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UDC:
TQO16密级:
单位代码:
公开
学位论文
重油热解制球形焦工艺的冷模实验
研究与开发
刘芳
申请学位级别:
指导教师姓名:
硕士学位
田原宇
专业名称:化学工艺
称:教授:
山东科技大学
二零零八年五月论文题目:
重油热解制球形焦工艺的冷模实验
研究与开发
作者姓名:
专业名称:
指导教师:
化学工艺
入学时间:
研究方向:
职称:
论文提交日期:
论文答辩日期:
授予学位日期:STUDYANDDEVELOPINGTHEPROCESSOF
HEAVYOILPYROI刃515PELLETINGPRODUCING
GLOBULARCOKECOLDMODEL
ADissertationsubmittedinfulnllmentoftherequirementsofthedeg此eof
MASTEROFPHILOSOPHY
伽m
ShandongUniversityofScienceandTechnology
LiuFang
SuPervisor:ProfessorTianYuanyu
CollegeofChemicalandEnvironmentalEngineering
May2008声明
本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文,除了所列参考文献和世所
公认的文献外,全部是本人在导师指导下的研究成果"该论文资料尚没有呈交
于其它任何学术机关作鉴定"
.护.于币沪!,,留8.吃J..l.工,-
硕士生签名:动慈
日期:-.了"
AFFIRMATION
1deelarethatthisdissehation,sub而ttedinfulfillmentoftherequi代ments
fortheawardofMasterofPhilosoPhyinShandongUniversityofScieneeand
Teehnology,15whollymyownworkunless代ferencedofackllowledge.The
doeumenthasnotbeensubmittedforqualifieationatanyotheraeademic
institute.
Sisnatu":娜噪
Date,//o-动帅子山东科技大学硕士学位论文摘要
摘要
能源问题在我国一直是一个比较尖锐的问题"随着国内重质原油和超重质原油的继
续开发,以及考虑价格等因素导致重质原油的不断进口,需要加工的重油将与日俱增"
因此,合理利用和节约使用宝贵的石油资源,大力发展重油深度加工,开发合理的重油
加工工艺和设备,提高轻质油品收率,获取更多的化工产品已成为我国炼油行业的一项
重要技术政策"
本文结合现有的重油热解技术和喷动床流态化技术的特点提出了一种新型的以喷动
床为核心反应设备,提升管流化床为颗粒分离设备的重油热裂解制球形焦工艺"本文主
要对该工艺中的主要设备进行了设计和冷模实验"为以后热模实验的进行提供一定的依
据,从而为重油热裂解制球形焦工艺和装置的开发提供理论基础和依据"
通过设计计算确定了喷动床和提升管流化床的结构尺寸"通过实验对喷动床的几个
关键参数最小喷动气速utns!最大喷动压降vPm!喷动操作压降vP:和喷动高度h!进行
了考察,并观察其喷动和喷动过程中的颗粒分层现象,探讨喷动床的流动特性变化规律"
对提升管流化床在高速流态化下,仅基于颗粒粒径差别对颗粒分离进行了探索性研究,
并证明了其可行性"通过初步的实验研究,对颗粒分离的影响因素,布风板顶角e!表
观气速us!进料组
成关和进料速率Gs进行了考察,以明确其分离效果"
关键词:重油热解,气固喷动床,最小喷动气速,最大喷动压降,提升管流化床,
浮生组份,沉积组份山东科技大学硕士学位论文摘要
ABSTRACT
TheProblemofenergy15amoreaeuteProbleminourcountryeversineealongtime.The
exPloitationofheavy011andsuPerheavy011inthehomeland,aswellastheeontinuousimPort
ofheavy011eausetheheavy011Proeessingwillinereasesteadily.Therefore,makinguseof
PreciousPetroleumofusageandsavingrationall丫develoPingresidual011dePthtreating
energetieally,develoPingrationalheavy011ProeesshandieraftandequiPments,imProvingthe
rateofthelight一endProducts,gainingmorechemiealProductsalreadybeeomeone加Portant
teelmologyPolicyinourcountry011refiningindustry.
Ineonsiderationofheavy011PyrolysistechnologytheandcharacteristiesofsPouted
fluidizationteehnology,thisPaPerbroughtforwardonekindofnewProeessofheavy011
Pyrolysisteelmologywhieh15theProcessofheavy011PyrolysisPelletingProdueingglobular
eoke.InthisProeess,theeorereaetor15sPoutedbed,andliftPIPe15thesegregationaPParatus.
ThemaintaskofthisPaPer15thedesignofmainreaetorandeoldmodelexPeriment.Those
workscanProvidetheeeriainbasistohotmodelinthehereafter.Thereby,iteanoffer
theoretiealPrineiPleandbasisfortheProeessofheavy011PyrolysisPelletingProdueing
globularcoke.
ThestructuredimensionoftheliftPIPefluidizedbedandsPoutedbedwasaseertainedby
thedesignandealculation.TheminimumsPoutingveloeityums,themax加umsPouting
Pressurevpm,thesPoutingPressurevPs,thesPoutingheighths,theP斌ieledemixing
Phenomenonandtheflowregimetransitionweredeterminedtoinvestigatethelawoftheflow
charaeteristiestransformationinsPoutedbeds.ThisPaPerProPosedanewstudy,segregation
inliftPIPegas一solidfluidiZedbedswithtemarymixtureswherethePartieledifferinsizeonly,
underhighgasveloeity.And,exPerimentsProveditsfeasibility.Inaddition,anewexPeriment
systemWassetuP#
TllloughPreliminaryeXperhaentsresearch,factorsofparticlesegregationwereobserVedto
definitudetheeffectofsegregation.TheyarethedistributingPlate,thesuPerficialveloeity,the
comPositionoffeedandtherateoffeed.
Keywords:Heavy011Pyrolysis,Gas一solidsPouted,MinimumsPoutedveloeity,
MaximumsPoutedPressure,LiftPIPefluidziedbed,Flotsam,Jetsam山东科技大学硕士学位论文目录
目录
1绪论.//0/二/00//.0/0/二0..,/./00/二/.//.//0./0,0.0.0,/./0//二/二//.0二0.0,/0,0,.1
重油热加工现状和进展.......................................................................................,,1
喷动床的发展现状和进展...................................................................................,,5
流化床的发展现状和进展.................................................................................,,n
喷动床和密相鼓泡流化床的比较.....................................................................,,19
本论文研究的目的!意义和内容.....................................................................,,20
2
主要实验设备的设计二0/00./0二//:.0二/二/二0#0#,/#######..#,,0二/##,,/#,22
2.2
2.3
喷动床的结构设计.............................,,,.........................................................,,22
提升管流化床的结构设计.................................................................................,,27
整体工艺流程的提出.,,!.................................................................................,,30
3实验设计./.,/.,/~二/00.//0/二/..,0,/二/二///二/./二/,,/#,0.,0..#,,32
3.2
喷动床的实验设计...............................................,,,........................................,,32
提升管流化床的实验设计.................................................................................,,35
4喷动床实验结果与讨论二/0.//0/0二0/0/0//0000000000#/#00/#/0#0//##,/#/0#0039
4.3
4,6
物料的运动规律.................................................................................................,,39
最小喷动气速.....................................................................................................,,41
喷动压降.............................................................................................................,,48
喷动高度.............................................................................................................,,51
颗粒分层...........,,,.................................................,,,...................................,,55
小结.,...................................................................................................................,,57
5提升管流化床实验结果与讨论.,0/.0.00./二0二/.0,,00二0/000/.000.0,//,,.59
5.1可行性探索实验结果与讨论.............................................................................,,59山东科技大学硕士学位论文
5.2提升管流化床颗粒分离实验结果与讨论.........................................................,,60
小结.....................................................................................................................,,64
6结论与展望./........,,/.,/.,,0........,,/..................,,0.,//..####..#,,/
喷动床实验结论.................................................................................................,,66
提升管流化床实验结论.....................................................................................,,66
今后工作建议.....................................................................................................,,67
,白内j尹O麦U
致谢./00/0/二0//././//0.//./..,/一/./././/./.,0..,0.,0..,0..,000,/.,.,,0.0二00,0.68
攻读硕士期间主要成果.0/二0/二/0.0二0.0.000#/./000#//#/0#0/00#0..0//..000#0/#00/#069
主要参考文献.0,//.0,./0,.0/0/00.0/.0.//0二/.//00,00./0二00/0000#000000,/0#,70山东科技大学硕士学位论文目录
ContentS
1IntroduCtion.00.00,.0/.00二000///0./二/0.0/0.00/./.0.0..,,/00/.,/0//00.
