流化床-提升管耦合流化床反應(yīng)器研究進展

崔 剛，盧春喜

（中國石油大學(xué)(北京)， 北京 102249）

流化床-提升管耦合流化床反應(yīng)器研究進展

崔 剛，盧春喜

（中國石油大學(xué)(北京)， 北京 102249）

耦合流化床反應(yīng)器由于其獨特的優(yōu)越性，得到了越來越廣泛的關(guān)注。介紹了近期流化床-提升管耦合流化床反應(yīng)器的應(yīng)用研究進展。同時對比了不同物性的顆粒在類似的流化床-提升管耦合流化床反應(yīng)器內(nèi)流動特性，發(fā)現(xiàn)不同物性的顆粒，在流化床-提升管耦合流化床反應(yīng)器內(nèi)的流動特性有著不同的特性。

耦合流化床；流動特性；研究進展

流態(tài)化技術(shù)以其特有的優(yōu)越性能，在化工、石油、冶金、能源、材料、生化、環(huán)保、制藥等國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域中的到日益廣泛的應(yīng)用［1,2］，流化床按照流體和固體顆粒兩相流動行為可分為鼓泡床，湍動床，循環(huán)床、稀相床和快速床［2］。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展以及對反應(yīng)程度的苛刻控制的追求，單一的流化床型反應(yīng)器已經(jīng)很難滿足技術(shù)的需求，不同流化類型相耦合的耦合流化床反應(yīng)器已經(jīng)被越來越多的學(xué)者進行研究，部分耦合流化床反應(yīng)器已經(jīng)在工業(yè)裝置上成功應(yīng)用。如流化床氣化-燃燒技術(shù)［3,4］，管式燒焦技術(shù)［5］等。在催化裂化再生技術(shù)方面，我國已經(jīng)掌握了鼓泡床、湍流床和快速床，完全和不完全燃燒，以及單段和兩段等各種床型和方式的組合形式。形成了多種床型和方式組合起來的新型再生技術(shù)工藝［6］。盧春喜［7］等利用了流化床和提升管的各自優(yōu)點，提出了一種使用耦合流化床將油砂直接流化床焦化新技術(shù)。這些成功的應(yīng)用說明，針對不同工藝開發(fā)不同流化床型相耦合的技術(shù)大有可為之處。

1 流化床-提升管耦合流化床反應(yīng)器研究現(xiàn)狀

提升管反應(yīng)器由于操作線速較高，具有良好的輸送性能，且其返混程度低，接近活塞流，反應(yīng)效率高，目標(biāo)產(chǎn)品易于控制等優(yōu)點。提升管與流化床耦合反應(yīng)器能夠?qū)烧叩膬?yōu)點結(jié)合起來。眾多學(xué)者對單一提升管做了大量研究，研究結(jié)果表明［8-10］，提升管出口的幾何結(jié)構(gòu)對提升管內(nèi)氣固流動特性有重要影響。在光滑的弱約束出口條件下，固含率呈上稀下濃分布；在非光滑的弱約束出口條件下，固含率呈兩端大、中間小的C型分布。若將提升管與流化床相耦合，會對提升管出入口產(chǎn)生約束作用，提升管內(nèi)氣固流動特性將會呈現(xiàn)新的特性。

目前對于流化床與提升管耦合結(jié)構(gòu)流體力學(xué)特性的研究較少。主要有以下應(yīng)用研究：

中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所粉煤氣化工程研究中心，根據(jù)提升管的優(yōu)點，開發(fā)了耦合灰熔聚技術(shù)和提升管技術(shù)的多段分級轉(zhuǎn)化流化床煤氣化爐［11］。其結(jié)構(gòu)主要為射流流化床頂部與提升管耦合而成，且兩段流化床都有獨立的進料口。集合了灰熔聚氣化爐和提升管的優(yōu)點，具有梯級進料、分段進氧、煤分級轉(zhuǎn)化、氣化爐體積利用率和氣化效率高、結(jié)渣風(fēng)險少等優(yōu)點。

