流化床反应器技术进展

流化床反应器技术进展

杨超杰Y45140195

摘要：近代流态化技术的工业应用则以煤的气化和石油的催化裂化为代表。当前流化床反应器的理论研究主要集中于流化床内由不同尺度的颗粒、液滴、气泡、聚团的时空不均匀分布所形成的不均匀结构的预测与优化调控理论与方法的研究，不均匀结构与传递和反应的关系理论的研究以及流态化床的计算机模拟与放大研究。当前流化床反应器技术的工业应用范围已涵盖化工、冶金、能源、材料、制药、食品、环境等领域。

关键词：流化床反应器流态化技术应用

Technical progress of fluidized-bed reactor

Abstract:Coal gasification 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 multi—scale heterogeneous structures consisting of gas bubbles，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 and scale—up 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

流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态[1]，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。流化床反应器在现代工业中的早期应用为20世纪20年代出现的粉煤气化的温克勒炉[2-4]；但现代流化反应技术的开拓，是以40年代石油催化裂化为代表的[5]。目前，流化床反应器已在化工、石油、冶金、核工业等部门得到广泛应用。流态化自1942年随同催化裂化在工业上获得巨大成功开始，便进入其他许多领域，如固体燃料的燃烧、煤的气化与焦化及化工生产中的气固相催化反应、物料干燥、加热与冷却、吸附和浸取、固体物料的输送等领域[6-7]。

1 流化床反应器基础[8]

1.1流化床反应器的分类

按流化床反应器的应用可分为两类：一类的加工对象主要是固体,如矿石的焙烧,称为固相加工过程；另一类的加工对象主要是流体，如石油催化裂化、酶反应过程等催化反应过程，称为流体相加工过程。

1.2流化床反应器的结构

流化床反应器的结构有两种形式：①有固体物料连续进料和出料装置，用于固相加工过程或催化剂迅速失活的流体相加工过程。例如催化裂化过程，催化剂在几分钟内即显著失活，须用上述装置不断予以分离后进行再生。②无固体物料连续进料和出料装置，用于固体颗粒性状在相当长时间（如半年或一年）内，不发生明显变化的反应过程[9-10]。

1.3流化床反应器的优点

与固定床反应器相比，流化床反应器的优点是：①可以实现固体物料的连续输入和输出；

②流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反应；③便于进行催化剂的连续再生和循环操作，适于催化剂失活速率高的过程的进行，石油馏分催化流化床裂化的迅速发展就是这一方面的典型例子。然而，由于流态化技术的固有特性以及流化过程影响因素的多样性，对于反应器来说，流化床又存在粉明显

的局限性：①由于固体颗粒和气泡在连续流动过程中的剧烈循环和搅动，无论气相或固相都存在着相当广的停留时间分布，导致不适当的产品分布，阵低了目的产物的收率；②反应物以气泡形式通过床层，减少了气-固相之间的接触机会，降低了反应转化率；③由于固体催化剂在流动过程中的剧烈撞击和摩擦，使催化剂加速粉化，加上床层顶部气泡的爆裂和高速运动、大量细粒催化剂的带出，造成明显的催化剂流失；④床层内的复杂流体力学、传递现象，使过程处于非定常条件下，难以揭示其统一的规律，也难以脱离经验放大、经脸操作。

2 流化床反应器技术应用进展

2.1流态化反应器技术在催化裂化中的应用[11]

流态化在石油催化裂化中的应用主要出于美国石油公司的科技开发工作。原油蒸馏能回收的汽油不到原油的20％。20世纪初，法国工程师Houdry从多种催化剂中筛选出酸性白土用于石油的催化裂化，并用空气烧掉在催化反应时在催化剂上沉积的焦炭，使之再生，重复使用。并于1936年在Paulsboro建造了工厂。1938年，八家公司(Jersey、Kellogg、I．G．Farben、Standard of Indiana、Anglo—Iranian、Texas、UOP和Dutch/Shell)联合，组织了Catalytic Research Associates(CRA)公司，汇集了近一千专业人员的队伍，进行粉料流态化催化裂化工艺的试验研究。第一个流态化催化裂化装置其气速不高，因此该装置为鼓泡床操作。该厂于1942年投产，产量为13000bpd。随后又有改进的SODⅡ型、SODⅢ型和SODⅣ型。这些改进，在很大程度上基于降低高度、简化催化剂输送的原则，均属于鼓泡流态化。我国于20世纪60年代初在抚顺建立了第一套流态化催化裂化工厂，以后进展突出。流态化催化裂化代表了巨型流态化工艺和工程，许多采用流态化技术的其他工艺在很大程度上参考石油催化裂化。20世纪60年代末、70年代初，催化剂改用了活性高很多的沸石，Kellog公司首先将再生后催化剂的提升管用作催化裂化反应器，将石油引入其下端，实现了提升和反应的一体化。提升管中的气固流动属不具气泡的快速流态化。这种提升管催化裂化设计一直沿用至今，而且催化剂的再生也逐步采用了快速流态化。我国的洛阳石化公司在这方面开发了多种设计。

2.2流化床反应器技术在制药工程中的应用[12]

流化床反应器技术可以在药物制造过程中发挥巨大作用。流化床技术可以应用于浸膏干燥、制粒、包衣等。流化床喷雾包衣设备，国内外已有许多厂家生产，如德国、瑞士等。应