00000.0.,1
1.1DevelopmentandTrendsofHeavy0ilProcessingTechnology...............................................,,1
1.2DevelopmentandTrendsofSpoutedBed.................................................................................,,5
1.3DevelopmentandTrendsofFluldiZedBed.............................,,,.........................................,,n
1.4ComP翻sionofSPoutedBedandDense一PhasebubblingFluidiZedBed................................,,19
1.50衍ect,Pu甲oseandConieniofTbisPaper.............................................................................,,20
2Designofmainequipments.0一/一00/#0#//0/0/./0/00#0/.0..0/0:./0000/00/0./一22
2.1
2.2
2.3
AichitecturalDesignofSpoutedBed......................................................................................,,22
户江chitecturalDesignofLiftPIPeRuidZiedBed............,,,.........................,,,.........####.....,,27
AdvaneeofEnsembleProeessRow..,,..................................................................................,,30
3ExPerimentalDesign,0../0000/0000/..00///0.0//000,00.000二/.0000/.0/0//000.32
3.1
3.2
ExperimentalDesignofSpoutedBed...................#.........#........................................................,,32
ExPerimenialDesignofLiftPIPeRuldziedBed....,,,.........,,,.,,,..................................,,35
4ExPerimentalResultandDiscussi皿ofspoutedBed.//00一0一00/000000////000.39
4.1MovmentRuleofMatiral........................................................................................................,,39
4.2TheMin加umSpoutingVefocity....................#.....####.#...###....##........##......................................,,41
4.3SpoutedBedPressureDrop.....................................................................................................一48
4.4SpoutedBedHeight................................................................,,-..........................................,,51
4.5GrainDel几min只tion...................................,,,......................,,,..........................................,,55
4.6BriefSurnrnary........................................................................................................................,,57
5ExperimentalResultsandDiscussionofLift巧PenuldzledBed0////0../0////000.59
5.1TheResultandDiscussionofExPoratoryExperimeni...........................#......##...............#.#......,,59
5#2TheResultandDiscussionofPartidesSegregationinUftPiPeFluidziedBed.....................,,60
5.3BriefSu~ary...........................,,,......................................................................................,,64
6MainC0nclusion..,/........,,/二"0,,,0.....................................................................,,66山东科技大学硕士学位论文目录
6.1Exper油entResultsofSPoutedBed...........,,,,,..,,.....................................,,,................,,66
6.2ExPer而entResultsofLiftPipeRuldziedBed............................................
...........................,,66
6.3V吸〕rkandSuggestioninFuture.................................,,/.,,,.,二,,,,.......,,,.,,,........,,67
ThankS./.0./0二//////0/..//./000000000.0.,000./0/00./00.0......,,/00/0000二0二0.0,".68
MainWorkAchievementoftheAuthorDuringW6rkingonMasterPaPer.#..###...##..#,,69
MainReferenceDocuments0000/0.00二0.00二/..//00///0./,/00.,000000000000./.00,.70山东科技大学硕士学位论文绪论
1绪论
Ll重油热加工现状和进展
能源问题在我国一直是一个比较尖锐的问题"我国属贫油国,据资料报道ll],我国
石油资源最终可采储量约130~150亿吨,仅占世界总量的3%左右"截止2004年1月1日,
剩余探明储量约25亿吨,仅占世界总量的1.7%左右"预计到2020年,我国石油可采储量
可以再增加24一33亿吨,加上2003年剩余储量25亿吨,约有50亿吨可供开采"若按每年
采油2亿吨计算,只能保证我国石油资源稳产20多年,可见我国可采石油资源量相对不足"
而且,我国待探明的石油资源绝大部分分布在海域!沙漠等开采条件极为恶劣的地区,
开采技术要求高,资金投入大,经济效益相对较低"因此,我国石油资源形势不容乐观!
受国内原油产量的限制,我国原油进口量也在逐年递增,且大部分为高硫原油,根
据国家海关总署统计[2],2004年进口原油达12272万吨,比2哪年增长了34.5%,2004年
成品油进口数量达3788万吨,比2003年增长了34.1%;2005年原油进口达12682万吨,成
品油进口达3143万吨,而2006年原油进口己达14518万吨,成品油达3638万吨"
另外,目前国产原油中的减压渣油约占1/2,而进口原油中的减压渣油约占30%,两
者合计,每年得到的减压渣油有近亿吨之多"随着国内重质原油和超重质原油的继续开
发,以及考虑价格等因素导致重质原油的不断进口,需要加工的重油将与日俱增"
因此,合理利用和节约使用宝贵的石油资源,大力发展渣油深度加工,开发合理的
重油加工工艺和设备,提高轻质油品收率,获取更多的化工产品已成为我国炼油行业的
一项重要技术政策"
目前为止,常用的工业化的重油加工过程大体可分为如下四类15][41:
(1)溶剂脱沥青
(2)热转化(包括减粘裂化和焦化,以焦化为主)
(3)重油催化裂化
(4)重油加氢
其中,溶剂脱沥青是一种使用溶剂来进行分离的物理加工过程,其余三类均属化学
加工过程"从C一H平衡角度来看,重质油加工无外乎两个途径:脱碳和加氢"上述过程
中,溶剂脱沥青以分出脱油沥青的方式脱碳,而焦化及重油催化裂化则生成焦炭的方式山东科技大学硕士学位论文绪论
脱除,减粘过程既不脱碳也不加氢,氢碳比不变"
此四类加工过程中,加氢虽是重油轻质化的理想手段,但由于装置投资较高,包括
氢耗在内的操作费用也较高,其发展受到限制"至于溶剂脱沥青,
则因分出的硬沥青不
易利用,也有一定的局限性"虽然重油催化裂化是重质油轻化的主要手段,但重质油的
沸点高!粘度大并含有较多的硫!氮!重金属等杂质,因此其所用的催化剂!反应和再
生条件以及设备等均比馏分油的催化裂化的要求苛刻,催化剂需加入特定的助剂"还有
些硫!氮!重金属和残炭含量高的重油无法用催化裂化进行加工"
重油的热转化对原料的要求比较灵活,装置投资相对较少,其处理量在总的重油加
工能力中约占60%,为重油加工的主要途径"热加工主要有延迟焦化!流化焦化!灵活
焦化和热裂化"流化焦化在50年代虽有所发展,但由于副产的流化焦粉用途不如延迟焦
广泛,而推广缓慢"灵活焦化是在流化焦化的基础上,进一步发展起来的把焦化生成的
焦炭与空气和水蒸气反应成低热值的水煤气,作为副产品送出装置"故这种焦化装置只
产生极少量的焦炭,适合处理高硫!高氮!及高金属含量的重质渣油,但其投资和操作
费用都高于延迟焦化,成本极高,从而限制了其发展"
长期以来,虽然己经有了不少渣油加工方法的研究和开发,但迄今为止,还没有证
明在技术上和经济上有能够超过延迟焦化工艺的"Fesullo等人预测原油中的减压渣油
含量在不断增加,密度愈来愈大,硫!氮!金属等含量也将增加很多,即渣油逐渐走向
劣质化"因此,延迟焦化方法将不能满足和适合这类渣油的加工要求"一是加热炉管容
易结焦,缩短开工周期;二是生产的焦炭,硫含量和重金属含量太高,质量低劣不能适
应市场需求"为了在不久的将来,能应付劣质渣油的加工,世界各国的研究人员增在大
力研究和开发一些新的重油加工方法,作为后备技术"
LLI延迟焦化
1.1.1.1一延迟焦化工艺现状
延迟焦化工艺15115][0l[刀是30年代开发成功的一种渣油热加工工艺,是目前我国应用最
广的渣油加工工艺"延迟焦化的目的是对重油进行轻质化和预处理,以提高轻质油品的
收率和生产特种焦以及为催化裂化或加氢裂化的原料进行预处理"延迟焦化装置由焦化!
