循環(huán)流化床提升管反應(yīng)器的放大問題

張 坤

（中國石油大連潤滑油廠，遼寧 大連 116031）

循環(huán)流化床技術(shù)肇始于20世紀(jì)30年代，發(fā)展至現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)代化學(xué)工程的關(guān)鍵技術(shù)之一，不論在學(xué)術(shù)研究還是在工業(yè)實(shí)踐上均取得了豐碩成果[1]，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大[2]。目前，我國工業(yè)正處于轉(zhuǎn)型期，亟需調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，淘汰落后產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)。在許多工業(yè)流程中，利用高效節(jié)能的流化床反應(yīng)器代替低效高能耗的回轉(zhuǎn)窯、固定床和移動床反應(yīng)器恰逢其時(shí)[3]。但是，由于氣固兩相流體流動過程和顆粒-氣體相互作用的復(fù)雜性，放大問題仍然是制約循環(huán)流化床技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的一個至關(guān)重要的挑戰(zhàn)。放大問題的解決程度直接影響到循環(huán)流化床在工業(yè)過程能否成功應(yīng)用。

1 循環(huán)流化床提升管反應(yīng)器流體動力學(xué)的復(fù)雜性

循環(huán)流化床中存在氣固兩相流動，氣體和固體均在軸向和徑向分布不均，且兩者存在相互作用，顆粒之間也可能發(fā)生團(tuán)聚，底部密相區(qū)還存在固體顆粒的加速[4]。在軸向和徑向會存在固體和顆粒的混合[5-6]。實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床工業(yè)應(yīng)用的前提是將實(shí)驗(yàn)室技術(shù)進(jìn)行核實(shí)放大，這仍是工業(yè)技術(shù)應(yīng)用的一個重大難題，就目前而言，完全利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行放大是無法進(jìn)行的，綜合考慮實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型是減少放大過程風(fēng)險(xiǎn)和不確定性的有效方法[7]。實(shí)驗(yàn)研究是建立數(shù)學(xué)模型和進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。本文對循環(huán)流化床提升管反應(yīng)器放大問題的研究情況進(jìn)行了總結(jié)。

2 循環(huán)流化床提升管反應(yīng)器的放大效應(yīng)

提升管在軸向和徑向上氣固兩相均是不均勻的。就軸向而言，從上到下，提升管依次劃分為上部稀相區(qū)、過渡區(qū)和底部密相區(qū)。就徑向而言，從內(nèi)到外，提升管依次劃分為中心區(qū)、中間區(qū)和邊壁區(qū)。不同的區(qū)域，氣固兩相的情況差別巨大。循環(huán)流態(tài)化氣固流動規(guī)律包括局部流動結(jié)構(gòu)及其規(guī)律、軸向流動規(guī)律、徑向流動規(guī)律和整體流動規(guī)律[8]。

2.1 軸向和徑向固含率分布

提升管尺寸會顯著影響提升管反應(yīng)器中的顆粒分布。對比直徑不同的2根提升管發(fā)現(xiàn)，提升管直徑影響軸向和徑向固含率分布和流動形態(tài)[9]。在相同的固體循環(huán)速率和氣速條件下，提升管直徑增加，在每一個軸向高度和每一個徑向位置，固體濃度增加。在大直徑提升管中，固體濃度徑向分布斜率更大，即顆粒濃度朝提升管邊壁增加更急劇。對于2根提升管，提升管中間的流動形態(tài)幾乎是瞬時(shí)的，在所有操作條件下，固體濃度保持在相對恒定的低值，意味著在底部段中心區(qū)域固體流動速度非?？?。不同直徑提升管的中心區(qū)域區(qū)別不顯著。在邊壁區(qū)域，流動速度相當(dāng)緩慢并向下流動，近壁處固含率朝提升管頂部下降緩慢。而且，在大直徑提升管中，固含率更高，但流動更慢。在大直徑提升管中滑動氣速更高。增加顆粒循環(huán)速率，和/或降低臨界氣速，在整個提升管長度范圍內(nèi)邊壁區(qū)域的固含率增加。然而，增加臨界氣速使流動更快，同時(shí)也增大流動發(fā)展區(qū)域。在恒定氣速條件下增加顆粒循環(huán)速率，流動變得相當(dāng)緩慢。

2.2 顆粒速度

提升管直徑會對軸向和徑向顆粒速度分布和流動發(fā)展產(chǎn)生影響[10]。在所有徑向位置上部區(qū)域比較低部分的顆粒速度更均勻，在所有徑向位置中心區(qū)域比邊壁區(qū)域顆粒速度快。在提升管中心區(qū)域（0.0＜r/R＜0.632），顆粒速度保持高和相對恒定，表明在提升管中心固體流動發(fā)展非?？欤又殡S著固體通過提升管而逐漸接近邊壁。在中間半徑區(qū)域（0.632＜r/R＜0.894），顆粒速度增加，繼續(xù)通過管。在邊壁區(qū)（0.894＜r/R＜1.0），流動發(fā)展相當(dāng)慢。提升管中心的顆粒速度幾乎恒定但保持高速。對于不同直徑的提升管，中心區(qū)域沒有顯著區(qū)別。在邊壁區(qū)域，流動速度相當(dāng)慢，且在小直徑提升管中顆粒速度更快，大直徑提升管中流動慢。在2種提升管中局部顆粒速度和顆粒濃度之間存在依存性。在提升管長度內(nèi)提升表觀氣速可以增加顆粒速度，流動發(fā)展變得更快。而增加固體通量會減緩流動發(fā)展。對較大直徑提升管而言，由于放大效應(yīng)，橫截面平均顆粒速度較低，徑向顆粒速度分布斜率較大。在雙提升管形態(tài)中，氣體分布和顆粒聚集是影響局部流體動力學(xué)的關(guān)鍵因素。

