流化床-提升管耦合流化床反應器研究進展

崔 剛，盧春喜

（中國石油大學(北京)， 北京 102249）

流化床-提升管耦合流化床反應器研究進展

崔 剛，盧春喜

（中國石油大學(北京)， 北京 102249）

耦合流化床反應器由于其獨特的優越性，得到了越來越廣泛的關注。介紹了近期流化床-提升管耦合流化床反應器的應用研究進展。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器內流動特性，發現不同物性的顆粒，在流化床-提升管耦合流化床反應器內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

流態化技術以其特有的優越性能，在化工、石油、冶金、能源、材料、生化、環保、制藥等國民經濟的各個領域中的到日益廣泛的應用［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，循環床、稀相床和快速床［2］。隨著工藝技術的發展以及對反應程度的苛刻控制的追求，單一的流化床型反應器已經很難滿足技術的需求，不同流化類型相耦合的耦合流化床反應器已經被越來越多的學者進行研究，部分耦合流化床反應器已經在工業裝置上成功應用。如流化床氣化-燃燒技術［3,4］，管式燒焦技術［5］等。在催化裂化再生技術方面，我國已經掌握了鼓泡床、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工藝［6］。盧春喜［7］等利用了流化床和提升管的各自優點，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。這些成功的應用說明，針對不同工藝開發不同流化床型相耦合的技術大有可為之處。

1 流化床-提升管耦合流化床反應器研究現狀

提升管反應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，反應效率高，目標產品易于控制等優點。提升管與流化床耦合反應器能夠將兩者的優點結合起來。眾多學者對單一提升管做了大量研究，研究結果表明［8-10］，提升管出口的幾何結構對提升管內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生約束作用，提升管內氣固流動特性將會呈現新的特性。

目前對于流化床與提升管耦合結構流體力學特性的研究較少。主要有以下應用研究：

中國科學院山西煤炭化學研究所粉煤氣化工程研究中心，根據提升管的優點，開發了耦合灰熔聚技術和提升管技術的多段分級轉化流化床煤氣化爐［11］。其結構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點，具有梯級進料、分段進氧、煤分級轉化、氣化爐體積利用率和氣化效率高、結渣風險少等優點。

黃克峰［12］等針對催化裂化裝置結焦問題，開發一種由“提升管+流化床層+旋風分離器”組成的催化裂化新型反應器，并初步考察了流化床層部分的流動特性及其對旋風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工藝中物料粘結性問題，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性，開發了提升管和流化床多級組合式流化床。這種反應器包含底部的提升管和提升管頂部的多顆粒氣力輸送床，并針對具體反應體系進行了數值模擬工作。

侯栓弟［14］在汽油催化反應動力學模型和氣固兩相流動模型的基礎上，建立了汽油改質反應過程流動-反應耦合模型，相比于提升管反應器，其流動形式較為復雜，汽油中的烯烴含量可以降的更低。

中國科學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工藝［15］。該工藝結合流化床與輸送床，利用不同粒徑煤所具有的不同流化和氣力輸送特性，實現不同粒度煤的自然分級和在不同熱化學轉化條件下的高效轉化。

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

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構類似的流化床-提升管耦合反應器中進行了研究，結果表明，其流動特性各具特點。

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

嚴超宇系統的研究了石英砂顆粒體系在圖1中耦合反應器內的截面平均密度的軸向分布。其研究結果表明［18-20］，對于石英砂顆粒體系在反應器沿軸向高度可明顯分為底部流化床密相區和上部燒焦管稀相區兩個區域；在某一軸向高度以上，燒焦管內截面平均密度基本不變；循環量一定的情況下，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-提升管耦合反應器冷模實驗裝置上（見圖 2），對瀝青顆粒體系在耦合反應器內流動特性進行了研究，結果表明：瀝青顆粒在整個反應器沿軸向可分為底部流化床密相區、提升管底部低密度區、提升管顆粒密度重整區、提升管加速區、充分發展區和出口約束區六個區域；反應器內軸向截面平均密度隨表觀氣速的增大而減小，隨顆粒循環量的增大而增大。

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。其研究結果表明，油砂顆粒在提升管內沿軸向的運動可分為顆粒加速區、充分發展區和顆粒出口約束返混區；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；提升管內軸向平均密度隨表觀氣速的增大而減小，隨顆粒循環量的增大而增大。

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現，在相同結構的流化床-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強度增大而增加；顆粒循環強度一定時，提升管內軸向平均密度隨表觀氣速增大而減小。這種規律與所用的顆粒物性無關。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不同的特性，具體表現在：圖1實驗中使用石英砂發現只有2個流動區域；圖2實驗中瀝青質可分為6個流動區域；圖3實驗中脫油油砂可以分為3個流動區域。因此，不同的顆粒體系，在相同的耦合流化床呈現不同的特性。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的實驗中出現了約束返混區，而圖1實驗中提升管截面固含率基本不變。

3 結束語

流化床-提升管耦合反應器可以適應對一些新的工藝要求，有著廣泛的應用前景。雖然很多研究者都根據所對應的工藝開發了不同類型的流化床-提升管耦合反應器，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性和理論基礎。這也是因為，氣固兩相流動本身就十分復雜，在耦合過程中，會使得這種復雜程度更高的緣故。對于流化床-提升管反應器還缺乏理論基礎，因此對其開展基礎研究是十分必要。

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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：化學工程。

盧春喜。