分馏(包括气体回收)!焦炭处理和放空系统及其他部分组成"烃类进行热裂化反应的设
备为焦化塔,重质油在焦化塔里面发生两种反应:烃分子链断裂生成小分子烃和链断裂
生成的活性分子再缩合生成更大的分子,进而缩合成焦"焦炭塔为间歇操作,交替进行
生焦!除焦操作"需要有两组(2台或4台)焦炭塔进行轮换操作,即一组焦炭塔为生焦过
2山东科技大学硕士学位论文绪论
程,另一组为除焦过程,切换周期为16~24h"除焦采用高压水进行水力除焦,其周期的
操作包括切换!吹汽!水冷!放水!开盖!切焦!闭盖!试压!预热和切换几道程序"
延迟焦化工艺具有技术成熟,建设
投资适中,加工费用较低,产品质量好,易于进
一步改质等优点1511011101"在延迟焦化装置中,生焦量约占原料油残炭值的1.6倍"根据原
料油的性质可以生产不同特性的石油焦"近年来,随着国内重质原油!超重质原油的继
续开发和中东含硫原油加工量的不断增加,由于重油催化裂化和加氢裂化等催化工艺不
能处理高硫!高氮!高重金属含量和高残炭值的油料,这使得延迟焦化工艺得以大规模
发展"但生产的高硫石油焦也随之增加,这部分石油焦含硫量约为5%一6%,因硫含量高,
这种石油焦仅可用作燃料,但燃烧后产生二氧化硫,对大气污染严重,因此使用价值较
低"这种焦的国际市场价格每吨仅为10美元左右,约为燃煤价格的13一14%"因此,延
迟焦化石油焦的有效利用仍是个严重问题"
1.1.1.2延迟焦化存在的问题
任何一个事物都有其双面性[ll],虽然延迟焦化工艺的一系列特点使它在近代炼油
工业的重油加工过程中得到了较快的发展,但是延迟焦化存在不少的缺点是不容忽视的
主要有:
(l)延迟焦化的石油焦产率较高,如果生产高含硫石油焦(含硫量>3%),则焦的用途相
当有限,大部分作为固体燃料使用,即延迟焦化石油焦的有效利用仍是个严重问题"
(刀对于一些生焦性很强的原料,要采取一定的措施后才能送延迟焦化装置加工,这对
焦化工艺原料多样性的特点是在一定程度上的否定"例如国产新疆塔河原油是一种
生焦性很强的焦化原料,塔河常压渣油中沥青质含量很高,是管输减渣的4倍,胜利
减渣油的6倍"另外,塔河焦化原料的芳烃沥青比很小,塔河常压渣油的芳烃沥青比
只相当于管输减压渣油芳烃沥青比的22%,说明这类原料的结焦性能很强,很容易
导致炉管结焦"
(3)延迟焦化装置生成的废水!废气较多,卫生环境条件较差"
(.)从化学工程角度分析,虽然整个延迟焦化装置是连续生产,但每个焦炭塔是间断操
作,对生产效率和装置的平稳操作有相当影响"
1.1.2流化焦化和灵活焦化
1.1.2.1流化焦化和灵活焦化的提出
发展流态化焦化工艺可以基本上克服上述延迟焦化工艺缺点"流化焦化[s][51112][lsl
(Fluldcoking)是50年代由Exxon公司开发的一种流态化焦化工艺技术,在此基础上又成功
3山东科技大学硕士学位论文绪论
开发灵活焦化工艺(Flexicoking)"与延迟焦化工艺相比,这两个工艺具有原料和操作柔性
化程度高!反应温度高!液体收率高!焦炭(流化焦化)及气体收率较低等优点,尤其是装
置清洁生产和环境保护方面比延迟焦化有很大的改善"由于焦化反应所需的反应热由装
置流化床烧焦器所提供,装置不设焦化原料加热炉,因而不存在加热炉结焦问题,原料
多样化更广泛"流态化焦化适合于加工各种
重质原料"所有的常压重油!减压渣油,以
及任何可以泵送的重质油料,例如油砂沥青!重质原油!页岩油等均可作为灵活焦化的
原料油"也就是说,一般炼油装置不能加工的超重!劣质原油,流化焦化和灵活焦化都
可以加工,而且加工费用和原料中杂质含量(如重金属!灰分!硫!氮等)影响的关系
并不大,这些特点是炼油工艺无法与之竞争的"灵活焦化过程可把99%的减压渣油转化成
液体产品和低热值煤气,排出1%焦粉(对原料)"原料油中99%的重金属富集到焦粉中"
流化焦化和灵活焦化所得的液体产品的处理方法和延迟焦化相同"焦化产品中含的大约
95%的硫可以用常规的脱硫和硫回收工艺制成元素硫=l.],三种焦化方法的工艺特点简单比
较见表1.1"
表1.1三种焦化工艺特点简单比较
Tablel.1ComParisonofthethreeeokingProeesses
~~~~~一~~~~延迟焦化化流化焦化化灵活焦化化
反反应设备备焦炭塔(固定床)))流态化反应器器流态化反应器器
工工艺特点点反应温度缓和,液体收率一般般反应温度较高,液体收率高高反应温度较高,液体收率高高
工工艺复杂程度度简单单简单单较复杂杂
固固体产品品石油焦(燃烧焦!电极焦!针焦)))焦粉粉生成极少量高金属含量焦粉粉
焦焦炭(净)收率率高高较低低低
单单套能力力小~中中中一大大中~大大
投投资资低低低低较高高
相相对投资资10既既100%~120%%%13既~15侃侃
环环境影响响一般般较好,C0锅炉烟气需处理理较好好
早期流化焦化生成大量没有合适用途的焦粉,以及由于加工劣质原油造成CO锅炉烟
气排放严重超标等原因,流化焦化在工业上推广和应用少于延迟焦化工艺"后来开发的
灵活焦化由于配置有焦粉气化设备,可将焦粉转化成低热值瓦斯,基本上不生成焦粉,
灵活焦化工艺实际是由流化焦化与焦炭气化组成的一种联合工艺过程"
从化学工程角度分析,流态化工程具有处理能力大!过程连续性!操作可靠度高等
特点,同时所需要的设备少!操作人员少"从产品分布看,由于流化焦化的反应温度高!
