流化床基础知识

流化床基础知识一、流态化的定义固体散料悬浮于运动的流体，颗粒之间脱离接触而具有类似于流体性能的过程，称为固体流态化。

二、流态化现象根据流态化所使用流体介质的不同，固体流态化可分为液-固流态化、气-固流态化、和气-液-固三相流态化。

液体作流化介质时，液体与颗粒间的密度差较小，在很大的液速操作范围内，颗粒都会较均匀地分布在床层中，比较接近理想流态化，称为散式流态化。

气体作流化介质时，会出现两种情况，对于较大和较重的颗粒如B 类（100~600μm）和D类（≥600μm）颗粒，当表观气速(表观气速是以扣除了换热元件、挡板等构件并且不包含装载的固体的有效空截面积及操作状态下的气体体积流量计算的气速)超过临界流化或起始流化速度，多余的气体并不进入颗粒群去增加颗粒间的距离，而形成气泡通过称为鼓泡流化床的床层，此时为聚式流态化。

对于较小和较轻的A类颗粒，当表观气速刚超过临界流化速度的一般操作范围内，多余的气体仍进入颗粒群使之均匀膨胀而形成散式流态化，但进一步提高表观气速将生成气泡而形成聚式流态化，这种情况下产生气泡的相应表观气速称为起始鼓泡速度，超过的多余气体的绝大部分以气泡的形式通过床层，但所形成的气泡一般远比B 类和D类颗粒形成的聚式流化床小，即细颗粒的流化质量比粗颗粒的流化质量高。

在聚式流化床中存在明显的两相：一相是气体中夹带少量颗粒的气泡相（或称稀相），另一相是颗粒和颗粒间气体所组成的颗粒相（或称密相），又称乳相。

在低气速流化床中，乳相为连续相而气泡相为非连续相。

三、聚式流态化的三个流型1、鼓泡流化床当表观气速从散式流态化的操作速度进一步提高到起始鼓泡速度时，床层从底部出现鼓泡，压降波动明显增加。

对于粒径及密度均较达的B类颗粒，床层并不经历散失流态化阶段，临界流化速度即起始鼓泡速度，产生的气泡数量不断增加，并且气泡在上升过程中相互聚并，尺寸不断长大，直至达到床层表面并开始破裂，颗粒的混合及床层压降波动非常剧烈。

气泡中所含颗粒约占颗粒总量的2%-4%，气泡周围的密相或乳相中颗粒浓度很高。

气泡的运动速度随气泡的大小而变，在上升途中，小气泡频繁地聚并而长大，过大而失稳时气泡则破裂。

气泡上升的同时又有颗粒在密相中向下流动以补充向上流动的气泡中带走颗粒所造成的空缺。

另一方面，由于气泡在床层径向截面上下不均匀分布，诱发了床内密相的局部以致整体的循环流动，气体的返混加剧。

这种流型称为鼓泡流态化，气-固接触效率和流化质量比散式流态化低的多。

气泡上升到床层表面时的破裂将部分颗粒弹出床面。

在密相床上面形成一个含有少量颗粒的自由空域。

一部分在自由空域内的颗粒在重力作用下返回密相床，而另一部分较细小的颗粒就被空气带走，只有通过旋风分离器的作用才能被捕集下来，经过料腿而返回密相床内。

2、节涌流化床对于高径比较大的实验室及中间试验的流化床，由于床层直径较小，当表观气速达到一定程度时，会由于气泡直径长大到接近床层直径而产生气栓。

气栓像活塞一样向上升，而气栓上面颗粒层中的颗粒纷纷下落，气栓达到床层表面时即破裂。

后续的气栓又不断的形成，上升直至破裂。

床层压降出现剧烈但有规则的脉动。

这种现象称为节涌流态化（节涌有称腾涌）。

节涌使颗粒夹带加剧，气-固接触效率和操作稳定性降低。

在大规模的大床中，节涌现象一般不会产生。

3、湍动流态化随着表观气速进一步提高，鼓泡床中气泡的破裂逐渐超过气泡的聚并，并导致床内的气泡尺寸变小，进入湍动流态化。

这种小气泡通常称为气穴，气穴与密相或乳相间的边界变得较为模糊，此时称为湍动流态化。

在鼓泡流化床中，增加表观气速，床层压力波动幅度较大，到某一表观气速时，压力波动的幅度达极大值，此时的表观气速称为起始湍动流化速度。

湍动流态化与鼓泡流态化有许多显著的不同：1、气穴不像鼓泡床中的气泡有明显的上升轨迹可循，在不断的破裂和聚并过程中以无规律的形式上升，气穴的尺寸小使其上升速度减慢，增加了床层的膨胀；2、气穴的运动膨胀，使湍动流化床中气、固接触加强，气体短路减少，因此湍动床内，气、固相间交换系数和传热、传质效率比鼓泡床高；3、总体来讲，压力波动幅度小于鼓泡流化床，操作平稳；4、气速的提高导致床层上部的稀相自由空域中有大量颗粒存在，其中的反应不可忽视，并使床界面比鼓泡床模糊的多；5、湍动流化床内固体返混程度大于鼓泡流化床，而气体返混则小于鼓泡流化床。

