流化床反应器简介

流化床反应器简介
一、概述
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 ，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2O世纪2O年代出现的粉煤气化的温克勒炉，但现代流化反应技术的开拓，是以4O年代石油催化裂化为代表的。

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。

二、基本流态化现象
固定式和临界流化态
将一批固体颗粒对方在多孔的分布板上形成床层（图1），使流体自下而上通过床层。

由于流体的流动及其与颗粒表面的摩擦，造成流体通过床层的压力降。

当流体通过床层的表观流速(按床层截面计
算的流速)不大时，颗粒之间仍保持静止和互相接触，这种床层称为固定床。

当表观流速增大至起始流化速度时，床层压力降等于单位分布板面积上的颗粒浮重（颗粒的重力减去同体积流体的重力），这时颗粒不再相互支撑，并开始悬浮在流体之中。

进一步提高表观流速，床层随之膨胀，床层压力降近乎不变，但床层中颗粒的运动加剧。

而当流速达到某一限值，床层刚刚能被流体拖动时，床内颗粒就开始流化起来了，这时的流体空床线速称为临界流化速度。

散式流态化和聚式流态化
这两种流态化现象，是根据流化床内颗粒和流体的运动状况来区分的。

在散式流态化时，颗粒均匀分布在流体中，并在各方向上作随机运动，床层表面平稳且清晰，床层随流体表观流速的增加而均匀膨胀。

在聚式流态化时，床层内出现组成不同的两个相，即含颗粒甚少的不连续气泡相，以及含颗粒较多的连续乳化相。

乳化相的气固运动状况和空隙率，与起始流化状态相近。

通过床层的流体，部分从乳化相的颗粒间通过，其余以气泡形式通过床层。

增加流体流量时，通过乳化相的气量基本不变，而气泡量相应增加。

气泡在分布板上生成，在上升过程中长大；小气泡会合并成大气泡；大气泡也会破裂成小气泡。

气泡上升至床面时破裂，使床面频繁地波动起伏，同时将一部分固体颗粒抛撒到界面以上，形成一个含固体颗粒较少的稀相区；与此相对应，床面以下的床层称为浓相区。

气泡的运动既使床层中的颗粒剧烈运动，也影响到气固间的均匀接触。

美国学者R.H.威海姆和中
国学者郭慕孙提出用下式计算的弗劳德数作为流态化类型的判据：
式中u 为起始流化速度；d 为粒径；g为重力加速度。

F <1时为散式流态化，F >1时为聚式流态化。

一般情况下，液固系统为散式流态化，气固系统为聚式流态化。

床层中出现气泡（左图）流态化是聚式流态化的基本特征。

较小
的气泡呈球形，较大的气泡呈帽形。

气泡的
中心是基本上不含颗粒的空穴；气泡的外层
称为晕，这是渗透着气泡气流的乳化相。

泡
底有尾涡区，称为尾迹。

尾迹的体积约为气
泡体积的20％～30％。

在气泡上升过程中，尾迹中的颗粒不断脱落，并不断引入新的颗粒。

气泡上升到床面时发生破裂，尾迹中的颗粒撒于床面，返回乳化相中。

晕和尾迹是气泡相和乳化相间发生物质交换的媒介，对于流化床中发生的过程起重要作用。

沟流和节涌
这是流态化的不正常现象，出现在设计或操作不合理的流化床层中。

沟流是指床层中出现通道，大量流体经此短路流过，使床层其余部分仍处于固定床状态（死床），严重地影响到流体与固体间的均匀接触。

导致沟流的原因有：分布板的设计不当；颗粒细而密度大,形状不规则;颗粒有粘附性或含湿量较大。

节涌是当气泡直径增大到接
近于床层直径时的流态化现象。

节涌有两种形式:①直径
接近于床径的气泡沿床上升,颗粒从气泡边缘下降（图a）；
②气泡呈柱塞状（图b），一段段床层由气泡推动着上升，
当气泡到达床界面时，气泡破裂，床层塌落，颗粒成团或
分散下落。

节涌严重影响流体与颗粒的相互接触，并加速
颗粒和设备的磨损。

颗粒粗及高径比大的床层，容易发生
腾涌。

二、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。

典型的流态化设备有单层流化床、多层流化床、多室流化床和两器流化床。

单层流化床
单层流化床是在床层底部设置一分布板，例如泡罩板、烧结板、多孔板等。

对于气固系统，常用的粉尘分离装置是旋风分离器(见离心沉降)和袋滤器(见过滤设备)。

开工前将固体颗粒加到板上形成床层，流体 自下而上通过分布板，均匀地进入床层使颗粒层流化，然后从顶部离去。

设备侧壁设有加料 口和出料口，以连续加入和卸出固体物料。

用出料口的位置控制床层高度。

离开床层的流体，常带有粉尘，需予以回收 ，由于固体颗粒中常带有细粉，颗粒在床层中因
摩擦、碰撞也会产生粉尘。

回收的粉尘可返回床层或直接作为产品。

在流化床中，固体颗粒充分混合，因而用作传质设备时，相当于分级接触传质设备的一个级。

多层流化床
多层流化床具有类似板式塔的结构，颗粒物料加到顶部床层，经溢流管逐层下降。

流体先经底层分布板进入底部床层，逐层上升，进行气固逆流分级接触，使各层颗粒流态化。

最后离开床层的流体须经分离装置回收夹带的粉尘 。

多层流化床正常运行的关键在于溢流管能否正常工作。

在溢流管下端设置适当的堵头或其他装置为防止流体穿过溢流管短路上升，而又确保颗粒能通过溢流管顺利下降。

多层流化床不仅能起逆流多级接触的作用 ，有时还在各床层 中设置适当的换热面，可根据工艺要求，以调节各层的温度。

多室流化床
多室流化床设备的横截面一般为矩形，用垂直挡板将设备沿长度方向分成多室(一般4~8室 )。

挡板下沿与分布板面之间留有几十毫米的间隙，作为室间粉粒通道。

最后一室有控制床面的堰板。

流体平行进入各室，颗粒则依次通过各室 ，因此多室流化床不仅能调节通入各室流体的流速和温度，而且还能抑制颗粒在整个床层内的返混。

多室流化床比多层流化床设备容易控制，总压降也小；但传热、传质推动力较多层床小，用于干燥时空气热量利用效率较差。

两器流化床
两器流化床有两个流化床，在右侧流化床中，用另外的气流进行
失效颗粒的再生(如脱附)；在左侧流化床中，原料气与固体颗粒层接触进行某种操作(如吸附)，为使整个操作能连续进行，两流化床间由气力输送管连接进行颗粒输送 。

三、结构形式
流化床反应器的结构有两种形式 ：
1.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 。

2.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。

四、优缺点
与固定床反应器相比流化床反应器的优点是：
①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；
②可以实现固体物料的连续输入和输出；
③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。

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，流化床存在明显的局限性：
①反应物气泡形式通过床层，减少了气固相之间的接触机会，降低
了反应转化率；
②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；
③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；
④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。

五、结语
近年来，细颗粒和高气速的湍流流化床及高速流化床均已有工业应用。

在气速高于颗粒夹带速度的条件下，通过固体的循环以维持床层，由于强化了气固两相间的接触，特别有利于相际传质阻力居重要地位的情况。

但另一方面由于大量的固体颗粒被气体夹带而出，需要进行分离并再循环返回床层，因此，对气固分离的要求也就很高了。