黃克峰［12］等針對催化裂化裝置結(jié)焦問題，開發(fā)一種由“提升管+流化床層+旋風(fēng)分離器”組成的催化裂化新型反應(yīng)器，并初步考察了流化床層部分的流動特性及其對旋風(fēng)分離器分離效率的影響。

徐聰［13］等針對利用高 Ca、Mg 含量的原料進行四氯化鈦生產(chǎn)工藝中物料粘結(jié)性問題，利用原料在提升管與流化床間順流流動的強剪切作用來提高抗粘結(jié)性，開發(fā)了提升管和流化床多級組合式流化床。這種反應(yīng)器包含底部的提升管和提升管頂部的多顆粒氣力輸送床，并針對具體反應(yīng)體系進行了數(shù)值模擬工作。

侯栓弟［14］在汽油催化反應(yīng)動力學(xué)模型和氣固兩相流動模型的基礎(chǔ)上，建立了汽油改質(zhì)反應(yīng)過程流動-反應(yīng)耦合模型，相比于提升管反應(yīng)器，其流動形式較為復(fù)雜，汽油中的烯烴含量可以降的更低。

中國科學(xué)院過程工程研究所針對煤的寬粒度分布特性，提出了煤炭分級解熱提質(zhì)工藝［15］。該工藝結(jié)合流化床與輸送床，利用不同粒徑煤所具有的不同流化和氣力輸送特性，實現(xiàn)不同粒度煤的自然分級和在不同熱化學(xué)轉(zhuǎn)化條件下的高效轉(zhuǎn)化。

針對催化汽油輔助反應(yīng)器改質(zhì)降烯烴工藝，提出了提升管與流化床耦合反應(yīng)器。它既保留了提升管反應(yīng)器高效的反應(yīng)性能和良好的輸送能力，又使反應(yīng)物在流化床中有更長的停留時間，從而進一步促進了氫轉(zhuǎn)移、芳構(gòu)化等有利于降烯烴的反應(yīng)，該技術(shù)已經(jīng)工業(yè)化，并取得了良好的效果［16］。王德武［17］等系統(tǒng)研究了顆粒在這種反應(yīng)器內(nèi)的流動特性。

2 不同顆粒體系在流化床-提升管耦合流化床反應(yīng)器的流動特性對比

以下幾位研究者使用了不同的顆粒在結(jié)構(gòu)類似的流化床-提升管耦合反應(yīng)器中進行了研究，結(jié)果表明，其流動特性各具特點。

嚴(yán)超宇［18-20］在耦合流化床底部設(shè)置環(huán)流段，構(gòu)成底部環(huán)流段和上部燒焦管耦合流化床（見圖 1），也是流化床-提升管耦合反應(yīng)器的形式，把鼓泡床、湍動床、快速床、循環(huán)流化床燒焦耦合在一起。與普通燃燒器相比，環(huán)流床-燒焦管耦合反應(yīng)器能夠使氣固兩相在底部環(huán)流段環(huán)流流動，這種流動方式可以增加顆粒在環(huán)流段的反應(yīng)停留時間，提高氣固兩相的傳質(zhì)傳熱效率，而上部的燒焦管本身就具有傳熱傳質(zhì)效率高、熱輸入強度大等優(yōu)點。

嚴(yán)超宇系統(tǒng)的研究了石英砂顆粒體系在圖1中耦合反應(yīng)器內(nèi)的截面平均密度的軸向分布。其研究結(jié)果表明［18-20］，對于石英砂顆粒體系在反應(yīng)器沿軸向高度可明顯分為底部流化床密相區(qū)和上部燒焦管稀相區(qū)兩個區(qū)域；在某一軸向高度以上，燒焦管內(nèi)截面平均密度基本不變；循環(huán)量一定的情況下，隨著表觀氣速的增大，截面平均密度降低。

圖 1 嚴(yán)超宇實驗裝置流程示意圖床Fig.1 Schematic diagram of experimental unit designed by Yan Chao-yu