反应停留时间短,因而焦化汽油产率较低而中间馏分产率较高,焦炭及气体产率较
低,约为原料残炭值的1.15倍,而延迟焦化的焦炭产率则为原料残炭值的1.5一2倍:从产山东科技大学硕士学位论文绪论
品质量看,流化焦化的中间馏分的残炭值较高!汽油含芳香烃量较多,所产的焦炭是粉
末状,在回转炉中锻烧有困难,不能单独制作电极焦,只能作燃料用,由于这部分焦粉
没有合适的用途,且装置的投资和加工费用都比较贵,因此没有得到普遍的推广和应用"
L13其他热加工技术
日本吴羽化学公司!住友金属公司和千代田工程公司共同研究开发的尤利卡伊ureka)
渣油热转化法和延
迟焦化法颇相类似,采用两个反应器轮换操作115]"不同之处是向反应
器渣油内吹入大量的高温水蒸汽,以防止渣油缩合成焦炭,最后生成如沥青状的高度浓
缩残渣物,作为副产品送出装置"这种副产品可作煤粉的粘结剂"因此Eureka热转化也
是适合于劣质渣油提炼液体产品的一种工艺方法,其液收和液体产品的质量和延迟焦化
相似;由于采用大量的过热蒸汽,故能耗要比延迟焦化大的多"
Engelhard公司开发的沥青残渣或渣油热载体处理法休盯)Ia],已经工业化"它以活
性很低的固体颗粒物,进行类似流化焦化脱碳过程,待生富碳载体利用较为困难"
80年代中期以来,化工科学研究院一直从事重油制取低碳烯烃技术的研究,近年开
发出了由重油直接制取乙烯和丙烯的催化热裂解(cPP)llo]工艺技术,并进行了工业中试"
CPP工艺采用提升管反应器和专门研制的分子筛催化剂及催化剂流化输送的连续反应一
再生循环操作方式,在比蒸汽裂解缓和的操作条件下生产乙烯和丙烯的新技术"该工艺
是一个催化反应和热反应共存的过程,可实现大量生产乙烯和丙烯的目的"
可见,重质油热加工过程中产生的焦炭不能得到很好的利用是重油加工行业首要解
决的问题之一"我们基于上述重油热加工所存在的问题,开发了重油热裂解制球形焦的
重油热解新加工工艺,主要生产球形焦和低碳烯烃以及三苯芳烃"可有效解决石油焦利
用难的问题,又可以获得低碳烯烃和三苯芳烃这些基本的化工产品,从而实现资源优化
和清洁利用"
1.2喷动床的发展现状和进展
喷动床是流态化技术的一个分支,与流化床相比具有床内流型重复性强且流型变化
少,流动相对更简单和有规律,操作压降低,气固接触效率高,粒子在床内有规律的循
环运动,结构简单且无移动部件!无需分布板等优点"几十年来,该技术研究不断深入
和发展,而且,其应用已经从最初的农业中的小麦干燥扩展到石化!能源!食品!医药
和冶金等众多的工业过程,其中许多应用过程涉及湿物料或粘性物料的操作"山东科技大学硕士学位论文绪论
1.2.1气固喷动床的概述
1.2.1.1气固喷动床发展简介
习惯上将气固喷动床简称为喷动床"喷动床(sPoutedBed)是50年代中期发展起来的
一种干燥小麦等粗大窄筛分颗粒(粒径再>lmln)的流态化技术llvjlls]ll9>!z0l"在50年代
初期的加拿大,当时为了干燥大批湿度过高的农作物,急需一种简便易行且传热效率高
的干燥器械"加拿大国家自然研究院(NaturalResear比eouneil简称皿C)的eisher提
出利用流化床传热效率高!温度分布均匀等优点来开发一种可移动的体积小但处理量大
的小麦干燥机"他与Mathur合作,对小麦的流态化干燥进行初步研究后,
开发出一种使
粗大颗粒与流体相接触的新型设备,这就是1955年Mathu:和Gisherlzll最早发明并申报
了专利的喷动床"他们进而对喷动床的气体!固体流动形态,颗粒尺寸及尺寸分布等因
素对喷动现象的影响开展了一系列的基础研究工作"
自Mathu:和Gishe:之后,喷动床已成为许多理论和实验研究的对象"1967年底,
加拿大英属哥伦比亚大学的Epstein教授与Mathur合作,在UBC建成了世界上最大的喷
动床研究中心,美国及前苏联的学者们也对喷动床的发展做了很多工作,日本在这方面
的研究也有了一定的发展"中国自1961年以来也开展了喷动床技术研究=22]=23][z,][周,并
以用于谷物干燥!聚氯乙烯树脂干燥以及青霉素干燥等过程"
柱体
锥体
喷射气体入口
图Ll典型的喷动床反应器
Fig.1.lThetyPiealsPoutedbedreactor山东科技大学硕士学位论文绪论
1.2.1.2喷动床的基本结构
目前喷动床的类型较多,如柱锥型!全锥型!多喷头床和多层床等,其中以柱锥型
喷动床应用最广饰][z7]"如图1.1所示,典型柱锥型喷动床反应器的基本结构主要有喷动
气入口喷嘴!底部倒锥及圆柱主体三部分组成"喷动床的结构对喷动现象的发生有很大
的影响"例如,当入口喷嘴直径与喷动床柱体直径之比沪i/D)大于某一临界值时,就不
会出现颗粒的喷动,此时,床层会随着流速的增加,由固定床直接转变为聚式流化状态"
该临界值沪i/D)随粒径变化由粗颗粒时的0.35到细颗粒时的0.1"此外,对于稳定的无脉
动喷动床操作,绝大多数物料要求喷动床底部倒锥顶角大于400,且入口喷嘴直径与粒
径之比必须小于25一30[28]"喷动床各部结构的基本参数如表1.2所示"
表LZ喷动床反应器的结构参数
Table1.2ParametersofsPouted七edreaetor
DDD止/DDD0.l(细颗粒),0.35(粗颗粒)))双z勿勿0.5一1000
几几稀稀<25一3000夕夕>40""
1:2喷动床流动结构!喷动现象和主要流体力学特性参数
图1.2和1.3所示是喷动床正常喷动时的流动结构示意图"流体(通常是气体)经由
位于床体底部中心处的一个小孔(喷嘴或孔板)垂直向上射入,形成一个随流体流速的增
高而逐渐向上延伸的射流区,当流体喷射速度足够高时,该射流区将穿透床层而在颗粒
床层内产生一个迅速穿过床层中心向上运动的稀相气固流栓(称为喷射区一Spout)"当
这些被流体射流夹带而高速向上运动的粒子,通过环绕其四周缓慢向下移动的颗粒床层
蜒撇j
倒锥区
气体入口
偏偏偏轰奄叁址址
{{{扮扮口行介介斗斗斗斗
图1.2喷动床三区流动结构示意图
Fig.1.2Three一regionflowstruetureofsPoutedbeds山东科技大学硕士学位论文绪论
环隙区
