流化床设计研究

【摘要】笔者以现阶段流化床设计展开讨论和研究，本文从基础分析、不良现象等方面多渠道分析研究。

【关键词】流化床，设计

一、流化床阶段分析

（1） 临界流化状态 当流体空塔速度u稍大于u'max时，颗粒床层开始松动，颗粒位置也在一定区间内开始调整，床层略有膨胀，但颗粒仍不能自由运动，床层的这种情况称为初始流化或临界流化，此时床层高度为Lmf，空塔气速称为初始流化速度或临界流化速度，以umf表示。

（2）流化床 当颗粒间流体的实际速度u1（=u/ε）等于颗粒的沉降速度ut时，固体颗粒将悬浮于流体中作随机运动，床层开始膨胀、增高，空隙率也随之增大，此时颗粒与流体之间的摩擦力恰好与其净重力相平衡。此后床层高度将随流速提高而升高，但颗粒间的实际流速恒等于ut，这种床层具有类似于流体的性质，故称为流化床，原则上，流化床有个明显的上界面。

（3）稀相输送床阶段 若流速再升高达到某一极限时（u1>ut），流化床的上界面消失，颗粒分散悬浮于气流中，并不断被气流带走，这种床层称为稀相输送床，颗粒开始被带出的速度称为带出速度，其数值等于颗粒在该流体中的沉降速度。

二、实际流化床中两种不同流化形式

1.散式流化。在流态化时，通过床层的流体称为流化介质。散式流化的特点是固体颗粒均匀地分散在流化介质中，接近于理想流化床，故亦称均匀流化。随流速增大，床层逐渐膨胀而没有气泡产生，颗粒间的距离均匀增大，床层高度上升，并保持稳定的上界面。通常，两相密度差小的系统趋向于散式流化，故大多数液-固流化属于“散式流化”。

2.聚式流化。对于密度差较大的气-固流化系统，一般趋向于形成聚式流化。在气-固系统的流化床中，超过流化所需最小气量的那部分气体以气泡形式通过颗粒层，上升至床层上界面时破裂，这些气泡内可能夹带有少量固体颗粒。此时床层内分为两相，一相是空隙小而固体浓度大的气固均匀混合物构成的连续相，称为乳化相；另一相则是夹带有少量固体颗粒而以气泡形式通过床层的不连续相，称为气泡相。由于气泡在床层中上升时逐渐长大、合并，至床层上界面处破裂，因此，床层极不稳定，上界面亦以某种频率上下波动，床层压降也随之相应波动。

三、流化床的不正常现象

聚式流化床中，空穴相和乳化相的存在，将会导致气流的不均匀分布和气固相接触不良，对传热、传质和化学反应不利，并且可能引发床层的如下不正常现象。

1.腾涌现象。腾涌现象主要出现在气-固流化床中。若床层高度与直径之比值过大，或气速过高，或气体分布不均时，会发生气泡合并现象。当气泡直径长到与床层直径相等时，气泡将床层分为几段，形成相互间隔的气泡层与颗粒层。颗粒层被气泡推着向上运动，到达上部后气泡突然破裂，颗粒则分散落下，这种现象称为腾涌现象。出现腾涌时，Dp-u曲线上表现为Dp在理论值附近大幅度的波动。这是因为气泡向上推动颗粒层时，颗粒与器壁的摩擦造成压降大于理论值，而气泡破裂时压降又低于理论值。流化床发生腾涌时，不仅使气-固接触不均，颗粒对器壁的磨损加剧，而且引起设备振动，因此，应采用适宜的床层高度与床径比及适宜的气速，以避免腾涌现象的发生。

2.沟流现象。沟流现象是指气体通过床层时形成短路，大部分气体穿过沟道上升，没有与固体颗粒很好地接触。由于部分床层变成死床，颗粒不是悬浮在气流中，故在Dp-u图上表现为低于单位床层面积上的重力，沟流现象的出现主要与颗粒的特性和气体分布板的结构有关。粒度过细、密度大、易于粘连的颗粒，以及气体在分布板处的初始分布不均，都容易引起沟流。

四、提高流化质量从如下几方面入手：

（一）分布板应有足够的流动阻力。在流化床中，分布板的作用除了支撑固体颗粒、防止漏料外，还有分散气流使气体得到均匀分布。但一般分布板对气体分布的影响通常只局限在分布板上方不超过0.5m的区域内，床层高度超过0.5m时，必须采取其它措施，改善流化质量。设计良好的分布板，应对通过它的气流有足够大的阻力，从而保证气流均匀分布于整个床层截面上，也只有当分布板的阻力足够大时，才能克服聚式流化的不稳定性，抑制床层中出现沟流等不正常现象。据研究，适宜的分布板压力降应等于或大于床层压力降的10%，并且其绝对值应不低于3.5kPa。床层压力降可取为单位截面上床层重力。

工业生产用的气体分布板型式很多，常见的有直流式、侧流式和填充式等。单层多孔板结构简单，便于设计和制造，但气流方向与床层垂直，易使床层形成沟流；小孔易于堵塞，停车时易漏料。多层孔板能避免漏料，但结构稍微复杂。凹形多孔分布板能承受固体颗粒的重荷和热应力，还有助于抑制鼓泡和沟流。侧流式分布板，在分布板的孔上装有锥形风帽（锥帽），气流从锥帽底部的侧缝或锥帽四周的侧孔流出。目前这种带锥帽的分布板应用最广，效果也最好，其中侧缝式锥帽采用最多。它是在直孔筛板或栅板和金属丝网层间铺上卵石石英沙卵石。这种分布板结构简单，能够达到均匀布气的要求。

（二）设备内部构件。在床层中设置某种内部构件以后，能够抑制气泡长大并破碎大气泡，从而改善气体在床层中的停留时间分布、减少气体返混和强化两相间的接触。挡网、挡板和垂直管束都是工业流化床广泛采用的内部构件。当气速较低时可采用挡网，它是用金属丝制成的，常采用网眼为15×15mm和25×25mm两种规格。

我国目前通常采用百叶窗式的挡板，这种挡板大致分为单旋挡板和多旋挡板两种类型，以单旋挡板用的最多。为了减少床层的轴向温度差，提高流化质量，挡板直径应略小于设备直径，使颗粒沿四周环隙下降，然后再被气流通过各层挡板吹上去，从而构成一个使颗粒得以循环的通道。垂直管束（如流化床内垂直放置的加热管）是床层内的垂直构件，它们沿径向将床层分割，可限制气泡长大，但不会增大轴向温差，操作效果较好，目前应用逐渐增加。

（三）粒度分布。颗粒的特性，尤其是颗粒的尺寸和粒度分布对流化床的流动特性有重要影响。采用小粒径、宽分布的颗粒特别是细粉能起“”作用，可提高流化质量。经验表明，能够达到良好流化的颗粒尺寸在20～500μm范围内。近几年来，细颗粒高气速流化床在化工中得到重视和应用。它不仅提供了气固两相较大的接触面积，而且增进了两相接触的均匀性，从而有利于提高反应转化率和床内温度均匀性。同时，高气速还可减小设备直径。