秦小剛［21］等在一套大型流化床-提升管耦合反應(yīng)器冷模實驗裝置上（見圖 2），對瀝青顆粒體系在耦合反應(yīng)器內(nèi)流動特性進行了研究，結(jié)果表明：瀝青顆粒在整個反應(yīng)器沿軸向可分為底部流化床密相區(qū)、提升管底部低密度區(qū)、提升管顆粒密度重整區(qū)、提升管加速區(qū)、充分發(fā)展區(qū)和出口約束區(qū)六個區(qū)域；反應(yīng)器內(nèi)軸向截面平均密度隨表觀氣速的增大而減小，隨顆粒循環(huán)量的增大而增大。

圖 2 秦小剛實驗裝置流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental unit designed by QIN Xiao-gang

曹鑫［22］在相似的流化床-提升管耦合流化床反應(yīng)器大型冷模實驗裝置中（見圖 3），研究了脫油油砂顆粒的流動特性。其研究結(jié)果表明，油砂顆粒在提升管內(nèi)沿軸向的運動可分為顆粒加速區(qū)、充分發(fā)展區(qū)和顆粒出口約束返混區(qū)；截面平均密度沿軸向呈上下兩端高、中間低的C型分布特征；提升管內(nèi)軸向平均密度隨表觀氣速的增大而減小，隨顆粒循環(huán)量的增大而增大。

圖 3 曹鑫實驗裝置流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental unit designed by CAO xin

通過對比以上研究可以發(fā)現(xiàn)，在相同結(jié)構(gòu)的流化床-提升管耦合流化床中，表觀氣速一定時，提升管軸向平均密度隨顆粒循環(huán)強度增大而增加；顆粒循環(huán)強度一定時，提升管內(nèi)軸向平均密度隨表觀氣速增大而減小。這種規(guī)律與所用的顆粒物性無關(guān)。不同的顆粒體系，在耦合流化床中提升管段的流動特性呈現(xiàn)不同的特性，具體表現(xiàn)在：圖1實驗中使用石英砂發(fā)現(xiàn)只有2個流動區(qū)域；圖2實驗中瀝青質(zhì)可分為6個流動區(qū)域；圖3實驗中脫油油砂可以分為3個流動區(qū)域。因此，不同的顆粒體系，在相同的耦合流化床呈現(xiàn)不同的特性。顆粒物性在耦合流化床中的流動特性的影響有必要進行系統(tǒng)的研究。此外，圖1實驗中提升管出口為新型快分，顆粒從提升管出口進入到快分入口，沒有流向的變化。圖2和圖3實驗中提升管出口采用的是T型出口，對提升管出口顆粒流動有著強約束作用。所以在圖2和圖 3的實驗中出現(xiàn)了約束返混區(qū)，而圖1實驗中提升管截面固含率基本不變。

3 結(jié)束語

流化床-提升管耦合反應(yīng)器可以適應(yīng)對一些新的工藝要求，有著廣泛的應(yīng)用前景。雖然很多研究者都根據(jù)所對應(yīng)的工藝開發(fā)了不同類型的流化床-提升管耦合反應(yīng)器，大多都是針對某一種具體工藝而開展的，但是所做研究缺乏系統(tǒng)性和理論基礎(chǔ)。這也是因為，氣固兩相流動本身就十分復(fù)雜，在耦合過程中，會使得這種復(fù)雜程度更高的緣故。對于流化床-提升管反應(yīng)器還缺乏理論基礎(chǔ)，因此對其開展基礎(chǔ)研究是十分必要。

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Research Progress in Fluidized Bed-Riser Coupled Reactors

CUI Gang, LIU Meng-xi
（China University of Petroleum, Beijing 102249,China）

Because of its unique superiority, a coupled fluidized bed reactor has got more and more attention by researchers. In this paper, research progress in fluidized bed-riser coupled reactors was introduced. Moreover, flow characteristics of different particles in the fluidized bed-riser coupled reactors with the same structure were compared. The result shows that particles properties have great effect on flow behavior in the fluidized bed-riser coupled reactors.

Coupled fluidized bed; Flow characteristics; Research progress

TQ 050

： A文獻標(biāo)識碼： 1671-0460（2014）07-1240-03

2014-05-23

崔剛（1984-），男，安徽阜南人，碩士研究生，研究方向：化學(xué)工程。

盧春喜。