底部倒锥
喷射气体入口
图1.3典型喷动床喷动
Fig.1.3The帅iealsPoutingofsPoutedbed
(称之为环隙区一八卫
nulus),升至高过床层表面的某一高度时,由于流体速度的骤然降
低,颗粒会像喷泉一样因重力而回落到环隙区表面,形成喷泉区(Fountain)"这些回落的
颗粒沿环隙区缓慢向下移动至床层下部,然后又渗入喷射区被重新夹带上来而形成颗粒
的极有规律的内循环[z9]"这种具有稀相喷射区!密相环隙区!喷泉区三区流动结构的流
动现象就是喷动现象"
喷动现象只存在于一个有限的流速范围内,流速太低射流区不能穿过床层,太高则
导致全床流化"对于特定的流体!物料及喷动床结构,有个最大喷动床高氏(Maximum
SPoutedBedDePth)lwl,当床高高于氏时,喷动床的操作状态处于鼓泡床操作,而不会
出现喷动现象"在一定的床高(<拣)下,随着流体流速的逐渐提高,喷动床的操作状态
从固定床操作向喷动床状态转变,其转变时所对应的流体流速称为最小喷动气速
ums(Min加umspout过9veloeity)[,.][犯]=,,];继续提高流速,喷动床进入稳定喷动状态,再
转变为不稳定喷动状态,最后不再喷动,形成腾涌流化床"
描述喷动床流体动力学特性的参数除了最小喷动气速/ms和最大喷动床高瓜外,还
有最大喷动压降乙凡公=3.1!操作压力降乙Ps!喷动区直径D:及床层空隙率分布等,实际
研究中,根据需要测定所需参数,以反映喷动床的流动特性脚>"本课题将对这些特性参
数进行研究"
1.2.3喷动床的应用
喷动床技术从1955年出现以来,已广泛应用于颗粒与糊状物的干燥哪]田l,造粒及
8山东科技大学硕士学位论文绪论
片剂表面的包覆等多种化工过程,但喷动床主要适用于处理粒径大于Ilnln的颗粒的物理
操作中"喷动床的结构和流动特点非常适合于氧化燃烧过程,固体颗粒在喷动床中高速
而有规律的运动有利于床内热量的快速传递,从而可以扩展可燃烧范围,提高反应速度,
使燃烧和反应可在相对较高的温度下进行"由于喷动床的上述特点,近年来将其作为催
化和非催化化学反应器的应用也日益受到重视,例如重油的催化裂解,富燃料混合物的
燃烧,甲烷催化部分氧化制合成气和催化聚合等"因此,喷动床在合成气制备,有机物
聚合等过程中的应用日益受到重视"
1.2.3.1一般物料的干燥
喷动床中良好的固体混和与有效的气固接触使喷动床成为干燥非烧结性粒状物料的
一种最佳干燥器[s8],喷动床干燥器特别适合于热敏性物质如农作物!高分子颗粒的干燥,
因为喷动床中粒子的快速搅动使其能够采用比非搅动干燥器更高的气体温度而无需担心
粒子的热损伤,图1.4是典型的连续式颗粒物料干燥系统示意图"
空
-!
图L4小麦干燥装置
Fig.1.4Thewheatdrying叩ParatUs
L2.3.2汽化!热解!燃烧1341
不断循环的环隙区内向下运动的热粒子与向上运动的冷
入口气体之间的逆向传热保
证了惰性颗粒喷动床能燃烧比常规燃烧器更低等级的气体!液体和固体燃料,可热解油
页岩等物质"Lim等发现即使对高灰分固体燃料,如果床层温度保持在870K以上,并
将主旋风除尘器捕集的细粒返回到床内,喷动燃烧器的燃烧效率可超过90%"Foong等
的研究表明在常温喷动床(床径0.巧m)内进行煤的气化可以得到与流化床或移动床气化
9山东科技大学硕士学位论文绪论
器相当的生产量"
喷动床还可用于生物质的分解,比如,Martin提出以HZSM一5为催化剂,将锥形喷
动床用于生物质银杏的高温分解"因为喷动床的气体流动具有多面性,可以用来处理像
生物质这种具有不规则结构,不同的颗粒尺寸分布且湿度较高的固体物料,而不必加入
惰性颗粒来获得生物质的周期运动"而且锥形喷动床与流化床相比,更不容易出现颗粒
分离现象,气固接触好,燃烧效率更高,成本费用低,压降低使得操作费用比流化床低
得多"从另一方面来说,处理生物质要求时间短,温度容易控制及湍动强烈,这些可在
喷动床中实现,而其它接触方式则无法做到,因为很少的设计能够提供适当的湍动"
1.2.3.3化学反应
日本北海道大学138]根据粗颗粒喷动床中相对高的喷射气体速度和较低的气体停留
时间的特点,开发了用于石油原料裂解的小型喷动床反应)再生器"该技术采用2个
喷动床,即在喷动床反应器中用原油作喷射流体,而在喷动床再生器中则用空气作喷射
气体"喷动床还可用于气相化学反应,催化聚合反应等"
1.2.3.4造粒和涂层
造粒和涂层是应用喷动床中颗粒有规律的循环运动这种特点的两个典型例子"在喷
动床造粒过程中田>[侧,熔融液或溶液以雾状喷进装有产品细颗粒的由热气体作喷动气体
的喷动床,产品细颗粒在床内循环的同时被沉积在其表面的熔融液(或溶液)或其反应产
物一层层地覆盖,直到形成球形度很好的!均匀的最终产物"用喷动床作反应一造粒器与
用流化床的效果相比,其产品更圆整!更光滑!更坚硬,而且不会产生团块,也不致在
分布板上结垢"这是因为喷动床中颗粒的运动规律较流化床更强的缘故"图1.5为制造
氮磷复合肥的反应一造粒装置示意图"经预热的磷酸溶液喷入进气管,120oC的空气一氨
气混合气在其下方几厘米处喷入进气管用作喷动介质"当晶种颗粒穿过液体喷雾段时,
颗粒表面上会沉积一层液体薄膜,当颗粒继续在喷泉区上升,以及此后在环形区下降时,
进一步和热空气接触,液体薄膜会得到干燥"颗粒在床层中循环时会逐渐长大"对于喷
动床中的涂层,颗粒间的摩擦必须足够小以使固体涂层留在颗粒表面直到这些颗粒再次
被喷射的溶液涂覆,这种颗粒的
生长机制被称为涂层"颗粒通过涂层和至少两种主要颗
粒的团聚而生长变大,进一步的机制导致了均匀的球型颗粒的生成,后者发生在当湿润
的颗粒和其他颗粒相碰撞时在它们之间生成了一种液体架桥的种情况下"许多研究者l.l]
都对喷动床应用于颗粒涂覆特别是用于生产涂有硫磺的尿素进行了研究"还有对燃料的
涂覆瞬l,核燃料的涂覆l.3>,药片涂覆也有相关研究"
l0山东科技大学硕士学位论文绪论
产品
布卜一酸液
空气一氨气混合气
图1.5反应一造粒装置示意图
Fig.1.5Reaetion一PelletingaPParatussketch
1.3流化床的发展现状和进展
