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｉｎ　ｂｏｔｔｏｍｒｅｇｉｏｎ　ｏｆ　ａｎｎｕｌｕｓ－ｌｉｆｔｅｄ　ｇａｓ－ｓｏｌｉｄ　ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ　ｂｅｄ（ｕＧＤ＝０．０５ｍ·ｓ－１）来的气泡趋向于向导流筒内流动，当环隙表观气速大于０．５ｍ·ｓ－１时，有大量的气泡窜入了导流筒内。

有关研究表明，内循环流化床中同时存在由环隙底部向导流筒区和导流筒底部向环隙区双方向的窜气行为（Ｂｙｕｎｇ等［１０］，Ｊｅｏｎ等［１１］Ａｈｎ等［１２］），其中环隙区向导流筒区的窜气量远大于导流筒区向环隙区的窜气量（Ｊｅｏｎ等［１１］），Ａｈｎ等［１２］发现窜气量最高可达４０％左右。

几何结构是窜气现象最主要的影响因素。

谢建平［８］将环隙气体分布器开孔由沿截面均匀布置改为单排开孔（ｒ／Ｒ＝０．８３），并将底部间隙减小，发现图２中的密度分布得到了极大改善，窜气现象基本消失。

Ｊｅｏｎ等［１１］在内循环床中发现环隙区采用环式气体分布器能显著减小窜气量，其次为锥面板分布器，平板风帽式分布器窜气量最大。

Ｙａｎｇ等［９］在内循环床中设置了多个气体分布器，发现从不同的分布器给气，窜气量发生了很大变化。

Ｃｌａｆｌｉｎ等［１３］发现增加环隙面积可以降低窜气量，筛孔式导流筒底部区域的窜气量小于不开孔的导流筒。

操作条件对窜气量也有影响。

Ｊｅｏｎ等［１１］发现在环隙区表观气速很小的情况下（１．１＜ｕＧＤ／ｕｍｆ＜１．６），由环隙区窜至导流筒的气量随着导流筒区表观气速的增加而增加，随着环隙区表观气速的增加而降低，通入环隙区的气体中最高有６０％窜入导流筒区。

Ａｈｎ等［１２］发现当ｕＧＤ／ｕｍｆ由７增加到１０时，由环隙区窜至导流筒区的气体量由３５％增加到４０％左右，而反方向的窜气则由３．５％降低到１％。

Ｊｅｏｎ等［１１］将测得的实验数据与Ｓｏｎｇ等［１４］、Ａｈｎ等［１２］和Ｓｈｉｈ等［１５］的数据比较发现，导流筒区和环隙区出口的气量比始终维持在入口气量比的２．５倍左右。

藏量对窜气量也有影响，但目前得到的结果并不一致，如Ｃｈａｎｄｅｌ等［１６］发现无论对于细颗粒（ｄｐ＝０．４２５～０．６ｍｍ，ρｐ＝２６０６ｋｇ·ｍ－３）还是粗颗粒（ｄｐ＝１．４～１．７ｍｍ，ρｐ＝２６２３ｋｇ·ｍ－３），窜气量都随着藏量的增加而减少。

但Ａｈｎ等［１２］却发现静床层高度的增加对窜气量几乎没有影响。

此外，Ｊｅｏｎ等［１１］还根据实验数据提出了一个计算窜气比例的经验公式。

２．３　床层密度分布文献中对环流反应器内床层密度的报道较少，只有卢春喜等［２－３，１７－１８］对气固环流反应器内的床层密度分布展开了研究。