PDF《流态化工程研究的前沿课 题》

第20卷第5期

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9 2年10月25日 化学工程CH刀MICAL君NIGNEERING(CHI刀A)1/01.

20,No.5Oe乙.25.1992流态化工程研究的 前沿课题 金涌汪展 文(清华 大学 化工 系)刘淑娟 李佑 楚(中国科 学院 化工 冶金 所)摘要 流态化工程在当前 和今后 的技术进步中已 显示 出了强大的生命力 . 本文介 绍了流态化工程在国民 经济中的作用 、 快速流 态化与传统流态化的区别 . 讨论 了气液 固三相流态化行为 . 提出 了流 态化技术 的发展前景 . 主题 词:流态 化流态化工 程快速流态化 气液 固三 相 流态化 近年 来,流态 化技 术作 为一 门基 础技术 学科已经 渗透 到化 工、石油、冶金 、 能源 、 原子能、材料、轻工 、 机械 和 环保等 领域,为国民经济 的发 展作 出 了卓 越 贡献 . 从广 义上 讲,流态化 技术 是研 究 不同工 艺过 程中 , 气一固、液一固、气一液一固相态 之间相对运 动、混合、离析、接触 、 传质 、 传热 和 反应 的强 化和 优化 操作 的科学 . 与生 产过 程 的节 能、降低 原料 消耗 和开发 新工 艺过 程关气密切.由于 各类 生产 过程 中,物系特性 存在巨大 差异 (如 固体颗粒 的粒 度、粒度分 布、重度的差异 ;

气体 液体 的粘度 、 重度 、 表面张力 、 传热 系数 、 扩散系数 、 反应 速度 常数等的差 异;

以及 其 因压力 、 温度 场变 化所 带来 影 响等 ;