13)流态化现象
在现代石油!化工!能源!轻工!冶金!材料和环保工业中,大量的颗粒和粉末状
固体物料被作为原料!催化剂及能源使用"为方便使用通过一定的方式使这些固体散料
具备流体性质的现象,称为固体流态化现象=州"
但是不是任何尺寸的固体颗粒均能被流化,一般适合流化的颗粒尺寸是在3伽m到
3mm之间,大至6Inln左右的颗粒仍可流化,特别是其中掺杂有一些小颗粒的时候,总
之形成固体流态化要有一下几个基本条件I,5l:
(l)有一个合适的容器作床体,底部有一个流体的分布器;
(2)有大小适中的足够量的颗粒来形成床层;
(3)有连续供应的流体(气体或液体)充当流化介质;
(4)流体的流速大于起始流化速度,但不超过颗粒的带出速度"
由于所使用的流体不同,流态化现象可分为气固或聚式(aggregativonuldization)流态
化!液固或散式流态化印叭iculate且uldization)和气液固三相流态化"相对于气固流态化,
液固流态化流型较为简单,基本上只有固定床!散式流态化及液相输送三种流型[.6]"传
统的气固流态化局限于较低的气速,但随着研究的深入与应用的需要,近年来高气速流
态化的研究与应用得到较大发展"对气固流态化由低速到高速的流型划分,不同的研究山东科技大学硕士学位论文绪论
者提出了不同的观点"下图画出了几种具有代表性的流型示意图"随着气速从零开始逐
步提高,固体颗粒床层由固定床开始发生一系列的流型转变"
u,:增加
怡怡怡怡省卜令尹:::::莎莎,分lllllll黔黔黔黔黔黔黔黔黔黔黔黔黔
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1.3.1.1
Fig.1.6AllsortsofhydrodynamiesflowPatte几ingassolidfluidiZ
ation
传统低气速流态化中的流型
如上图所示,当气速低于初始流化速度时,固体颗粒床层处于静止状态,气体通过
颗粒间隙流过床层"这时床层为固定床(血edbed),床层压降非常稳定,波动极小,并且
压降随气速的增加而增加"当气速提高至初始流化速度时,气体对颗粒的曳力刚好平衡
床层颗粒的重力,床层开始流化"当气速高于初始流化速度时,床层总压降不再变化"
对粒径较小的A类颗粒床层,从最小流态化提高气速首先导致床层发生均匀膨胀,使气
体通过比固定床略大的颗粒间隙流过床层,此时床中并无气泡产生,压降波动仍然较小,
其流化状态称为散式流态化,有时又称为迟滞鼓泡流态化"当气速进一步提高到最小鼓
泡速度时,床层开始出现鼓泡,压降波动明显增加"对颗粒较大的B类颗粒床层,床层#
没有开始时的均匀膨胀过程,而是直接发生鼓泡现象,其最小流化速度就是最小鼓泡速
度"在气速达到最小鼓泡速度后,床层底部开始出现气泡,床层底部开始出现气泡,多
余的气体以气泡的形式通过床层"
此时从整体上讲,床层继续膨胀使其体积有所增大,但乳化相并未继续发生膨胀"
气泡在上升过程中相互聚并,尺寸不断长大,直至到达床层表面并破裂"这时颗粒的混
合及床层压降波动变得非常剧烈"大量的颗粒以气尾涡的形式被带到床面,同时又有颗
粒在乳相中向下流动以补充向上流动的颗粒造成的空缺"由于向下流动的颗粒的带动,
气体的返混加强"并且因部分气体以气泡形式通过,总体气固接触效率较均匀膨胀的散
12山东科技大学硕士学位论文绪论
式流化床有所降低"同时,气泡在床表面的破裂将气泡前沿及尾涡中的部分颗粒弹出床
面,在密相床面之上形成一个稀相的自由空域"出现鼓泡现象的床层称为鼓泡床(bubbling
bed),相应的流型称为鼓泡流态化(bubblingfluidization)"凡具有鼓泡现象的气固流态
化都称为聚式流态化"对某些密度很低的A类颗粒床层,随着气速的提高,床层将不断
均匀膨胀,直至气速达到颗粒的带出速度,从而将床层很快吹空"因而此类颗粒只会发
生类似于液固流态化流型的散式流态化"
对于比较细而长(长径比较大)的流化床,进一步提高气速,将导致气泡在上升过
程中气泡像活塞一样向上移,进一步长大而接近于床层截面积的尺寸,形成气栓(shig)"
此时,颗粒从气栓上面的颗粒层纷纷下落"当气栓达到床表面时,气栓破裂"而后续的
气栓又不断地形成!上升直至破裂"此时床层压降出现剧烈的但却非常有规律的脉动,
这种现象被称为腾涌或节涌(slugging)现象,其相应的操作称为节涌流态化(slugging
nuidization)"通常腾涌现象使夹带加剧,气固接触效率和操作稳定性降低"
因而一般应
尽量避免腾涌现象的出现"但另一方面,由于腾涌流化床流动的规律性强,易于用数学
方法模拟,所以常被用来作为模型反应器以求得反应的动力学数据=叨"
随着气速的进一步提高,床层湍动加剧,气泡尺寸变小,并且边缘变得模糊不清"
此时虽然床层表面(即浓相区与稀相区的界面)仍然存在,但已变得比较模糊"相对于
鼓泡床和腾涌床来说,此时床层压降的波动频率大大提高而振幅明显减小"这时流化床
处于湍动流化状态,相应的流型称为湍动流态化(turbulentfluidization)"与鼓泡床比较而
言,湍动床(turbulentbed)中气泡的聚并与破裂频率极高,使平均气泡直径变小,两相行
为减弱,因而流动更为均匀,气固接触效率提高,但夹带现象也趋于严重"对于如何确
定从鼓泡流态化到湍动流态化的转变气速,一直存在着不同的观点"多数研究者根据床
层压降的振幅变化来进行流型划分"并且一般将振幅达到极大值时的气速作为鼓泡流态
化向湍动流态化转变的起始转变速度148]I.9]"
1.3.1.2从低气速到高气速的转变
在湍动流态化下继续提高气速,床层表面将变得更加模糊,颗粒夹带速率亦随之增
大,颗粒不断地被气流夹带离开床层"当气速增大至某一临界速度utr/us"时,颗粒夹带
速率将有一个明显的提高"这时在没有颗粒补充的情况下,床层颗粒将被很快吹空"如
果有新的颗粒不断补充进入床层底部,或通过气固分离设备及下行管回收带出的颗粒,
这种操作便可以不断维持下去"此时的流化状态称为快速流态化[s0l,相应的流化床称为
循环流化床,又简称循环床或快床"快速流态化比湍动流态化具有更高的气固接触效率!