2.3 軸向和徑向固體通量分布

軸向和徑向固體通量分布會存在放大效應(yīng)[11]。固體通量徑向分布存在兩種形狀：拋物線形和平面核心形。基于操作條件，利用有效固體飽和夾帶量的新概念預(yù)測這些模型。固體通量的徑向分布，大直徑提升管比小直徑提升管更不均勻。在下部區(qū)域，向下流動的固體數(shù)量最多，隨軸向高度增加而降低。增加提升管直徑流動發(fā)展變慢。操作條件對固體通量的影響是：增加氣速會降低提升管中向下流動固體的數(shù)量，而增加顆粒循環(huán)率能夠引起更多顆粒向下流動。

3 循環(huán)流化床的放大方法

循環(huán)流化床的設(shè)計(jì)步驟如下[12]：①確定操作參數(shù)：操作氣速、物料循環(huán)量、床溫、系統(tǒng)壓力等；②確定系統(tǒng)配置：壓縮氣體系統(tǒng)、給料系統(tǒng)及排料系統(tǒng)；③結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：床直徑、高度、氣固分離裝置、立管和返料裝置等；④防磨措施；⑤整體布局。循環(huán)流化床的設(shè)計(jì)過程亦即考慮循環(huán)流化床放大問題處理的過程。

流化床的放大是一項(xiàng)難度很大的技術(shù)工作。裝置規(guī)模對流化床反應(yīng)器性能的影響主要取決于床高、床徑、氣速、氣體分布板及內(nèi)部構(gòu)件。規(guī)模的放大必然顯著影響流化床內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)、流體流動和化學(xué)反應(yīng)，放大問題主要涉及催化劑性能、操作條件和床層結(jié)構(gòu)[13]。

目前，化工過程常用的放大方法有逐級經(jīng)驗(yàn)放大法、數(shù)學(xué)模型法、部分解析法、相似放大法、數(shù)量放大法和比例放大法等[14]。

3.1 逐級經(jīng)驗(yàn)放大法

逐級經(jīng)驗(yàn)放大法主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法，利用逐級擴(kuò)大的實(shí)驗(yàn)規(guī)?；蛑虚g工廠，探索幾何因素、結(jié)構(gòu)因素和操作因素對宏觀反應(yīng)結(jié)果的影響，以判斷裝置擴(kuò)大后可能出現(xiàn)的情況。該方法缺乏理論依據(jù)，費(fèi)事費(fèi)力，過程緩慢，難以做到高倍數(shù)放大。但每級放大均建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，可靠性高。

3.2 數(shù)學(xué)模型法

數(shù)學(xué)模型法是在充分認(rèn)識過程原理和規(guī)律的基礎(chǔ)上，運(yùn)用理論分析，找出描述過程運(yùn)行規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用于過程的放大。

3.3 部分解析法

部分解析法介于逐級經(jīng)驗(yàn)放大法和數(shù)學(xué)模型法之間，將理論分析和實(shí)驗(yàn)探索相結(jié)合。

3.4 相似放大法

以相似論和量綱分析為基礎(chǔ)，依據(jù)模型實(shí)驗(yàn)得到某些物理量之間的關(guān)系，按照相似原理推算模型和原型之間的相似規(guī)律。

3.5 數(shù)量放大法和比例放大法

數(shù)量放大法是采用設(shè)備單元數(shù)增加的一種放大方法。比例放大法是以一個或數(shù)個能表達(dá)過程主要特征的參數(shù)為依據(jù)，按照比例對該過程進(jìn)行放大的方法。

4 循環(huán)流化床的放大準(zhǔn)則

流化床內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞特性與流體力學(xué)特性密切相關(guān)，流體力學(xué)相似放大準(zhǔn)則具有一定的實(shí)用價(jià)值。

通常有兩種途徑：①利用白金漢π定律，對于依賴于n個獨(dú)立變量的物理過程，n個獨(dú)立變量具有k個量綱，可用n-k個無因次數(shù)群來描述該物理過程；②從流體力學(xué)方程式（包括邊界條件）出發(fā)，進(jìn)行無因次分析。第一種途徑的關(guān)鍵是正確分析所研究的物理過程，正確確定獨(dú)立變量。常用的準(zhǔn)則有Glicksman準(zhǔn)則[16-17]和Horio[18]準(zhǔn)則，它們所采用的流體力學(xué)方程不同。

循環(huán)流化床放大的相似準(zhǔn)則要求，首先必須滿足幾何結(jié)構(gòu)相似的要求，同時(shí)要滿足無因次數(shù)群相等的要求。其中涉及參數(shù)眾多，嚴(yán)格地滿足這些要求并不容易。此外，放大準(zhǔn)則的有效性也需要深入考量。

5 結(jié)論

由于循環(huán)流化床系統(tǒng)氣固兩相流動的復(fù)雜性，循環(huán)流化床的放大一直以來都是其工業(yè)應(yīng)用的一大難題。今后需要繼續(xù)深入研究兩相流體力學(xué)特性規(guī)律，通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬雙重手段進(jìn)行研究，結(jié)合現(xiàn)有成果，開發(fā)循環(huán)流化床切實(shí)可行的廣泛適用的放大方法。數(shù)學(xué)模型方法是最終追求目標(biāo)。

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