工业流化催化反应器已从20世纪50-60年代的鼓泡床为主过渡到以湍动流化床为主，利用湍动流化床气、固接触良好，传热、传质效率高和气体短路极少的优点。

鼓泡床和湍动床都属于低气速的密相流化床，压力升高会使鼓泡床和湍动床中气泡尺寸变小。

四、气-固密相流化床（一）气-固密相流化床的基本结构典型的密相流化床结构示意主要由床体、气体分布器、换热装置、内部构件和颗粒捕集系统组成。

1、气体分布器气体分布器的主要作用是将流化气体均匀地分布在整个床层截面，也起到支撑流化颗粒的作用。

为了保证气体分布均匀，一般分布板开孔率约为1%以下，而分布板的压降为床层压降的10%-20%，在工业流化床中，由于床层提高，有时分布板压降设计为床层压降的5%。

一般在分布板下面还有气体预分布器。

在气体分布器上方的一定距离内，气-固两相的流动状况受分布器的影响而与床层主体明显不同，称为“分布器控制区”，其中的流动行为和传质、传热对流化床的功效都可能产生较大作用。

2、自由空域和扩大段工业流化床反应器的床体大都是圆柱形，上部扩大段直径一般为下部密相床直径的1.5~2.5倍。

实验室用流化床，当温度不高于100℃时，一般用易于加工的有机玻璃制造，床体一般也为圆柱形，床体直径要大于颗粒平均直径的100倍。

为了便于观察气泡及颗粒流动的特性，采用二维床。

其截面为矩形，宽度远大于厚度，但厚度至少要为平均直径的25~30倍。

流化床内气-固浓相界面以上的区域称为自由空域。

由于气泡逸出床面时的弹射和夹带作用，一些颗粒会离开浓相床层进入自由空域。

一部分自由空域内的颗粒在重力作用下返回浓相床，而另一部分较细小的颗粒则最终被气流带出流化床。

在气流的作用下，多粒级组成的颗粒物料由于各自的终端速度的差异而分级的现象称为扬析，不同终端速度的颗粒一次被气流带出床层进入流化床上方的自由空域。

夹带是流化床中气泡在上升过程中逐渐长大而不稳定，到达床层表面时气泡破裂，其中所夹带的颗粒被喷入自由空域。

在一定的气速下，能被扬析带出的颗粒尺寸和通量是一定的，颗粒的粒度不同使自由空域中固体浓度沿高度成递降分布。

扩大段可以显著地降低气流的速度，从而有助于自由空域内的颗粒通过沉降作用返回密相。

减少颗粒带出及降低自由空域内的颗粒浓度。

对于流化床化学反应器来说，较低的自由空域颗粒浓度对于减少不利的负反应往往是至关重要的。

（二）气-固鼓泡流化床1、流动特性把气-固相流化床分成密相或乳相和气泡相的模型称为流态化的两相模型。

气泡的顶部成球形，底部则向里凹，气泡底部压力较附近略低，以致吸入部分颗粒，形成局部涡流，此区域称为尾涡。

随着气泡的上升，部分被卷入的气体带着气泡中的气体由气泡顶部通过气泡边界层渗入乳相，在气泡周围向下运动的颗粒又借摩擦力将这部分气体向下带入尾涡，形成循环运动。

气泡周围为循环气体所渗透的区域叫气泡晕。

气泡上升时，相邻的小气泡凝聚成大气泡，气泡周围的气泡晕也不断合并、扩大，通过这种气泡中的气体与气泡晕中的对流交换作用形成气泡相和乳相中的气体交换，因此气泡相中的气体才能进入乳相，在固体催化剂上发生化学反应。

乳相中固体颗粒存在定向的循环运动和类似于布朗运动的杂乱无章的运动。

上升气泡的尾涡夹带部分颗粒，在空隙部位颗粒又沉降下来，造成了颗粒的上下循环。

在流化床内出现多个颗粒上升后又下降的循环运动。

气体流速越高，颗粒的杂乱无章运动愈剧烈，使颗粒的循环遭到破坏。

由于乳相颗粒的剧烈循环运动，可以认为流化床中固体颗粒处于全混流状态。

两相模型认为：单个气泡中的气体处于全混流状态，而整个床层的气泡相接近平推流。

气泡上升时不断与颗粒进行气体交换，但气泡中的气体都能迅速混合。

整个流化床中从气体分布板到密相床层顶端的不同高度处有一个个彼此独立，由小到大的气泡，每单个气泡又好比一个小型的全混流反应器。

乳相中的气流情况比较复杂，乳相中部分气体以临界流化气速往上流动，但由于气泡向上流动，迫使乳相中有部分气体从上向下运动，可以认为乳相中存在着上流及回流两类区域。

当操作气速与起始流化气速之比值超过6~11时，回流的气量超过了上流的气量，因此乳相中气体的净流量是往下的。

工业流化床反应器的床层直径大，床高与床径之比较实验室流化床小得多，尽管气体的大部分以气泡状态通过流化床，乳相中的气量只为一小部分，但它的返混作用对于可逆反应是不容忽视的。

2、气泡的聚并与破裂在气-固密相流化床中，上升的气泡之间由于流场的变化而相互作用，气泡会与其他气泡发生合并生成大气泡，也会破裂成小气泡。

气泡发生聚并时一般是后面的气泡追上前面的气泡进行垂直方向的聚并，原因是前一个气泡的尾涡区是局部低压区而对后面气泡有吸引作用。

两个气泡聚并后，新形成气泡的体积要大于原来两个体积之和，这可能是由于气泡周围相对高空隙率区内的气体进入气泡，导致聚并气泡的总体积增大。

流化床内气泡的破裂步骤：颗粒与气泡之间的相对运动会发生一些扰动，在气泡上都形成缺口，随着扰动加剧，缺口逐渐加深，最终导致气泡破裂。

这也可能与气泡周围相对高空隙率区及气泡边缘的可渗透性有关。

气泡的聚并与破裂与流化床内的相间传递密切相关。

气泡聚并与破裂之间的动态平衡决定了床中气泡的平均尺寸和最大稳定尺寸，尺寸大于最大稳定尺寸的气泡都是不稳定的。