13山东科技大学硕士学位论文绪论
更为均匀的固体颗粒分布以及极少的气固返混协-!"伴随着流化状态由湍动流态化向快速
JJJ一l州,l引,曰}一l卜二勺勺
黔黔黔
Fig.1.7Teelmiquesortoffluid泛ationoPerationregion
流态化的转变,原先低气速流态化中浓相(乳化相)为连续相和稀相(气泡相)为分散
相的局部相结构也发生了根本性的转变"循环流化床由以单一颗粒形式存在的稀相和以
颗粒聚集体即絮状物形式存在的浓相组成"此时稀相为连续相,浓相为分散相"从总体
流动结构来看,传统低气速流态化中上部稀相区和下部浓相区的界面在快速流态化中变
得弥散甚至消失,颗粒浓度沿床层轴向呈上稀下浓的单调指数函数或s形的连续分布1521
而颗粒浓度沿床层径向为中心稀,边壁浓"在床中心区域,颗粒除少数以絮状物形式存
在以外,主要是以单颗粒形式存在,从而形成颗粒浓度较低的中心区;靠近壁面附近的
颗粒则主要是以絮状物的形式出现,从而形成颗粒浓度较高的边壁区"颗粒速度在床
中
心区主要向上!边壁区主要向下,呈明显的内循环流动,因而导致一定程度的返混"
关于对快速流态化流型的判定,目前仍然存在着几种不同的观点"一种观点认为,
J决速流态化必须是床层底部存在密相区;如果床层轴向颗粒浓度均匀一致,则只能归为
密相或稀相气力输送,这相当于在快速流态化区域中划分出了一个密相输送区(图1.7)"
另一种观点认为,快速流态化流型中必然在壁面附近有颗粒回流"我们认为以底部是否
存在浓相区来判定快速流态化的存在是不够确切的,因为循环床中底部浓相区的存在与
否除了与操作气速和颗粒循环率有关外,还受伴床设计及颗粒储量的影响哪l"另外,在
14山东科技大学硕士学位论文绪论
形成快速流态化的循环流化床中,整个流化床层并不是随着气速的提高而同时进入快速
流化状态的"比如,在循环床提升管的底部浓相区,发现其气固流动状态具有鼓泡流态
化或湍动流态化Is.1"
1:32流态化工程研究的领域
近代固体流态化技术在工程中作为一种重要的流固相间物理操作(如干燥!掺混分
级!吸附!包涂等)或化学操作(如催化合成!裂解!氧化!氯化等)的技术被广泛采
用"可以进行类似的流固相操作的技术,除流化床外,尚有固定床和移动床"
只有在流体向上通过散料层粒隙间的速度降低到某一临界值,即流体对颗粒层的曳
力恰到刚刚不能使颗粒悬浮时,流一固操作就不再是流化床过程了,这一临界值称之为临
界或最小流化速度"在更低的流速下,颗粒不再处于悬浮状态,而是处于堆积状态"流-
固相进行相对运动,而固体散料层静止不动的操作称为固定床操作;如果处于堆积状态
下的料层缓缓下移,而流体通过粒隙间运动,则称为移动床操作"作为流态化操作的下
限的临界流化速度,仅为流一固两相物性的函数"而流态化操作的上限,既与流态化流型
密切相关,还是物性的函数,如对于散式传统流态化的上限,一般定义为带出速度ut,
而umf至u,之间的可操作域从细小粒径的/血沪80一90,降低至粗大粒径的/t/u护8一9"
而对于气一固聚式传统流态化的上限,由于有大量气体以气泡形式逸出,大大降低了粒隙
之间的气速,是操作上限远大于单颗粒夹带速度,使适宜操作的气速高达上百倍的utnf"
至于快速流态化的存在域则更为复杂"
流态化工程的第二个重要研究领域为根据流态化行为的特征对流态化操作进行分
类,以及各种不同操作域的转化与划分"从整体来说,流态化技术可以如图1.7,所示进
行分类"
流态化工程的第三个重要研究领域为不同操作域内的床层流动结构及各种物性及操
作条件(如温度!压力!流速等)对床层多相结构的影响"其结构包括局部参数的
时空
分布,截面平均参数的轴向分布,以及局部结构(如气泡!尾涡!晕层!絮状物!射流
等)的形状分类和行为"这些问题的定量研究和表达将为流态化技术的数学模型表述和
操作效果的预测打下基础"由于多相流的行为(特别是在高速条件下)是一个典型的混
沌过程和非线性过程,对于各种床内参数(压力脉动值!局部空隙率!气速!颗粒速度
等)的动态变化过程的剖析,可能使研究者获得更深层次的信息,因而近年来已引起广
泛的兴趣"
流态化工程的第四个重要研究领域是多相系统内的热量与质量传递问题,包括床层
l5山东科技大学硕士学位论文绪论
内流体与颗粒之间,颗粒与颗粒之间,床层与浸润表面之间的热量传递,床内流!固相
的混合扩散,物料在相间(如泡相与乳相间!连续相与分散相之间)的质量传递,物流
的停留时间分布等规律的研究"
流态化工程的第五个重要研究领域是流态化装置的结构特征(如流体分布器!内构
件!导流筒!流固分离装置等)对上述过程的影响"可以说,很少有哪一种化工技术在
工程应用中,其设备结构和相应的操作条件像流态化技术这样产生出千姿百态的变化,
以适应不同工艺的要求"研究设备结构对流态化行为的影响形成了另一个不断开拓的研
究新领域"
流态化工程的最后一个重要研究领域为根据特定的化学或物理工艺过程,建立上述
多种类型的多相流体力学模型,并把它们与传热!传质和化学反应过程动力学用数学表
达式相关联,以期预测指定工艺与装置的反应结果,进行工艺和装置的优化设计与过程
控制的研究"
由于流态化技术设计的过程和物系繁多,应用领域广泛,新工艺过程不断出现,所
以要达到对流态化过程进行全面的数学模拟和精确的预测仍需要大量的研究工作,才能
完成对流态化过程的设计!操作和优化控制从技艺至科学的转化"
1.33流态化工程研究的领域的新拓展)气固流化床颗粒分离的研究现状
由于气固流化床干法颗粒分选技术是新开发的工艺,国内外研究均处于实验研究阶
段,还没有实现工业化"本文将对现有的研究按固体颗粒组份体系进行综述,并指出今
后的研究重点和发展趋势"
1.3.3.1双组份颗粒的实验研究和模拟研究
国外有大量的关于气固流化床用于不同粒径或不同密度颗粒分离的实验研究,特别
是不同粒径的颗粒的研究"但这些研究基本上都是对双组份颗粒的研究,只有极少数的
涉及到多组份连续颗粒"对双组份不同粒径的颗粒分离的研究[55jls61I57]Iss],发现大颗粒优
先移动到流化床的底部(接近分布板的地方),而细颗粒则积聚到流化床上部的自由空间"
另外,一些学者对气固流化床双组份颗粒混合物的分离的
计算机仿真模拟也进行了
研究,以便补充实验中存在的不足,并进一步预测连续颗粒分布的情况"从处理方法上
可分欧拉一欧拉模拟法(气固相统一按一连续相处理)和欧拉一拉格朗日模拟(气相为连续
相!固相为非连续相)"wachemetal.啤>采用欧拉一欧拉方法模拟不同密度或不同粒径的
双组份混合颗粒的流化分离行为"Huilinetal.[00]在他们的气固流化床的欧拉一欧拉模拟
中,以用动力学原理为基础来模拟双组份颗粒混合物(唯有粒径不等)"该模拟指出大粒
16山东科技大学硕士学位论文绪论
径颗粒积聚在分布板附近,这和实验的结果是一致的"HoomanSetal.回>采用二维欧拉一
拉格朗日模拟系统,完成了统一密度!不同粒径的两组份颗粒混合物在气固流化床中的
流化情况"也发现大粒径颗粒积聚到流化床的底部,同时还指出无摩擦和完全弹性的颗
粒可以明显加速颗粒的分离"Limtrakuletal.[6z}采用欧拉一拉格朗模拟体系,研究了双组