各相 操作 范 围也显 著不 同(如各相 间 的流速 及流 速分 布、流量 比,连续相 与分 散相 的转变 , 温度 、 压力 的操 作范围的 差异 ) , 所以随着新 的化学 过程 和物 理过 程的开发 , 流 态化技 术的 研究 领域将 不断 扩展 . 再 加上 其 内在规 律的复 杂性 , 许多问题 尚待解 一56一决,因此不 论现 在还 是将 来 流态化 工 程的研 究 都是 化学工程学科最活跃的研究课题之流态化工程 对国民经济 的贡献 近代 流 态化 技术是 随 着它 在石 油催化 裂化技术 中取得 的显 赫成 果,而受 到 广泛重 视的.在能 源领 域中.煤的燃 烧和 转化 工 艺与 流态化技 术 密切相关 , 流 态化燃 煤 技术 不仅 为低 热值燃 料 和劣 质煤 的燃 烧提供 了最理 想 的操 作方式 , 而且循 环 流化燃 煤技 术 也是低 污染 、 高效 率燃 煤最 有 效的途 径 之一 . 在煤 转化 为气态 或液 态燃 料 的研 究中 , 流 态化方 法被认 为是 最先 进、最有前途 、 最宜于大型 化的工 艺.石油化 学工业 的发 展是以橡胶 、 塑料 、 纤 维的合 成 为标志 的,而这些高 聚物 单体 合成 与流 态化 技术 密切 相关 . 近 年来 开发 成功 的 气相 聚合 技术被 认为是 最经 济有 效 的大规 模 生产 聚烯烃 的工 艺,这些工 艺 的开发 为流 态 化研 究开辟 了广 阔的前 景.在有色和 黑色 冶炼 工业 中,流态 化技 术 也起 着重 要作 用.我国金属 矿 产资源 多是 共 生矿 , 有 些矿 产 资源 ( 如铁 矿)又为贫矿 , 进行复杂的 矿石 富集 及提 取,需要 应用 流态化 技术 . 此外 , 氢 氧化 铝和 石灰 、 水泥、陶粒 、 膨胀砂 等 建筑 材料 的 流态化 生 产工艺 已经取 得 成功 应用.多晶硅 、 有机 硅、氮化 硅等 产 品的 流化 床反 应 器也处 于开 发过 程中.由于 流态 化反应 器 具有 高处 理能 力、低阻 力 降和 良好 的相 间接 触,故在 环保 工程 中也 正逐 渐被采用,如有害气 体 的吸附 脱附、废渣废水 的流化 焚烧 、 废水流化 电极 处理和 生化 处理 , 都是流态化 技 术应 用实 例.流态化 作 为潜 在 的技术 又可 应用 于深 层发酵、单细胞 蛋 白培养 等重 要生 化反 应工 程中.总之 , 流 态化 工程 的发 展既有 十分 诱人 的前景 , 又面临着 新的 挑战 . 传统流态化 工程 的新课 题60年代化学工程界对于传统流态化 的研究已进入 鼎盛 时期,当时 虽然 生产 中 已大 量使用了流 化 床反 应器 , 但 工程师 和学 者都 因气 固流化 床中存在 大 量气 泡,并使气 体短 路 通过 而 困惑 . 英 国学 者Dvaidson等人 率先 揭 开流 态化 中气泡 结构 的复 杂特性 , 使 化学 工 程界 为之 震惊 , 人们为气 泡 尾涡 、 晕层 、 气泡的形 成和 更新 破 碎机 制等奇 妙 的现象 所吸引,研究工 作 十分 活跃 , 力 图定性 描述 、 定量表征气 固鼓 泡流化 床 中种种 现象 , 一时出现几十 种数 学模 型,但成 效未 能尽 如人 意.70年代末 , 在对 传统 流化 床 的研究 中发 现,在适当提高 操作 气速 , 选 用适 当细 度的颗粒 ( 催化剂 ) 时,床层 的反 应性能 可 以大 大 改善 . 因此大 量工 业反 应器 纷纷 采 用细 颗粒催化剂 , 并称为细 颗粒 流化 床反 应器.更深入 的研 究发 现上 述过 程 并非 细颗 粒 床所 独有,在很 宽物 性范 围和 床 层结 构特 性下,逐渐提 高气 速,流化床 都会 发生 从鼓 泡 流态化 向湍动 流态化 的 转变 . 如 何促 进这 一转 变的发生,判别转 变 发生 的条 件及湍动 流 态化 的 特性 , 以 及其 在不 同.工艺 中 的应 用是 一个有 战 略意义 的课 题.传统 流化 床强化 的另 一个战略 突破 口应是对 于分 布板 控制 区的研 究.由于 分 布板上 气体 射 流与乳 相 间的气 体 交换 速率 高,初始 气泡尚未 长大 等 因素 , 所以分布板 控制 区有 优 异的反 应性 能.为此 , 又提出了多 层分 布 板浅 床 的构想 . 这 也是有 大量 研 究工作 可以开展的领 域.随着 流态 化技 术 的工 业应 用拓 宽,可供 流 化床使 用的 颗粒 尺 寸小 至 微米 ( G e l d a r t c 类),大到 几十 毫米 ( G e l d a r t D 类),甚至需 要采 用超 宽筛 分(从微米 到几 十毫 米颗 粒都 有)的反 应装 置.如在煤 的循 环流 化燃 烧装 置 中就 会遇到 这种 情况 , 在一定的 操作 条件 下,细颗 粒煤 粉处 于大 量 夹带 并不 断循 环的 快速 流态 化状 态.而粗 颗粒 煤块则 处于 鼓泡 流化 操作 或湍 动流 化操 作 条件 下,这时装置 中 出现一 个鼓 泡 或湍 动流 化床与一个 快 速循 环床 叠加 的操 作状 态,或者说是 处 于一 个由气固(细粉)两相 流所 流化 的粗 颗粒鼓泡或 湍 动流化 床的 操作 状态,这种复 杂 操梢在许 多工 艺 中有潜 在应 用 背景 , 有待 进一 步开 发.如何 减小颗粒之间分 子作用力 的影 响,使一个 超 细颗 粒层 处于良好的 流化 状态 , 是 很使人 感兴 趣 的课题 . 人 们正通 过 能量 附加 引入 或其 它手 段达 到这 一 目的 . 同样,对于 超粗 粒子 ( G e l d a r t D 类 物料 ) , 由于是 在 乳相 气速超 过 气泡 上升 速度 下操 作,气泡仅作 为 一个床层 空穴 存在 , 气 流穿 过 空........