份颗粒(不同粒径或不同密度)在气固流化床中的分离"他们指出大!重颗粒趋于集中
在分布板的附近,但是当颗粒粒径或密度趋于一致时,分离现象随之减弱"BO球ersetal.[03]
应用三维欧拉一拉格朗日模拟系统,考察了具有统一密度的双组份颗粒在鼓泡流化床中
的分离"不论是分离方式,还是分离速率都和Guldschmidtetal.的实验研究非常类似"Feng
etal.=叫提出了一种欧拉一拉格朗日模型一双组份固体颗粒是三维的,而气相是二维的"
他们指出原始的物料状态并不影响最终的分离状态,但影响分离速率"
中国科学院山西煤化所的张济宇等人[6sl,综述了低气速气固流化床有关颗粒分离的
研究概况,包括实验研究和模型比较"讨论了不同研究结果之间差异及存在的不足,并
指出了该领域中需要进一步深入研究的方面"他们还对灰熔聚冷模流化床中双组份体系
颗粒分离特性进行了实验研究,并建立的一套实验体系I网"在实验研究中,他们选择了
沉积组份平均重量百分比为20~50%的三种双组份体系(一种等密度体系,两种不等密
度体系),较详细地研究了两种分离特性一分离效率及分离速率一随操作条件按颗粒物性
的变化规律,为实际灰熔聚流化床的操作与设计提供了重要的参考依据"并首次提出了
沉积组份分离速率的定量关联式,可作为强分离体系连续稳定操作时参数选择的依据,
进一步给出了双组份混合物中沉积组份高效分离时分离速率的变化范围计算式"后来,
他们还对不同粒径!不同密度和不同粒径不同密度的的二组份混合物,在流化床内的分
离状况进行了初步研究[6v][08],其实验装置图见图1.8"考察了操作气速对分离度的影响,
图1.8流化床分离实验装置图
Fig.1.8ExPerunenta
laPParatusesoffluid泳dbedsegregation
1一空气2一转子流量计3一流化床4一分布板5一预分布气室6一U型压差计7一取样口
l一airZ一rotmeter3一fluid止edbed4一distributionPlates一Predistributionair-ehamber6一UPiezometer7一samPlePoint山东科技大学硕士学位论文绪论
得出物料的静床高对高效分离气速没有影响,并且特定操作气速下,二组份混合物可产
生高效分离"石油大学重质油国家重点实验室的徐春明等人啤},也对气固流化床中双组
份颗粒分离的研究进展进行了总结,指出了气固流化床颗粒分离技术在石油炼制领域的
发展方向及其重要意义"
1.3.3.2多组份颗粒的实验研究和模拟研究
据报道到目前为止,对气固流化床双组份颗粒分离的实验和仿真研究已很多,但对
气固流化床!连续颗粒的分离的研究却极其有限"Hoffmanetal.[v0}对具有连续分布的沙
子在气固流化床内分离,进行了实验研究"他们发现物料在床内分为上下两层,两层分
别具有相对统一的组成,且较大的颗粒积聚在床的底部,为下层"Deleb二eetal.lvl>对
logno皿al颗粒粒径分布和密度的分布,在气固流化床内的分离进行了实验研究"
连续颗粒分布的气固流化床颗粒分离的模拟研究,是用N组份颗粒进行近似研究的"
Mathiesenetal.圈视三组份混合物(N二3)为连续颗粒分布,基于颗粒动力学原理,采用
欧拉一欧拉模拟系统模拟颗粒在流化床内的分离"他们发现,在快速流化的状态下,大
颗粒积聚在循环流化床竖管的底部"相似的,Fanetal.=钊用欧拉一欧拉模型,单分散动
力学原理,追踪连续分布颗粒在流化床内积聚和分离的轨迹"他们分别对多颗粒体系
(N二2,3和4)进行了研究,并用单分散动力学原理去描述每个颗粒群的运动"在模拟
中他们发现大颗粒堆积在床的底部,除非颗粒粒径足够流化而流化上移"
DahlandHrenya洲建立了欧拉一拉格朗日模型,在低气速下模拟连续粒径分布颗粒
在流化床内的分离"模型区是二维的矩形区,颗粒为密度相等!非弹性有摩擦的颗粒,
选择一定粒径的颗粒形成gaussian或loguormal颗粒"分离结果显示从床底部到上部的自
由空间平均颗粒直径逐渐减小;颗粒粒径范围越大,分离效果越好"
1.3.3.3气固流化床颗粒分离技术研究存在的问题
气固流化床颗粒分离技术为颗粒分离开发了更有效!经济和环境友好的干法分选设
备和工艺,同时也为流化床的应用开拓了新的领域,不论是在农业!矿物分选!煤化工,
还是在石油炼制行业都具有良好的实用价值和现实意义"但由于流化床用于颗粒分离的
研究处于刚刚起步阶段,有很多地方还需进一步深入"为使气固流化床中颗粒分离技术
更加完善,适应工业放大的要求,还需在以下几方面开展深入研究工作:
(l)加
强对多组份和连续颗粒体系分离的研究,使之更接近实际!更适合工业化应用"
(2)加强微观机理的研究,探索气固两相的相对流动!分析流体应力,固体颗粒之间的
相互作用!颗粒的受力情况"从而从理论上建立等密度!不等粒径的多组份颗粒体
l8山东科技大学硕士学位论文绪论
系的分离判据"
(3)颗粒分离技术的工业化要求在一定的温度!压力下进行连续性操作,但目前温度和
压力对颗粒分离定量影响的研究仍是空白,而该研究对工业设计具有重要的意义,故
需进一步深入研究"
L4喷动床和密相鼓泡流化床的比较
喷动床与密相流化床之间既有相似之处,又有其各自的特点=7s],相似之处在于:
(1)分别有一个明显的临界喷动点和流化点,相应地存在一个临界喷动速度ums和临界流
化速度/mf,当流速达到/Ins或/mf时,颗粒床层分别开始喷动或流化"
(2)一旦形成稳定的喷动床和流化床,相应的压降为一常数,将不再随气速变化"
(3)喷动床具有稀相喷射区!密相环隙区!喷泉区三区流动结构;密相流化床内存在气泡
相和颗粒密相"喷动床内颗粒大部分存在于环隙区;流化床颗粒大部分存在于密相"
(4)由于密相流化床中存在颗粒床层的结构不均匀性以及由颗粒表面特性所引起的内聚
现象,同时由于汽泡的聚并等原因,常造成沟流!腾涌等不正常流化;喷动床中如果
物料尺寸分布过广或床层高度过高(如大于最大喷动床高),将产生环隙区的流化和喷
射区的窒息以至于喷动变得不稳定;喷射速度足够高时,甚至会出现喷动床变成聚式
流化床或腾涌的现象"
(5)作为化学反应器,喷动床与流化床一样,具有物料可流动性!相对均匀的温度分布以
及较好的传热特性等优点"同时,也都有气体短路!固体返混!颗粒扬析和磨损等缺
点"
与流化床相比,喷动床又具有以下自身的特点:
(1)床内流型重复性强,且流型变化比流化床少,其流动比流化床相对更简单和有规律"
但是,所能处理的物料尺寸及所用床体结构比流化床有更多的限制"
(2)操作压降比流化床低"这是因为垂直壁面的剪切力可部分地支撑固体颗粒的质量;由
于部分气体从喷射区快速通过床体,相应的气体停留时间短"
(3)对粗颗粒,喷动床的气固接触效率优于流化床"因为如果床层足够深,大部分喷射气
体会向上穿过环隙区与向下运动的颗粒形成逆流接触,其余在喷射区的气体则会带动
喷射区中的粒子以很高的滑移速度穿过,有利于传热和传质"在密相流化床中,密相
内气体基本以临界流化速度通过剩余的气体主要以气泡形式通过床层,构成气泡相"
虽然气泡相内的气体能不断与密相内的气体进行交换,但气泡中的气体只能穿透到气山东科技大学硕士学位